Лекция 11. Модели формирования разрывов (Лекции по структурной геологии (Тевелев А. В.))

Структурная геология игеологическое картированиеЛекция № 11«Модели формированияразрывов»Предварительные замечанияСуществует три основных модели формирования разрывныхнарушений:модель Кулона-Андерсона – формирование системразрывов в механической обстановке чистого сдвига (блокиперемещаются параллельно самим себе, без ротации, под действиемнормальных напряжений!)модель Риделя – формирование систем разрывов вмеханической обстановке простого сдвига (блоки перемещаются,испытывая ротацию, под действием тангенциальных напряжений!)модель Вильсона – формирование трансформных и другихразломов, согласующих движения в зонах разрастания и поглощенияРазрывы в экспериментеПри раздавливании образцов и преодолении предела прочности в первуюочередь образуются трещины скалывания, косые по отношению кприложенным силам, их формирование наиболее выгодно энергетически,поскольку модуль сдвига для твердых тел в 2-3 раза меньше модуля Юнга!σ3σ3σ1σ1σ3σ1Э.У.

Спенсер "Введение вструктурную геологию"σ1σ3Для формированияразрыва со смещениемнадо преодолеть не толькосилу сцепления междузернами, но и силу трениямежду возникшимиблоками. Образецукорачивается понаправлению сжатия (σ3) иудлиняется по направлениюрастяжения (σ1)Модель Кулона – Андерсонаσ311345°+φ/2σ1≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈2σ3σ1Механизм чистого сдвига был первоначальнопредложен Андерсоном (Anderson, 1905) дляобъяснения ориентировки разломов втрехосном поле напряжений в однороднойсреде.

Для разрывов сдвиговой кинематикиэтот механизм предполагает, чтосопряженная система комплементарныхлевых и правых сколов будетформироваться симметричноотносительно направления сокращения подуглом (90-φ)°, где φ – угол внутреннего тренияДвухмерная (плоская)модель сдвигов Андерсона1 – сопряженные трещины скалывания образуют острый угол,биссектриса которого совпадает с направлением минимального главногонормального напряжения – σ3 (сжатия);2 – трещины растяжения образуются ортогонально кмаксимальному главному нормальному напряжению – σ1 (растяжению);3 – участки сжатия образуются ортогонально к минимальномуглавному нормальному напряжению – σ3 (сжатию)Трёхмерная (объёмная)модель сдвиговАндерсонаσ3σ1σ1σ2Таким образом, в моделиАндерсона сдвиги и отрывывсегда строго ориентированыотносительно главныхнормальных напряжений и неменяют своей ориентировкипри развитии дислокаций2 – отрывы (трещинырастяжения) образуютсяортогонально к направлениюрастяжения – максимальномуглавному нормальномунапряжению (σ1) и лежат в главнойплоскости напряжений σ2 – σ31 – сопряженные левые и правые сдвиги (трещины скалывания) образуют:а) острый угол, биссектриса которого совпадает с направлением сжатия –минимального главного нормального напряжения (σ3) и лежит в главной плоскостинапряжений σ2 – σ3,б) тупой угол, биссектриса которого совпадает с направлением растяжения –максимального главного нормального напряжения (σ1) и лежит в главной плоскостинапряжений σ2 – σ1;в) линии пересечения сколов совпадают направлением среднего главногонормального напряжения (σ2)Блоки, ограниченные сколами, перемещаютсяпараллельно самим себе.

В целом происходитудлинение деформируемого объема внаправлении максимального напряжения (σ1)и укорочение в направленииминимального напряжения (σ3)Сопряженные разломы могут компенсироватьнеротационную компоненту деформации до техпор, пока они действуют одновременно,иначе возникает проблема пространства,которая может быть решена только ротацией иизменением направления скольженияна каждом из сопряженных сдвигов.Трещины растяжения или сбросы будутформироваться перпендикулярно к оси удлинения,а складки и надвиги– перпендикулярно к осисокращения.Реконструкция полей напряжения в механическихусловиях чистого сдвигаПравыйсдвигЛевыйсдвиг1При разрушении породыформирование сколов(в данном случае –сдвигов) наиболее выгодноэнергетически!Реальное положение конкретных трещин в пространствеможет отличаться от теоретического (иногда весьмасущественно) в силу неоднородности деформируемойпороды.

Поэтому для них обычно определяютсреднестатистическое значениеРеконструкция полей напряжения вмеханических условиях чистого сдвига2Кроме сколов в условиях чистогосдвига перпендикулярнорастяжению формируютсятрещины отрыва, которыезаполняются гидротермальнымиминералами (кварц, кальцит и пр.)Реальное положение конкретных трещин в пространствеможет отличаться от теоретического (иногда весьмасущественно) в силу неоднородности деформируемойпороды. Поэтому для них обычно определяютсреднестатистическое значениеРеконструкция полей напряжения вмеханических условиях чистого сдвига3Кроме сколов и отрывов вусловиях чистого сдвигаперпендикулярно сжатиюформируются надвиги искладкиА.

Левый сдвигСЗ простиранияБАСЮСдвиги Андерсона длительноевремя рассматривались какединственный возможный типсдвиговых разрывов именнопотому, что они просты дляпонимания и во многих случаяххорошо объясняют крупно- исреднемасштабные перемещенияв различных регионах.Смещение кварцевых жилпо сдвигам Андерсона.Южный УралБ. Правый сдвиг СВпростиранияNB! "Сдвиги" (сколы) Андерсона отвечают морфологическому типуразрывов "сдвиги" только при горизонтальной ориентировкеглавных и минимального, и максимального напряжений! Привертикальной ориентировке σ1 эти сколы будут "взбросами", а привертикальной ориентировке σ3 – "сбросами"σ1РазрезРазрезσ3σ3σ3σ1σ1σ1σ3Механизмы сдвигания при чистом сдвигеРазрывы на геологических картах имеютконечные размеры.

Это не только и даже нестолько результат рисовки карты – разрывыдействительно имеют конечную длину, т.е. наконцах этих разрывов никакого смещениянет, а в середине – есть!Фрагмент Государственнойгеологической карты Южного УралаМеханизм сдвигания поАндерсону – Риду (Reid, 1910)Сдвиги Андерсона являются сколами. Согласномеханизму, разработанному самим Андерсоном,они имеют конечную длину, а поэтому вдольвсей трассы андерсоновского сдвига в егокрыльях формируются пары структур:растяжения и сжатия.СжатиесРаспределение амплитуд смещений и условныхвеличин деформаций вдоль зоны андерсоновскогосдвига (по Арк.В. Тевелеву, 2005)Амплитуды смещений0Локальные деформациирастяжениесжатиеРастяжениесжатиерастяжениеАмплитуда такого сдвига максимальнав его середине, и равна нулю на концах.Но локальные деформации в крыльяхидеального андерсоновского сдвигараспределены неравномерно – участок сдеформациями сжатия примерно в 2 разакороче участка с деформациямирастяжения.

Максимальные смещениярасположены именно там, где деформациирастяжения в крыле сдвига сменяютсядеформациями сжатия.В природе такая простая картина наблюдается редко, поскольку реальнаясреда неоднородна, а ее механическое поведение в значительнойстепени зависит от внутренней структуры (В.Г. Талицкий, 1991).Таким образом, андерсоновский сдвиг является активнойструктурой, контролирующей развитие вторичных (пассивных)по отношению к нему структур сжатия и растяжения.012345Следствием сдвигообразования можетбыть не только произвольноераспределение структур сжатия ирастяжения в крыльях разлома, но иизменение его длины.Распределение деформаций в крыльях сдвигаАндерсона в разных условиях деформирования(по Буртману, Лукьянову и др., 1963).0 – исходное состояние;1 – простой случай: деформируется толькоодно крыло, длина разлома постоянна;2 – простой случай (близок к идеальному):деформируются оба крыла (у конца разломав одном крыле происходит сжатие, а впротивоположном – растяжение ), длинаразлома постоянна;3 – весь разлом находится в зоне растяжения,деформируются оба крыла, длина разломаувеличивается;4 – весь разлом находится в зоне сжатия,деформируются оба крыла, длина разломауменьшается;5 – комбинированный случай.YRPε1τε3T45°≈≈ ≈≈≈ ≈ф — уголвнутреннеготренияR'Модель Риделяτε1≈≈≈ ≈ ≈90°– φ/2ε3φ/2φ/2Механизм простого сдвига былпервоначально предложен В.

Риделем(Riedel, 1929) для объяснения ориентировкиразломов в однородной среде припреобладании тангенциальных(касательных) напряжений.В таких условиях возникают сериисинтетических (совпадающих понаправлению смещения с главным сдвигом)и антитетических (с противоположнымсмещением) сдвигов (трещин скалывания).Y – разломы, параллельные направлению максимальных тангенциальныхнапряжений (Y-сколы, или генеральные сдвиги). В данном случае – правые!R – R-сколы, или сколы Риделя (синтетические сдвиги под ∠+ф/2 к направлениюгенерального сдвига). В данном случае – тоже правые!Р – Р-сколы, или вторичные сколы Риделя (синтетические сдвиги под ∠-ф/2 кнаправлению генерального сдвига).

В данном случае – тоже правые!R’ – сопряженные риделевские сколы (антитетические сдвиги ).В данном случае – левые!Т – трещины отрыва (развиваются под ∠ ≈ 45° к основной зоне смещенияобразуются ортогонально к максимальному главному нормальному напряжениюВ лабораторных экспериментахобычно моделируется жесткийфундамент, включающий разлом(например из двух жестких досок),перекрытый покровом осадочныхпород (обычно это слой глины).Первыми структурами вперекрывающей глинеоказываются эшелонированныесколы Риделя, причем их кулисноерасположение прямо зависит отнаправления сдвигания вподстилающих досках – ониобразуют левокулисноеперекрытие при правом сдвигеи правокулисный рядпри левом сдвиге.В.Г. Талицкий, 1991 (цитируетсяпо Арк.В.