А.Б. Кирмасов
ОСНОВЫ СТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА
Научный мир
2011
УДК 331/24 ББК 26.324 К43
Кирмасов А.Б.
К43 Основы структурного анализа. - М.: Научный мир, 2011. - 368 с.: ил. цв. 16
ISBN 978-5-91522-210-5
В книге рассматриваются процессы формирования тектонических струк тур и методы их изучения. На современном уровне рассмотрены физико механические основы структурной геологии, методы структурного анализа, структурные формы и их парагенезы.
Для геологов широкого профиля, тектонистов, геологов-структурщиков, сту дентов старших курсов.
УДК 331/24 ББК 26.324
IBSN 978-5-91522-210-5 |
© Кирмасов А.Б., 2011 |
|
О Научный мир, 2011 |
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ....................................................................................................................... |
7 |
ОТ АВТОРА............................................................................................................................... |
8 |
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................. |
10 |
1. НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ............................................................................. |
12 |
1.1. Деформация...................................................................................................................... |
12 |
1.2. Измерение деформации................................................................................................... |
14 |
1.3. Эллипсоид деформации................................................................................................... |
16 |
1.4. Напряжения...................................................................................................................... |
18 |
1.5. Эллипсоид напряжений................................................................................................... |
23 |
1.6. Соотношение напряжений и деформаций.................................................................... |
25 |
1.7. Прочность и разрушение................................................................................................. |
30 |
1.7.1. Теория прочности..................................................................................................... |
31 |
1.7.2. Механика разрушения.............................................................................................. |
32 |
1.8. Деформационные свойства горных пород и их зависимость |
|
от различных условий................................................................................................ |
34 |
2. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ТЕКТОНИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ ................. |
39 |
2.1. От морфологии к генезису............................................................................................. |
40 |
2.2. Анализ ориентировок структурных элементов с использованием |
|
стереографических проекций................................................................................... |
42 |
2.3. Методы экспериментальной тектоники. Тектонофизика............................................ |
45 |
2.3.1. Аналоговое моделирование.................................................................................... |
45 |
2.3.1.1. Моделирование на эквивалентных материалах. Теория подобия.............. |
46 |
2.3.1.2. Моделирование с использованием оптически активных материалов |
49 |
2.3.1.3. Тектоническое моделирование...................................................................... |
52 |
2.3.2. «Природное» моделирование.................................................................................. |
54 |
2.3.3. Численное моделирование....................................................................................... |
56 |
2.3.4. Эксперименты по деформации горных пород...................................................... |
57 |
2.4. Петротектоника................................................................................................................ |
58 |
2.5. Стрейн-анализ и стресс-анализ..................................................................................... |
60 |
2.6. Структурный парагенетический анализ....................................................................... |
66 |
3. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В НЕОДНОРОДНОЙ |
|
ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ.................................................................................. |
70 |
3.1. Концентраторы напряжений и их типы........................................................................ |
70 |
3.2. Уровни структурной организации................................................................................. |
73 |
3.3. Модель среды со структурой и мезомеханика............................................................. |
75 |
3.4. Модель среды со структурой применительно к геологической среде....................... |
77 |
3.5. Основные выводы............................................................................................................ |
81 |
3.6. Основные следствия: структурные парагенезы |
|
в модели структурных перестроек........................................................................... |
82 |
4. МЕХАНИЗМЫ ДЕФОРМАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД................................................ |
86 |
4.1. Внутрикристаллическая деформация......................................................................... |
86 |
4 |
|
4.1.1. Дефекты в кристаллах............................................................................................. |
88 |
4.1.2. Дислокационное скольжение................................................................................. |
90 |
4.1.3. Деформационное двойникование.......................................................................... |
94 |
4.1.4. Образование кинкбандов........................................................................................ |
95 |
4.2. Диффузионная ползучесть............................................................................................. |
96 |
4.3. Межзерновое скольжение и сверхпластичность.......................................................... |
98 |
4.4. Рекристаллизация............................................................................................................ |
99 |
4.4.1. Уменьшение площади границ зерен...................................................................... |
99 |
4.4.2. Миграция границ зерен.......................................................................................... |
103 |
4.4.3. Вращение субзерен................................................................................................. |
104 |
4.4.4. Статическая и динамическая рекристаллизация................................................. |
105 |
4.5. Плавление при деформации.......................................................................................... |
107 |
4.6. Растворение под давлением.......................................................................................... |
109 |
4.7. Катакластическое течение............................................................................................. |
112 |
4.8. Краткая характеристика механизмов деформации |
|
породообразующих минералов............................................................................... |
113 |
4.9. Диаграммы деформационных механизмов. Деформация |
|
поликристаллических агрегатов............................................................................. |
120 |
4.10. Преимущественная кристаллографическая ориентировка минералов................... |
124 |
5. ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ И ТЕКСТУРЫ ГОРНЫХ ПОРОД |
129 |
5.1. Плоскостные текстуры.................................................................................................. |
130 |
5.1.1. Сланцеватость......................................................................................................... |
130 |
5.1.2. Кливаж обломочных пород.................................................................................... |
132 |
5.1.3. Кливаж плойчатости.............................................................................................. |
141 |
5.2. Стилолиты....................................................................................................................... |
143 |
5.3. Кливажные швы............................................................................................................. |
147 |
5.4. Минеральные жилы....................................................................................................... |
148 |
5.5. Структуры тыльных частей минеральных зерен и включений................................. |
162 |
5.6. Порфиробласты.............................................................................................................. |
167 |
5.7. Тектониты....................................................................................................................... |
178 |
5.7.1. Брекчии и глинки трения....................................................................................... |
179 |
5.7.2. Катаклазиты............................................................................................................ |
179 |
5.7.3. Милониты................................................................................................................ |
179 |
5.7.4. Признаки направления смещения (сдвига) и кинематический |
|
анализ зон милонитов.......................................................................................... |
184 |
5.7.4.1. Футляровидные складки............................................................................... |
185 |
5.7.4.2. SC-текстуры.................................................................................................... |
187 |
5.7.4.3. Порфирокласты.............................................................................................. |
189 |
5.7.4.4. Слюдяные пакеты.......................................................................................... |
192 |
5.7.4.5. Ориентировка кристаллографических осей минералов............................ |
193 |
5.7.5. Псевдотахилиты..................................................................................................... |
193 |
5.8. Линейность............................................................................................................... |
195 |
5.9. Некоторые методы определения величины деформации в горных породах............ |
196 |
6. КИНКБАНДЫ. БУДИНАЖ. МУЛЛИОНЫ.............................................................. |
204 |
6.1. Кинкбанды..................................................................................................................... |
204 |
6.2. Будинаж.......................................................................................................................... |
216 |
5
6.3. Муллионы ............................................................................................................... |
224 |
7. СКЛАДКИ........................................................................................................................ |
227 |
7.1. Геометрия складок........................................................................................................ |
227 |
7.1.1. Ориентировка осевых поверхностей и шарниров складок............................... |
228 |
7.1.2. Угол между крыльями и морфология замков складок....................................... |
229 |
7.1.3. Цилиндрические и конические складки.............................................................. |
230 |
7.1.4. Параллельные и подобные складки. Изогоны.................................................... |
231 |
7.1.5. Линейные и брахиморфные складки. Замыкания складок................................ |
232 |
7.1.6. Зеркало складчатости. S9Z и М-складки............................................................. |
234 |
7.2. Использование стереографических проекций |
|
при структурном анализе складок......................................................................... |
235 |
7.3. Вергентность.................................................................................................................. |
239 |
7.4. Складки продольного изгиба....................................................................................... |
240 |
7.4.1. Общие положения................................................................................................. |
240 |
7.4.2. Основные факторы, определяющие морфологию складок............................... |
243 |
7.4.3. Стадийность образования складок продольного изгиба.................................... |
245 |
7.4.3.1. Стадия продольного укорочения................................................................. |
245 |
7.4.3.2. Стадия изгиба................................................................................................ |
247 |
7.4.3.3. Стадия общего сплющивания...................................................................... |
251 |
7.4.4. Соотношение линейных и плоскостных текстур со складками........................ |
254 |
7.5. Складки поперечного изгиба....................................................................................... |
257 |
7.6. Складки течения............................................................................................................. |
257 |
7.7. Полифазные складки.................................................................................................... |
258 |
8. РАЗРЫВНЫЕ НАРУШЕНИЯ....................................................................................... |
262 |
8.1. Трещины отдельности.................................................................................................. |
262 |
8.2. Текстурная отдельность................................................................................................ |
263 |
8.3. Трещины и разрывы растяжения (отрывы)................................................................ |
264 |
8.3.1. Минеральные жилы............................................................................................... |
264 |
8.3.2. Дайки....................................................................................................................... |
265 |
8.4. Разломы.......................................................................................................................... |
274 |
8.4.1. Элементы геометрии............................................................................................. |
274 |
8.4.2. Внутреннее строение зон разломов..................................................................... |
275 |
8.4.3. Кинематический анализ разломов....................................................................... |
278 |
8.4.4. Системы разрывных нарушений.......................................................................... |
283 |
9. СТРУКТУРНЫЕ ПАРАГЕНЕЗЫ............................................................................... |
287 |
9.1. РТ-условия и механизмы деформации........................................................................ |
289 |
9.2. Механические обстановки структурообразования.................................................... |
292 |
9.3. Пространственно-временные ряды структурных парагенезов................................. |
296 |
9.3.1. Суперпозиционные структурные парагенезы (на примере |
|
Уакитской зоны Северного Прибайкалья)........................................................ |
299 |
9.3.1.1. Стадийность складкообразования............................................................... |
299 |
9.3.1.2. Карбонатные брекчии и меланжи................................................................ |
309 |
9.3.2. Компенсационные структурные парагенезы...................................................... |
319 |
9.3.3. Прогрессивные и регрессивные ряды структурных парагенезов..................... |
324 |
9.4. Некоторые следствия.................................................................................................... |
329 |
6 |
|
9.4.1. Скорость тектонических деформаций и время |
|
формирования структур..................................................................................... |
329 |
9.4.2. Масштабная шкала и скэйлинговые числа......................................................... |
330 |
9.4.3. Конвергенция морфологических признаков....................................................... |
333 |
9.4.4. Критические точки и миграция деформационных процессов.......................... |
335 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................... |
337 |
ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ........................................................................................................ |
338 |
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ............................................................................................. |
339 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................................... |
346 |
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА................................................................................... |
366 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Структурная геология является одной из фундаментальных геологических дис циплин. К сожалению, в последние годы этот фундамент в России нуждается в ук реплении: для того, чтобы перечислить учебные пособия последнего десятилетия, хватило бы нескольких строк.
Книга «Основы структурного анализа» более всего соответствует учебному по собию, которое освещает генетические аспекты структурообразования. Вместе с тем, степень детальности рассмотрения многих вопросов гораздо шире, чем требуется для учебника. Важно, что изложение материала построено в едином ключе, на основе уче ния о структурных парагенезах - направления, развитие которого связано с лаборато рией геотектоники и тектонофизики имени В.В. Белоусова (геологический факультет МГУ).
Безусловно одно - книга будет востребована, и можно надеяться, что она станет настольной книгой преподавателей и студентов геологических специальностей, науч ных специалистов, геологов-съемщиков. Издание может быть использовано при пре подавании в высших учебных заведениях таких курсов, как «Структурная геология и геологическое картирование», «Геотектоника» и др.
Доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией минералогического и трекового анализа Геологического института РАН
А.В. Соловьев
ОТ АВТОРА
Читая на геологическом факультете Московского университета раздел по струк турным парагенезам в рамках курса «Тектонофизика» (2000-2003 гг.), автор столк нулся с недостатком современных учебных пособий по структурной геологии на рус ском языке, особенно по генетическим аспектам структурного анализа. В 2001 г. было создано электронное пособие по данному разделу курса для студентов факультета, тогда же некоторые разделы этого пособия были использованы для создания научно учебного Интернет-ресурса «Сайт о структурной геологии». Впоследствии при под держке С.Д. Соколова (ГИН РАН) возник замысел учебника «Основы структурной геологии», и в 2002-2003 гг. в соавторстве с А.В. Соловьевым (Институт литосферы РАН) в рамках программы ФЦП «Интеграция» велась подготовка к изданию моногра фии, которая по разным причинам не была завершена.
Автор благодарит проф. МГУ Н.А. Божко, под научным руководством которого он начинал исследовательские работы в Северном Забайкалье в сложные 1990-е годы, своих преподавателей и впоследствии коллег по геологическому факультету Н.В. Короновского, М.Г. Ломизе, М.А. Гончарова, А.Г. Рябухина,[М.И. Волобуева1[В.Н. Вадковс^! |кого|, Т.М. Гептнер, А.И. Гущина, Л.И. Демину, Б.Я. Журавлева, Д.И. Панова, С.Б. Роза нова, А.Н. Стафеева, Н.С. Фролову, коллег по отделу геологии месторождений алмазов ЦНИГРИ Ю.К. Голубева, В.И. Ваганова, А.А. Фельдмана, Н.А. Прусакову.
Отдельная благодарность моим учителям из лаборатории тектонофизики им. В.В. Белоусова геологического факультета МГУ, пробудившим во мне интерес к структурному анализу, - [В.Г. Талицкому| и В.А. Галкину. Автор благодарен за плодо творное сотрудничество А.В. Соловьеву, Ю.А. Морозову, В.А. Зайцеву, А.А. Клочко, Дж. Хоуригану, О.Р. Мининой, и признателен за многолетнюю помощь и поддержку В.Е. Вержбицкому, Ю.П. Гусеву, Ф.В. Каминскому, А.С. Красильникову, В.Л. Косорукову, Г.Л. Митрофанову, Г.П. Патрахину, А.А. Савченко, В.В. Травину.
Искренняя признательность - всем коллегам-полевикам геологического факульте та МГУ, отдела геологии алмазов ЦНИГРИ, Муйской партии ВостСибНИИГГиМСа, Уакитской партии ФГУП «Бурятгеоцентр», Карельского филиала РАН, Института ли тосферы РАН, Геологического института РАН, КМ Diamond Exploration, Barrick Gold, Нижнеамурской горной компании, А/С «Амур», геологического отдела компании «Полюс Геологоразведка».
В книге использованы фотографии и микрофотографии канд. г.-м. наук В.В. Трави на, А.С. Красильникова, С.М. Каткова, научного сотрудника ГИН РАН И.В. Латышевой и микрофотографии из архива н.с. лаборатории тектонофизики Т.М. Гептнер, за разре шение использовать которые хочется выразить отдельную благодарность. При оформ лении титульного листа использована фотография Н.Н. Пасечника. Автор благодарит Е.В. Горчилину, которая принимала участие в окончательной редакции рукописи.
Автор признателен коллегам: д-ру г.-м. наук В.А. Галкину, д-ру г.-м. наук, зав. кафед рой динамической и исторической геологии геологического ф-та СПбГУ А.К. Худолею,
9
канд. г.-м. наук, зав. лабораторией геодинамики и региональной геологии Института геологии алмаза и благородных металлов СО РАН А.В. Прокопьеву, отзывы и пожела ния которых способствовали скорейшему изданию книги.
При подготовке рукописи к печати неоценимую помощь оказала Т.Л. Королек, без многолетней поддержки которой не появилась бы эта книга.
ВВЕДЕНИЕ
Картируйте, и все выяснится...
Ч. Лэпуорт, 1890-е гг.
Структурная геология относится к классическим геологическим дисциплинам и преподается в высших учебных заведениях вместе с геологическим картированием. Умение составить карту, «прочитав» по разрозненным обнажениям отрывочные све дения о составе и залегании пород и соединив их в единое целое, является основным инструментом в руках геолога-съемщика. Знание о механизмах деформации горных пород и главных закономерностях структурообразующих процессов позволяет решать более сложные кинематические и динамические задачи, в дальнейшем используя эти решения в палеотектонических реконструкциях. Детальные структурные исследова ния имеют большое значение для поисковой и разведочной геологии.
Книга представляет собой обобщение, основанное как на собственных наблюде ниях, так и на многочисленных примерах из ранее опубликованных работ, и написана для систематизации сведений о морфологии и генезисе основных деформационных структур горных пород. Наибольшей детальностью изложения отличаются главы, посвященные микродеформациям, практический опыт изучения которых автором во многом и явился главной отправной точкой для всего последующего изложения.
Данная работа рассматривается автором как продолжение и развитие принципов и подходов к изучению деформаций в неоднородной геологической среде, которые развивались в 1980-90-е годы в лаборатории тектонофизики геологического факуль тета МГУ (В.В. Белоусов, М.А. Гончаров, В.Г. Талицкий, В.А. Галкин, Т.М. Гептнер, Н.С. Фролова). Наиболее полно эти представления изложены в защищенных в 1990-е годы докторских диссертациях В.Г. Талицкого («Механизмы деформаций и структурообразования в неоднородной геологической среде», 1992 г.) и В.А. Галкина («Парагенетический анализ неоднородной геологической среды (развитие теории и методов изучения)», 1997 г.), в которых развиваются представления о неоднородном строении геологической среды, ее уровневой организации, особенностях деформационных процессов, принципах парагенетического подхода в структурном анализе.
Методология и основные принципы такого «деформационно-механического» подхода к изучению тектонических структур применялись автором при проведении структурных исследований в Северном Забайкалье и Карелии, на Северном Урале, на Камчатке и в других регионах. Можно только сожалеть, что это не были целенаправ ленные тематические исследования, в рамках которых можно было бы выбрать наибо лее подходящий регион для изучения - как правило, решались конкретные научные или производственные задачи. Остается надеяться, что автору удалось на практичес ких примерах конкретизировать и уточнить некоторые основные положения деформа ционного парагенетического подхода.
Каждая глава книги имеет самостоятельное значение. В первой главе изложе ны основные классические представления о деформациях и напряжениях в сплош ной среде. Данный раздел написан в большей степени как справочный, чтобы дать возможность читателю при необходимости обратиться к некоторым физическим тер
11
минам и понятиям, специально не поясняющимся при последующем изложении. По мнению автора, это дает ответ на вопрос, что изучается в кинематической (деформа ции) и динамической (напряжения) составляющих структурного анализа.
Краткий обзор различных методических приемов, применяющихся в структурном анализе, приведен во второй главе. Здесь поясняется, как или каким образом реконс труируются напряжения и деформации в геологической среде.
Втретьей главе освещается сущность моделей структурированных сред, вводят ся понятия структурных концентраторов, структурных перестроек и уровней стро ения - иными словами, намечается основа подхода к интерпретации структур как результату деформации разноранговых элементов строения неоднородных объемов геологической среды.
Наиболее последовательными и оригинальными в подборе материала можно счи тать четвертую и пятую главы, где достаточно подробно изложены данные о ме ханизмах деформации в горных породах (глава 4) и элементарных деформационных структурах и текстурах (глава 5). Фактически, в этих главах разбираются деформа ционные процессы, ведущая роль в которых принадлежит неоднородностям строения на уровне зерен и кристаллов, включая структурообразование в зонах разрывных на рушений.
Вшестой и седьмой главах рассматриваются деформации слоистых сред в част ном (кинкбанды, будинаж, муллионы) и общем (складки) случаях. На ряде примеров показано взаимодействие деформационных механизмов, контролируемых неоднород ностями уровней зерен и слоев. В восьмой главе кратко охарактеризованы разрывы и системы разрывных нарушений (уровень блоков).
Сущность деформационного подхода к выделению и интерпретации структурных парагенезов намечена в девятой главе, где на ряде примеров показана ведущая роль пространственно-временных рядов структурных парагенезов при палеотектонических реконструкциях.
Ксожалению, почти не затронута тема применения структурного анализа при по исках и разведке полезных ископаемых, о чем автор искренне сожалеет. Но, памятуя об образном выражении Г. Штилле, согласно которому «магматизм - это тектони ка другими словами», можно утверждать, что геология полезных ископаемых - это структурная геология в ее «полезном» вещественном выражении. Поэтому хочется надеяться, что данная книга будет полезна как в учебном и научно-методическом, так
ив практическом плане.