- •ВВЕДЕНИЕ
- •1. Напряжения и деформации
- •1.1. Деформация
- •1.4. Напряжения
- •1.5. Эллипсоид напряжений
- •1.6. Соотношение напряжений и деформаций
- •1.7. Прочность и разрушение
- •2. Методы изучения тектонических деформаций
- •2.1. От морфологии к генезису
- •2.3. Методы экспериментальной тектоники. Тектонофизика
- •2.4. Петротектоника
- •2.5. Стрейн-анализ и стресс-анализ
- •3. Структурообразование в неоднородной геологической среде
- •3.1. Концентраторы напряжений и их типы
- •3.3. Модель среды со структурой и мезомеханика
- •3.5. Основные выводы
- •4. Механизмы деформации горных пород
- •4.1. Внутрикристаллическая деформация
- •4.4. Рекристаллизация
- •4.5. Плавление при деформации
- •4.6. Растворение под давлением
- •4.7. Катакластическое течение
- •5.1. Плоскостные текстуры
- •5.7. Тектониты
- •5.8. Линейность
- •6. Кинкбанды. Будинаж. Муллионы
- •6.1. Кинкбанды
- •6.2. Будинаж
- •7. Складки
- •7.1. Геометрия складок
- •7.3. Вергентность
- •7.4. Складки продольного изгиба
- •7.7. Полифазные складки
- •8. Разрывные нарушения
- •8.1. Трещины отдельности
- •8.3. Трещины и разрывы растяжения (отрывы)
- •8.4. Разломы
- •9.2. Механические обстановки структурообразования
- •9.4. Некоторые следствия
- •Заключение
- •Интернет-ресурсы
- •Предметный указатель
- •Список литературы
- •Рекомендуемая литература
2. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ТЕКТОНИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ
...Никакаяинструкциянеможетперечислитьвсехобязанностей должностного лица, предусмотреть все отдельные случаи и дать вперед соответствующие указания, а потому господа инженеры должны проявить инициативу и, руководствуясь знаниями своей специальности и пользой дела, прилагать все усилия для оправдания своего назначения.
Циркуляр Морского технического комитета № 15 от ноября 29 дня 1910 года
Отличия деформаций и разрушений, с которыми имеют дело физики и инжене- ры-конструкторы, от тех, что происходят в геологической среде, определяются дли тельностью тектонических процессов, достигающей миллионов лет, и особенностью приложения сил. В результате резко неоднородного строения геологической среды возникает такое же неоднородное распределение напряжений в ней и вследствие это го - неоднородные тектонические деформации, обусловленные сложным взаимодейс твием различных деформационных механизмов.
Чтобы согнуть пачку листов бумаги или колоду игральных карт, достаточно весь ма небольших усилий и нескольких секунд. Точно так же «мысленно» можно согнуть пачку переслаивания песчаников и алевролитов, хотя интуитивно понятно, что меха низмы здесь должны быть другими (это не бумажные листы, легко проскальзываю щие друг относительно друга), иным должен быть способ приложения сил, и время потребуется значительно большее (иначе терригенная пачка просто «сломается»). В механике, каким бы сложным объектом не представлялась любая конструкция, ее про чностные характеристики могут быть рассчитаны, а свойства материалов изучены с учетом неоднородностей их строения. При изучении тектонических деформационных процессов мы наблюдаем конечный структурный результат, итоговую картину того, что происходило много миллионов лет назад в объемах, занимающих сотни и тысячи кубических километров. Какими силами создана столь сложная картина, как устано вить последовательность ее формирования, сколько времени на это потребовалось, каковы были напряжения и к каким по величине деформациям они привели?..
Как правило, вопросов больше, чем ответов. В природе не существует тождествен ных повторений, а мы не располагаем временем и «подходящей» моделью для тако го эксперимента. Эта особенность характерна для многих геологических дисциплин: исторической геологии, литологии, петрологии и др. Наличие современных аналогов структурообразования и возможности их изучения ограничены, а экстраполяция та ких наблюдений на процессы геологического прошлого всегда требует корректировок и введения поправок. Главная задача структурного анализа - полное и достоверное описание элементов строения (структуры) и восстановление по этому структурному результату особенностей деформационного процесса. Такая обратная задача может быть решена с разной степенью детальности и достоверности различными методами структурного анализа.
40 Глава 2
2.1. От морфологии к генезису
Предметом структурной геологии является изучение форм залегания горных по род в земной коре [Ажгирей, 1956; Белоусов, 1986]. Структурная геология является разделом геотектоники. Традиционно сложилось так, что в курсе структурной гео логии большее внимание уделяется изучению морфологии геологических структур, тесно связанному с геологическим картированием, а генетические разделы структурообразования освещаются гораздо более скупо. Сведения о механизмах структурообразования и методах их изучения во многих учебных заведениях включаются в спе циальные курсы («Тектонофизика», «Структурная геология сложнодислоцированных комплексов», «Структурная петрология» и др.).
Цель структурного анализа - изучение строения и структурной эволюции опреде ленного сегмента земной коры, имеющего естественные пространственные ограниче ния. Таким сегментом может быть тектоническая зона, интрузивный массив, складка, зона дислокаций, сутура. При изучении слагающих данный сегмент структурных эле ментов прежде всего проводится морфологический анализ: описание геометрии гео логических тел, их пространственного положения и соотношения друг с другом. Гео логическое картирование является тем инструментом, который позволяет установить строение данного участка земной поверхности и экстраполировать эти сведения на глу бину (иногда, опираясь на данные геофизических исследований и бурения, достаточно уверенно). Геологическая карта представляет собой строгую фактическую основу, гео логический документ, генерализованное отображение собранных данных в выбранном масштабе. В ходе геологического картирования фиксируется огромное количество ин формации, которое не может быть полностью отображено на карте. При специальном геолого-структурном картировании насыщенность карты дополнительной нагрузкой возрастает, однако часть информации, которая имеет непосредственное отношение к структурному анализу, не отражается на карте и все же «теряется». Улучшить ситуацию можно за счет более детального картирования ключевых участков и обнажений, при влечения статистических методов обработки данных для определения закономернос тей ориентировок структурных элементов - все это позволяет с большей детальностью и достоверностью понять геологическое строение данного участка земной коры.
Из морфологических методов будет более или менее подробно рассмотрен только метод анализа ориентировок структурных элементов с применением стереографичес ких проекций [Очеретенко, Трощенко, 1978; Родыгин, 1992; Groshong, 2006; Ramsay, Huber, 1987] (см. разд. 2.2), результаты которого широко применяются в структурном анализе. К другим морфологическим методам относятся собственно геологическое картирование и используемые при картировании методы построения геологических разрезов, структурных поверхностей, оценки мощностей в косых пересечениях и проектирования на планы и разрезы, ЗБ-анализ. Морфологический анализ структур имеет широкое практическое применение при разведке месторождений полезных ис копаемых и в нефтяной геологии [Groshong, 2006].
Кинематический анализ изучает движения и деформации горных пород. Полный кинематический анализ предполагает знание (или возможность реконструкции) про странственного положения и состояния объекта до деформации. Иными словами,
Методы изучения тектонических деформаций |
41 |
нужно оценить направление перемещения, вращение и изменение формы (определить эллипсоид деформации). Исходные данные не всегда позволяют провести такой все объемлющий кинематический анализ, и нередко приходится иметь дело с отдельны ми его составляющими. Важной задачей кинематического анализа является установ ление направления перемещения по разрывным нарушениям, а также ориентировок осей эллипсоида и величины деформации. Определение эллипсоида деформации про водится методами стрейн-анализа.
Динамический анализ (или стресс-анализ) устанавливает взаимосвязи между кинематической картиной и вызвавшими ее силами, т.е. призван определить направ ление и (по возможности) величину действовавших сил (напряжений). Задачи дина мического анализа еще более сложны, и даже полное знание кинематики не всегда дает достаточную информацию для реконструкции напряженного состояния и оценки величины напряжений.
Структурный анализ и его морфологическая, кинематическая и динамическая составляющие, уточняя и углубляя знание о морфологии геологических структур, позволяют реконструировать и охарактеризовать (качественно, а в ряде случаев и ко личественно) процессы структурообразования. Методы структурного анализа много численны. Некоторые из них носят более общий характер, другие применимы только
кчастным структурам и имеют много существенных ограничений. Здесь хотелось бы обратиться только к основным методам, на которых базируются современные пред ставления о деформациях в геологической среде, а также определить общие методо логические подходы к анализу деформационных геологических структур.
Решение задач кинематического и динамического анализов основано на исследо вании механизмов деформации горных пород (см. гл. 4). В зависимости от термодина мических условий и условий нагружения в одних и тех же породах протекают разные деформационные процессы, которые могут быть установлены на основе петротектонического, или микроструктурного анализа (см. гл. 5). Широкое внедрение методов электронной микроскопии в петротектонический анализ и совершенствование экспе риментальной базы в опытах по деформации горных пород в последние годы привело
ксущественному прогрессу в данном направлении.
Наиболее полно и последовательно взаимосвязи между морфологией, кинемати кой и динамикой структурообразования изучаются тектонофизикой. Лабораторные, численные и «природные» эксперименты позволяют наблюдать и изучать эволюцию структур с заданными или известными параметрами напряжений и определять про- странственно-временные взаимосвязи кинематических и динамических параметров в процессе структурообразования.
В геологической среде нельзя искусственно вычленить какой-либо один струк турный элемент, вырвать его из общего контекста и рассматривать отдельно. Как правило, структурные элементы образуют сочетания (ассоциации, ансамбли, ряды) структур, отражающие эволюцию данного сегмента земной коры. Обоснованное вы деление таких сочетаний, или структурных парагенезов, и комплексная интерпрета ция стадийности и этапности их формирования, их пространственной латеральной и вертикальной изменчивости проводятся в рамках структурного парагенетического анализа (см. разд. 2.6, 3.6, гл. 9).
42 |
Глава 2 |
Задачи структурного анализа в общем случае решаются несколькими группами ме тодов: экспериментальными, в которых выводы об условиях образования структур и их эволюции базируются на результатах моделирования природных деформационных процессов; морфологическими, позволяющими реконструировать пространственное положение структурных элементов на основе статистического анализа, интерполяций и экстраполяций; генетическими и (или) парагенетическими, в которых совокупность данных геологических наблюдений лежит в основе кинематических, динамических и эволюционных реконструкций структурообразования. В рамках структурного анализа эти методы тесно взаимосвязаны, поскольку выводы генетического анализа опираются на экспериментальные данные, а условия экспериментов обычно задаются с целью изучения определенного процесса структурообразования (например складчатости) или определенной тектонической ситуации (например рифтогенеза). Основы этих методов рассмотрены ниже. Кроме того, к различным вариантам применения этих методов и их модификаций мы будем неоднократно обращаться в последующих главах.
2.2.Анализ ориентировок структурных элементов
сиспользованием стереографических проекций
Стереографические проекции являются простым и удобным средством геометри ческого анализа ориентировок структурных элементов. Использовать их в кристал лографии предложил Е.С. Федоров (1901), чтобы «с графической точностью изоб ражать на бумаге угловое пространственное положение кристаллических граней и ребер» [Родыгин, 1992]. Позднее были разработаны основные методы и приемы рабо ты со стереографическими сетками в структурной геологии [Очеретенко, Трощенко, 1978; Родыгин, 1992]. С появлением специализированных компьютерных программ работа со стереографическими проекциями значительно упростилась, что не отменя ет требований к пониманию главных принципов их построения.
Линейные и плоскостные структурные элементы ориентированы в пространстве, и для однозначной фиксации их положения измеряют элементы залегания - азимут простирания, а также азимут и угол падения (для плоскостных элементов) или погру жения (для линейных структур).
Для графического представления ориентировки плоскости или линии удобно ис пользовать сферу. Если поместить воображаемую сферу так, чтобы через ее центр проходила измеряемая линия, то точка, где эта линия «прокалывает» сферу, будет определять ее пространственное положение графически. «Сохраняя» пространствен ную ориентировку сферы, не вращая ее относительно горизонта и сторон света, мы сохраним информацию об ориентировке линии по положению точки «прокола». Пос
кольку основная форма представления
^ Некоторые программы для работы со сте- ^ |
и передачи такой информации остается |
|
реографическими проекциями можно найти по |
двумерной, то неизбежным становится |
|
следующим ссылкам: |
||
использование проекции - изображения |
||
http://www.geo.comell.edu/geology/faculty/RWA/ |
||
programs.html |
сферы на плоскости. При проектирова |
|
www.ruhr-unibochum.de/hardrock/downloads.htm J |
нии неизбежны искажения, которые за |
Методы изучения тектонических деформаций |
43 |
висят от свойств проекции (рис. 2.1). В спроектированном виде сфера представляет собой круг, ориентировка линии на котором будет графически однозначно определена положением точки пересечения линии и сферы.
Аналогичным образом положение любой плоскости можно определить линией пересечения этой плоскости с поверхностью сферы, центр которой лежит в данной плоскости. При проектировании линия пересечения плоскости и сферы превратится в дугу (проекцию дуги большого круга). Для удобства отображения совокупности плос костей обычно используют точку полюса плоскости, или проекцию нормали (линии, ортогональной этой плоскости). Если вернуться к воображаемой сфере, центр которой лежит в измеряемой плоскости, то полюсом плоскости будет точка «прокола» прямой, ортогональной плоскости и проведенной через центр сферы (см. разд. 7.2).
Проекция на плоскость сферы и нанесенных на нее условных меридианов и па раллелей называется сеткой (рис. 2.2). В зависимости от способа проектирования сет ка может быть нормальной (или полярной - взгляд на сферу со стороны полюса), поперечной (экваториальной - взгляд на сферу со стороны экватора) и косой (взгляд на сферу с произвольной точки).
Рис. 2.1. Принципы построения равноугольной (а) и равноплощадной (б) |
|
стереографических проекций. По [Очеретенко, Трощенко, 1978; Родыгин, |
|
1992] с изменениями. Равноугольная проекция (а) является перспективой |
|
шара на проекционную плоскость Р из точки зрения проекции - точки S |
|
на поверхности шара, которая наиболее удалена от проекционной плос |
|
кости. Для равноплощадной проекции (б) точка зрения проекции S нахо |
|
дится вне сферы. Для ее нахождения через верхний конец вертикального |
|
диаметра сферы N проводится линия, параллельная отрезку ОЛ2, соеди |
|
няющему центр сферы О и точку Av лежащую на окружности пересече- |
1 |
ния сферы и проекционной плоскости. На этой линии откладывается от |
|
резокNAl9равный хорде NAV соответствующей углу 90°. Через точки Ахи А2проводится прямая до пересечения с нижним продолжением вертикального диаметра. Точка пересечения является точкой зрения проекции S.
Отображение структурных элементов в виде стереографических проекций является простым графическим спо собом представления их ориентировок. Если спроектировать некоторый линейный элемент (например, шарнир складки/ на обоих рисунках), проходящий через центр воображаемой сферы, точка «прокола» сферы /, спроек тированная на плоскость в виде точки /р, сохраняет информацию об ориентировке линии в пространстве, если зафиксирована ориентировка проекции относительно сторон света и известен способ проектирования (положе ние точки /р на рис. а и б неодинаково, поскольку способ проектирования различен).