Геология / 4 курс / Структурный анализ / Казаков_Заика-Новаций

В.С. ЗАИКА-НОВАЦКИЙ А.Н. КАЗАКОВ_______________

Структурный

АНАЛИЗ

иОСНОВЫ

структурной

ГЕОЛОГИИ

Допущено Министерством высшего

и среднего специального образования УССР

вкачестве учебного пособия для студентов геологических специальностей университетов

КИЕВ

ГОЛОВНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ИЗДАТЕЛЬСКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ «ВЫЩА ШКОЛА»

1989

ПРЕДИСЛОВИЕ

Роль структурной геологии и возможность обучения структур­ ному анализу в системе высшего геологического образования до сих пор относительно невелики. Причины следующие: недостаток специалистов, некоторая неопределенность содержания норматив­ ного курса «Структурная геология, геологическое картирование и дистанционные методы исследования» и значительное дублирова­ ние в программах родственных курсов, отсутствие учебной практи­ ки по специальности «Геологическая съемка, поиски и разведка полезных ископаемых». Создавшееся положение оказывает нега­ тивное влияние на уровень подготовки специалистов, что автомати­ чески сказывается на качестве выполнения новой программы гео­ логического изучения территории СССР (Госгеолкарта-50 и новые виды региональных работ).

Остановимся на актуальных вопросах собственно структурной геологии и структурного анализа, решение которых призвано ока­ зать существенное влияние на модернизацию названного выше нор­ мативного курса.

1. Назрела необходимость четко определить рамки структурной геологии на основе определения ее предмета и методики. Кажется логичным привычное выделение трех основных дисциплин — гео­ тектоники, региональной тектоники и структурной геологии, каж ­ дая из которых оперирует своими структурно-аналитическими ме­ тодиками, направленными на познание соответствующих уровней структурной организации земной коры.

Глобальный структурный анализ — методика геотектоники — при выделении своих предметов в значительной мере опирается на достижения геофизики, петрологии («глобальной петрологии») и сравнительной планетологии. Результаты синтезированы в виде «новой глобальной тектоники».

Региональный структурный анализ — методика тектоники — со­ средоточен на структурах, выделяемых при мелко- и среднемас­ штабном картировании. Описание методов находим в многочислен­ ных работах по геологии СССР. Одновременно тектоника служит основой и критерием истины геотектоники и фоном для структур- но-геологических исследований.

Локальный структурный анализ — методика структурной геоло­ гии — рассматривает структуры на уровне крупномасштабного кар-*

3

Глава 1. СОДЕРЖАНИЕ, ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ И ИСТОРИЯ СТРУКТУРНОЙ ГЕОЛОГИИ

Структурная геология является основой тектонических иссле­ дований. Ее объекты — складки, разрывы, магматогенные тела. Теоретическая основа — учение о деформациях горных пород. Еще 10—20 лет тому назад главнейшей задачей структурной геологии считалось изучение формы залегания горных пород (Г. Д. Ажгирей, В. В. Белоусов, Г. Н. Сапфиров). В настоящее время этого недо­ статочно. Ныне в структурной геологии рассматриваются такж е вопросы напряженного состояния геологических тел, эволюции складчатых и разрывных структур, генезис структурных форм и закономерности их пространственного размещения.

Методами структурной геологии изучаются в основном объекты среднего масштаба, видимые в обнажении или группе обнажений. Микрообъекты, которые можно наблюдать в образцах и шлифах, входят в сферу микроструктурного анализа. Крупные структуры, выявленные на геологических картах, рассматриваются тектоникой. Вместе с тем нельзя провести резких границ между структурной геологией и микроструктурным анализом, между структурной гео­ логией и тектоникой. При изучении структур приходится обращать­ ся к таким микрообъектам, как линейность, планарность, мелкие структуры и т. п. Границы структурной геологии и тектоники очень расплывчаты, так как складчатые структуры по своим размерам составляют непрерывный ряд.

Структурная геология имеет большое значение для геологосъемочных, поисковых и резведочно-эксплуатационных работ, так как залежи полезных ископаемых связаны с определенными типа­ ми структурных форм. Наш выдающийся исследователь рудных месторождений академик С. С. Смирнов говорил, что прикладная геология (т. е. геология, непосредственно выявляющая полезные ископаемые) — это структурная геология.

Структурная геология возникла, как и другие отрасли геоло­ гических знаний, из запросов горной практики. Тектонические структуры вполне определенно были известны уже в XVIII в. В частности, в известных трудах М. В. Ломоносова «О слоях зем­ ных» и «Первые основания металлургии или рудных тел» описаны условия залегания жил и приведена их классификация по «горизон­ ту» и «в рассуждении вертикальной линии», различалась «навис­ шая и лежачая» стороны жил; отмечалась роль разрывных смеще­

5

ний — «простенков» при эксплуатации месторождений полезных ископаемых пластового и жильного типов. М. В. Ломоносов отчет­ ливо различает первичное и вторичное залегания горных пород: «Наклонное положение камней диких к горизонту показывает, что оные слои сворочены с прежнего своего положения, которое по ме­ ханическим и гидростатическим правилам должно б быть горизон­ тально...»

Однако потребовалось более столетия, прежде чем структурная геология стала обособливаться как самостоятельная ветвь геологи­ ческой науки, приобретая только ей присущие черты. С тех пор как структурная геология определилась в самостоятельную дисципли­ ну, что можно, вероятно, отнести к середине прошлого века, в ней различаются три направления: 1) изучение структурного состояния горных пород и участков коры, что достигается посредством рас­ смотрения геологических разрезов и структурного анализа геоло­ гических карт, позволяющих устанавливать пространственные соот­ ношения дислокаций; 2) механизм деформаций; 3) история дефор­ маций. Первое направление хорошо известно, поскольку учебные пособия по структурной геологии представляют в своем большин­ стве изложение достижений и применяемых методов именно в этой области. Нет также недостатка в убедительных примерах регио­ нального структурного анализа, основывающегося на материалах региональной, крупно- и среднемасштабной геологической съемки и тектонических исследований. Второе направление методически оказалось более сложным, в связи с чем лишь в последние годы возникли условия для систематического изложения последователь­ ности, механизма (кинематики и динамики) деформаций, в первую очередь, складчатых.

В начале XIX в. «вопросы геометрии дислокаций получили боль­ шое развитие. Было понято, что основной формой залегания слоев в горных местностях является складка, и тщательное изучение рас­ пределения складок составило на долгое время едва ли не главную задачу региональных геологических исследований» (В. В. Белоусов, 1954).

В XX в., главным образом во второй его половине, доминанта складчатости в структурной геологии перешла к разломам и раз­ рывам, что связано с возникновением учения о глубинных разло­ мах, с новыми данными о блоковом строении земной коры и пла­ нетарной системе трещиноватости (регматическая сеть), а начиная с 60-х годов — с идеями новой глобальной тектоники.

Вместе с тем нужно отчетливо представлять, что рассматривае­ мое направление структурной геологии формировалось преимуще­ ственно на материале тектоники осадочных комплексов складчатых областей и платформ, древних и молодых. Тектоника метаморфи­ ческих и плутонических образований, а также изучение вулкано- и плутоно-тектонических структур, сравнительно с тектоникой оса­ дочных комплексов, явно и существенно отставали в связи со сла­ бым теоретическим и методическим обоснованием этих разделов структурной геологии.

6

Изучение механизма деформаций включает распознавание фи­ зического напряжения, изменяющего первоначальную внешнюю форму геологического тела (например, изгиб) и способы внутрен­ него перераспределения вещества. В конце XIX в. было установле­ но, что главнейшим внутренним процессом является пластическое течение, которое приводит к изменению формы тела без изменения его сплошности.

Одновременно с теорией появился эксперимент с целью воспро­ изведения деформаций в геологических условиях. Особенно интен­ сивно экспериментальные исследования развернулись, начиная с середины 50-х годов, когда региональные геологосъемочные рабо­ ты активно стимулировали как изучение морфологии структур и разработку морфологических классификаций, так и выяснение ме­ ханизма структурообразования, благодаря чему закладываются ос­ новы новой отрасли структурной геологии и геотектоники — тектонофизики, физической теории тектонических процессов.

Третье направление — история деформаций — наиболее интен­ сивно развивается за последние десятилетия. Структурная геология и ее методика пополнились новыми перспективными разделами, среди которых, в первую очередь, следует назвать тесно связанные между собой исследования наложенных структур, установление структурной эволюции и учение о структурных парагенезисах.

Современная структурная геология приобрела большую само­ стоятельность в системе геологических знаний. Используя регио­ нальные и локальные материалы геологического картирования, с одной стороны, классические и новейшие достижения соответствую­ щих разделов физики, с другой, структурная геология, при помоши универсального метода структурного анализа, все глубже прони­ кает в детали разнопорядковых тектонических структур, а также в механизм (кинематику и динамику) их образования.

Контрольные вопросы, задания. 1. Укажите различия предметов и методов структурного анализа при изучении структурной геологии, тектоники и геотекто­ ники. 2. Какие основные этапы становления структурной геологии как самостоя­ тельной отрасли геологической науки? 3. Определите содержание структурного анализа.

Глава 2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ

Первопричиной всех геологических преобразований, происходя­ щих в земной коре, являются процессы, протекающие во внутрен­ них оболочках Земли. Из этих процессов наиболее важна конвек­ ция, сущность которой заключается в потоках тепла и вещества, образующих конвективные ячейки внутри Земли. Конвекционные движения захватывают мантию и ядро. Конвективный теплоперенос является самым главным глубинным процессом, так как он до­ ставляет энергию, необходимую для протекания всех геологических процессов в наружных оболочках Земли — в земной коре и верхней мантии.

7

Притоки и оттоки глубинного тепла и вещества в тангенциаль­ ном направлении (параллельно поверхности Земли) непосредствен-, но под земной корой вызывают разрывы в ней и образование про­ гибов, которые, заполняясь осадками, формируют геосинклинальные зоны. Встречные или неравномерные движения тепла и вещества приводят к тектоническим процессам в земной коре — к образова­ нию складчатых зон, разрывных нарушений. Притоки тепла в зем­ ную кору вызывают в ней метаморфические процессы, магматичес­ кую (плутоническую) и вулканическую деятельность.

Главнейшими структурообразующими процессами в земной коре являются тектонические процессы. Метаморфизм и магматизм при некоторых условиях генерируют складчатые и разрывные струк­ туры, но чаще находятся в парагенетических отношениях с тектони­ ческими процессами (одновременны, но независимы).

2.1. Тектонические процессы

Протяженные складчатые и разломные зоны, в строении кото­ рых принимают участие огромные объемы горных пород, возника­ ют как следствие приложения эндогенных сил. Складчатый процесс генерирует многочисленные и разнообразные структуры и тексту­ ры. В зависимости от характера и направления приложения сил в местных полях напряжений образуются складки различного раз­ мера и формы, которые пространственно группируются в скучивания, ансамбли и цепи. Нередко складчатые структуры одного раз­ мера и одной морфологии покрывают большие площади (голоморф­ ная складчатость). Одновременно со складчатостью образуется плоскостной элемент — кливаж. Складчатость периодически повто­ ряется, образуя складчатые наложения. Совокупность складчатых этапов составляет деформационный цикл.

В условиях метаморфизма складчатость сопровождается глубо­ кой необратимой перестройкой и перекристаллизацией горных по­ род. Одновременно появляется комплекс минеральных новообразо­ ваний, закономерно и симметрично ориентированных относительно геометрических элементов складки (структурно-метаморфический парагенезис).

Образование разрывов, особенно крупных и крупнейших, глу­ бинных, коровых и мантийных, длительно развивающихся, в конеч­ ном итоге формирует новые структурно-вещественные тела, протя­ гивающиеся подчас на тысячи километров при мощности в несколь­ ко и даже в первые десятки километров. В случае относительно слабой перестройки горных пород разрывы проявляются в виде систем трещиноватости и смещений — закономерных кинематичес­ ки взаимообусловленных структурных парагенезисов. Складчатость и образование разрывов теснейшим образом взаимосвязаны, но на разных этапах развития той или иной тектонической зоны, склад­ чатой, например, ведущая роль принадлежит либо складкам, либо разрывам. Образование складчатой структуры в предельном слу­ чае завершается разрывами, закономерно ориентированными отно­

8

сительно координат складки. С другой стороны, складчатые струк­ туры выступают как производные разрывов при движении текто­ нических покровов и при смещениях по сдвигам. При достижении предела прочности вещества складки вспарываются вдоль осевых плоскостей или продолжающееся расплющивание разрешается в виде системы наклонных или вертикальных взбросов — слайдов.

2.2. Метаморфизм

Главным фактором, вызывающим метаморфизм горных пород, является глубинный тепловой поток. Если он распространяется на большие -объемы коры и равномерно, то это приводит к региональ­ ному метаморфизму. Если же тепловой поток локализован в какихто более узких границах, то на его периферии температура посте­ пенно понижается, что фиксируется в одновременно возникших зонах с минералами разной температуры кристаллизации — зо­ нальный метаморфизм. Глубинное тепловое метаморфогенное воз­ действие может быть неоднократным.

Состав минеральных ассоциаций зависит от температуры теп­ лового потока. В прогрессивном температурном ряду есть важней­ ший рубеж, при котором за счет селективного плавления появляется иное фазовое состояние вещества — расплав. Этот переход означа­ ет начало ультраметаморфизма. Расплав в мелких порциях раз­ мещается внутри метаморфизованной толщи, давая такие, напри­ мер, породы как мигматиты, или может внедряться в более верхние

структур метаморфических толщ происходит при пониженной вяз­ кости («размягченности») и повышенной механической и химичес­ кой неустойчивости и подвижности вещества горных пород. Поэто­ му, хотя структуры метаморфических толщ по своей морфологии (геометрии) принципиально не отличаются от структур, присущих осадочным толщам, морфологическая контрастность метаморфи­ ческой тектоники исключительно высока и проявляется даже в ма­ лых объемах (образцах) горной породы. Метаморфические про­ цессы способны ликвидировать исходную слоистость или иные пер­ вичные неоднородности, которые заменяются принципиально новой текстурой, генетически обусловленной метаморфической дифферен­ циацией и перекристаллизацией вещества горных пород. Такая псевдослоистая полосчатая толща является одновозрастной во всех своих частях, в целом соответствуя по времени создавшей ее эпохе метаморфизма. Понятно, если метаморфическая толща не содер­ жит реликтовые признаки исходных пород и их слоистой анизотро­ пии и, следовательно, невозможно также восстановить исходную, дометаморфическую структуру, геолог во время съемки создает принципально новую геологическую карту, цвета которой обуслов­ лены не возрастом пород, а отражают лишь петрографический со­

9