Деформация с участием флюидов

Мы не конкретизируем здесь природу флюида, который может быть водным или магматическим. Присутствие флюида, смачивающего внутри- и межзерновые границы, значительно увеличивает интенсивность поверхностной диффузии. Под действием приложенных напряжений данный кристалл изменяет свою форму в результате диффузии быстрее, чем за счет движения дислокаций.

Пластическая деформация путем дислокационного скольжения здесь если и происходит, то в очень незначительной степени. Флюиды также способствуют трещинообразованию (гл. 3). После краткого ознакомления с механизмами деформаций, связанными с диффузией и трещинообразованием. ниже мы рассмотрим их совместное влияние на деформацию агрегатов.

Растворение под давлением. Пусть в агрегате кристаллов одной фазы, находящихся во флюидной среде под напряжением ơ₁ — ơ₃, каждое зерно контактирует со своими соседями (рис. 4.21). На площадках, перпендикулярных осям напряжений ơ₁ и ơ₃, разная концентрация вакансий создает градиент химического потенциала. На гранях А (рис. 4.21) этот градиент больше, чем на гранях В, и следовательно, на гранях А кристалл растворяется, а диффундирующие во флюидную фазу атомы выделяются на гранях В.

Рис. 4.21. Деформационный механизм растворение кристаллизация. Под действием де- виаторного напряжения ơ₁ — ơ₃ центральное зерно растворяется в точке А, и вещество, перенесенное жидкостью, откладывается в точке В (флюидная зона заштрихована)

Как показано на рис. 4.22, этот механизм включает три стадии: ориентированное растворение, перенос во флюиде и отложение растворенного вещества на различных расстояниях.

Рис. 4.22. Три стадии деформации при действии механизма растворение-кристаллизация [5. с изменениями]

Растворение. Свидетельства о растворении под давлением в кварцитах и известняках получены в тех благоприятных случаях, когда в породах еще видна форма первоначальных зерен или галек (рис. 4.22 и 4.23).

Рис. 4.23. Естественная деформация кварцита путем механизма растворение-кристаллизация. Пунктиром показаны первичные очертания зерен кварца

Растворение также может быть прерывистым, или периодическим (рис. 7.11). Селективное растворение приводит к образованию участков остаточной концентрации нерастворенных минералов, обычно темноцветных, которые выглядят как черные полосы или темные каймы. В анизотропной или первоначально трещиноватой среде растворение активнее протекает вдоль поверхностей, вблизи которых облегчена циркуляция вещества, и, следовательно, оно слабее связано с напряжением ơ₁.

Перенос вещества во флюиде и трещинообразование. Перенос вещества во флюиде протекает либо посредством диффузии атомов в неподвижном флюиде, либо путем транспортировки его движущимся по трещинам флюидом (возможен комбинированный процесс).

Хотя гидравлический разрыв и образование трещин под влиянием флюида не относятся к механизмам непрерывной деформации, их роль также необходимо рассмотреть. Некоторые микроструктуры, приписываемые трещинообразованию под влиянием флюидов (рис. 4.24), приводят к проникающей макроскопической деформации. Кроме того, исследования микротрещин указывают на то, что раскрытие трещин при отложении материала из раствора контролируется скоростью химических реакций, предполагающих медленную и непрерывную деформацию.

Рис. 4.24. Развитие и деформация кливажа при залечивании трещин в среде, обогащенной насыщенными флюидами. Рост минеральных зерен под большими углами к стенкам микротрещин способствует появлению кливажа (S)

В гл. 3 показано, что парциальное давление флюида в пористой среде уменьшает всестороннее давление и приводит к вспарыванию породы. Таким образом, благодаря локальному избыточному давлению, возникающему, например, в результате реакций дегидратации, трещины растяжения могут распространяться в соседнюю непористую область (гидравлический разрыв в узком смысле). В напряженных пористых породах пересыщенный флюид осаждает растворенный материал в трещинах, которые раскрылись с его помощью. Отложение материала деформирует породу.

Подобный механизм способствует либо раскрытию больших удаленных друг от друга разрывов (рис. 5.9), либо прогрессивному развитию многочисленных небольших параллельных трещин между зернами. После раскрытия эти микротрещины имеют тенденцию запечатываться благодаря росту минеральных зерен поперек них, причем активность роста пропорциональна пересыщенности растворов. С заполнением трещин минералами давление флюида снова возрастает, пока не образуются новые микротрещины. Этот периодический процесс раскрытия и запечатывания трещин длится до тех пор, пока не исчерпается весь флюид. В итоге накапливается макроскопическая деформация и возникает кливаж, связанный с ориентированным ростом новых минералов в трещинах (рис. 4.24).

Кристаллизация. Выделившиеся при растворении минералов элементы могут осаждаться в виде тех же самых или каких-либо других элементов. В первом случае кристаллизация растворенного минерала может происходить на том же кристалле в той же кристаллографической ориентировке (рис. 4.21 и 4.22), на другом кристалле той же фазы в другой кристаллографической ориентировке или на зернах другой фазы. Часто кристаллизуются волокнистые агрегаты с вытянутостью волокон вдоль оси напряжения ơ₃, образуя защищенные зоны или тени давления (рис. 4.22, 8.3-8.5). Наконец, кристаллизация, связанная с гидравлическим разрывообразованием, возможна вдоль раскрывающейся трещины на различных расстояниях от источника растворенного вещества (рис. 4.22).

Пассивное вращение. В породе обычно содержатся как растворимые в данном флюиде минералы, так и нерастворимые. Последние, если их зерна имеют средний размер, в присутствии интерстициального флюида, не участвуя в процессе растворения - кристаллизации, могут испытывать пассивное вращение (рис. 4.25).

Рис. 4.25. Развитие кливажа при пассивном вращении пластинчатых минералов. Это вращение вызвано процессом растворения - кристаллизации

Оно усиливается в областях деформаций с уменьшением объема, как в случае уплотнения или там, где растворенный материал не кристаллизуется in situ. Например, растворение в пелитах и мергелях преимущественно захватывает кварц и кальцит, в то время как слюдистые минералы пассивно переориентируются. Такое пассивное вращение не дает, однако, адекватного объяснения очень регулярного кливажа в аспидном сланце и филлитах. Слюды также кристаллизуются или рекристаллизуются непосредственно в плоскости кливажа, причем их сильная анизотропия способствует преобладающей ориентировке.

Скольжение по границам зерен и разжижение. Тонкозернистый агрегат, погруженный во флюид, под давлением также деформируется благодаря скольжению вдоль границ зерен, сопровождающемуся поверхностной диффузией (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Деформации при скольжении зерен из состояния а в состояние в с сопутствующей диффузией во флюидной среде, если вещество пористое, но плотное, или без диффузии в разуплотненном веществе (Borradaile, 1981, Tectonophysics, 72, 305)

Природа среды, в которой происходит диффузия (межзерновая жидкость, а не твердое вещество), делает этот механизм отличным от сверхпластической деформации, свойственной твердой среде (разд. 4.2.3). Крайний случай межзернового скольжения-деформация в результате разжижения (разд. 3.2.5).

Рекомендуемая литература:
1. Dwrney D. W. Pressure-solution and crystallization deformation. Phil. Trans. R. Soc. Lond. 283, p. 229-240., 1976.
2. Nicolas A., Poirier J.P. Crystalline plasticity and solid state flow in melamorphic rocks. Wiley Interscience, London, 444 p., 1976.
3. Poirier J. P. Plasticite a haute temperature des solides cristallins. Eyrolles ed., Paris, 320 p., 1976.
4. Poirier J. P. Creep of crystals. Cambridge University Press, Cambridge, 260 p„ 1985. [Имеется перевод: Пуарье Ж. ff., Ползучесть кристаллов.-М.: Мир, 1988.]
4. Ramsay J. G. The crack-seal mechanism of rock deformation. Nature, 284, p. 135-139, 1980.