Разрывная деформация: структуры и их интерпретация

Прерывистой (разрывной) и непрерывной деформации соответствует хрупкое и пластическое поведение материалов (разд. 2.1.1, 2.2.2 и рис. 2.2). В естественной обстановке прерывистая деформация проявляется в виде трещин и разломов, различие между которыми связано с характером смещения. Вначале мы рассмотрим разрывные структуры, образующиеся в процессах без смещений или лишь с очень малыми смещениями параллельно поверхности: трещины отдельности, трещины растяжения, стилолитовые трещины (их образование связано не с хрупкой деформацией, а с предшествующими структурами).

Затем мы перейдем к описанию разломов, т. е. структур с большими смещениями по плоскости разлома. Рассматриваются также и связи между этими разными по природе структурами и соответствующими напряженными состояниями.

Разломы, пластические разломы и зоны сдвига (скалывания) (разд. 8.3) образуют некоторый континуум. Поведение среды в зависимости от ее компетентности может быть чисто пластическим (purely ductile) пластично-катакластическим (ductile-cataclastic) (разд. 4.2.1) или пластическим в строгом смысле (ductile-plastic sensu-stricto). В поверхностных зонах коры доминирует деформация с разломообразованием, переходящая на глубине в непрерывную деформацию (рис. 5.16). Пониманию этого перехода помогают исследования реологии и деформации в хрупкопластической области (разд. 2.2.2). Эта глава в том, что касается зон сдвига, связана с гл. 8.

Наконец, в гл. 3 мы отмечали большое прикладное значение исследований прерывистой деформации. Здесь мы кратко опишем, как трещины растяжения образуют минеральные жилы и объясняют циркуляцию магмы по каналам, питающим вулканы. Возникает также вопрос о связи между образованием разломов и сейсмической активностью. Эту проблему изучает новая отрасль тектоники – сейсмотектоника.

Трещины отдельности. Трещины отдельности образуются плоскостями разделения в породах, которые не смещаются из начального положения и не заполняются каким-либо материалом (сухие трещины). Те трещины, которые в основном параллельны и перпендикулярны плоскости слоистости, образуют сетку, разделяющую породы на большие призмы (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Образование трещин отдельности в слое известняка под небольшим покровом: а - сетка трещин в недеформированном известняке; б - образование трещин параллельно оси складки: на внешней поверхности слоя трещины растяжения (жирные линии), внутри слоя-стилолитовые трещины, диагональные трещины локально развиваются вдоль поверхности скольжения (разлома); в - развитие ранее существовавших структур: на внутренней поверхности свода концентрируются стилолитовые трещины, в остальных местах- трещины отдельности и трещины растяжения (Droxler, Schaer, 1979, Есіоц. Geol. Helv., 72, 551)

Сетки трещин возникают в таких компетентных породах, как известняки, песчаники и эруптивные породы. С трещинообразованием может быть связан и кливаж трещиноватости (разд. 6.2.3). Причины образования этих трещин могут быть разными. Призматическая отдельность с плоскими или изогнутыми поверхностями, наблюдающаяся в вулканических породах, приписывается уменьшению объема пород при охлаждении. Сетки трещин, как и кливаж трещиноватости, особенно хорошо развиты в зонах разломо- и складкообразования, что свидетельствует о связи эволюции этих структур с действующими напряжениями (хрупкая релаксация упругой деформации) (рис. 5.1).

Наконец, в массивных и компетентных породах, таких, как граниты, вблизи поверхности и параллельно ей образуется система трещин, называемых трещинами отслаивания. Их происхождение связывают с релаксацией давления или среднего напряжения (рис. 5.2). При прогрессирующем обнажении гранитов в процессе эрозии вертикальная компонента напряжения уменьшается до атмосферного давления (0,1 МПа), в результате чего упругая деформация гранита, отвечая на релаксацию вертикального напряжения, вызывает отслаивание.

Рис. 5.2. Отслаивание в обнажении гранодиорита. Трещиноватость усиливается в направлении к поверхности и не зависит от крутопадающей магматической расслоенности

Как показано на рис. 5.1, некоторые из рано появившихся в породах трещин могут быть местом растворения минералов, развития трещин растяжения и разломообразования.

Трещины растяжении. Трещины растяжения, дайки и жилы отличаются от обычных трещин тем, что они заполнены материалом, что свидетельствует о дилатации (рис. 5.1, 6.7, 8.23 и 8.24). Анализ волокнистого строения минеральных агрегатов, выполняющих трещины, и гребенчатых структур магматических жил говорит о том, что смещение обычно перпендикулярно простиранию трещины. Иногда наблюдается и сдвиговая компонента смещения, параллельная плоскости трещины (косые трещины растяжения, рис. 8.10). Эта компонента становится основной при разломообразовании, хотя и в этом случае не исключается локальное растяжение.

В естественной обстановке трещины растяжения образуют систему трещин и линзовидных параллельных жил, часто выстраивающихся кулисообразно (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Кулисообразные трещины растяжения разного масштаба, а и б - левосторонние разломы (Pollard et al., 1982. Geol. Soc. Amer. Bull., 93, 1291): а - кварцевые жилы; б - дайки минетты; в - правосторонний разлом на карте Восточно-Тихоокеанского поднятия, сплошная линия-зона вулканических излияний, остальная площадь - подводная равнина (Lonsdale, 1984, Geol. Soc. Amer. Bull., 96, 313)

Кулисообразные жилы образуются также между двумя параллельными разломами или зонами сдвига, создающими некоторый коридор. Угол между разломами или отдельными трещинами зоны близок к 45°, что соответствует анализу, проведенному в разд. 5.5.6. Линзы в такой системе разрывов, как правило, укорочены и расширены (рис. 5.4). Разломы и жилы в сопряженной системе распределены по двум направлениям, симметрично к главным осям деформации (рис. 5.5).

Рис. 5.4. Кулисообразные кварцевые линзы в кварците. Пунктиром показаны границы сдвиговых полос (Roering, 1968, Tectonophysics, 5, 107)

Рис. 5.5. Сопряженные системы кулисообразно расположенных линз

Если хрупкое трещинообразование сопровождается некоторой пластичностью, то в деформации кулисообразных трещин отражается история деформации. Возникающая при этом картина зависит от путей раскрытия трещин и точного положения пластического сдвига (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Вращение линз растяжения при пластическом сдвиге, локализованном на краях (а) или в центральной части (б) слоя (Roering, 1968, Tectonophysics, 5, 107)

Трещины растяжения могут либо оканчиваться трещинами другого типа, либо вырождаться в пучок волосяных трещин (рис. 5.7). Они часто ассоциируются с разломами и зонами сдвига. Затухание относительного смещения по отдельным разломам и зонам сдвига на концах дислоцированной области может происходить по-разному: путем перехода в проникающую пластическую деформацию (рис. 8.15), расщепления на меньшие зоны сдвига (рис. 8.16), возникновения фигур растворения под давлением на стороне, подвергающейся сжатию и образованиям трещин растяжения на растягиваемой стороне.

Рис. 5.7. Окончания трещин растяжения: а - симметричное, б - несимметричное (Beach, 1980, Jour. Struct. Geol., 2, 425)

Так, отдельная широкая трещина растяжения, изображенная на рис. 5.8, а, ассоциируется со стилолитовыми трещинами на сжимающемся окончании. По подобным разломам, очевидно, происходит медленное смещение, причем скорость деформации контролируется растворением под давлением. В отличие от этого в трещинах растяжения могут возникать структуры конского хвоста, состоящие из тонких, длинных и часто сухих трещин (рис. 5.8, в и г), способствующих соединению отдельных разломов (рис. 5.8, в). Разломы как по простиранию (по направлению движения), так и по ширине могут ограничиваться трещинами растяжения, охватывающими всю нарушенную область (рис. 5.8, 6).

Рис. 5.8. Связь между трещинами растяжения и разломами (сдвигами). а - окончание небольшого разлома в известняке с образованием стилолитовых трещин в области сжатия и заполненных кальцитом трещин растяжения (зачернены). Ориентировка трещин относительно предполагаемых максимальных напряжений варьирует в зависимости от распределения локальных напряжений (рис. 5.22) (Rispoli, 1981, Thesis Montpellier), б - окончание разлома в виде кулисообразных трещин растяжения, отдельно показан переход между поверхностями сдвига и растяжения. в и г - соответственно небольшие и крупные трещинные структуры типа конского хвоста в граните. Обратите внимание на соединение разломов (в) и наличие бассейна Але на участке растяжения разлома Виллефорт что может быть связано с динамикой этой системы (Granier, 1985, Tectonics, 4, 721)

Из анализа динамики трещин растяжения следует, что они образуются в плоскости, проходящей через главные оси напряжений ơ₁, ơ₂ (разд. 3.2 и рис. 3.3). Если изучение волокнистых минералов (разд. 8.2.3) позволяет выявить компоненту сдвига, сопровождающего раскрытие трещин, то из диаграммы Мора (разд. 2.3.2, 3.2.2) можно определить угол наклона а плоскости разрыва к плоскости главных осей ơ₁ и ơ₂ (рис. 2.15).

При а < 45° — ȹ/2 (рис. 3.4 и 3.5) нормальное растягивающее напряжение может влиять на положение плоскости разрыва, так как центр круга Мора может иметь отрицательную абсциссу. Если а > 45 — ȹ/2, то нормальное напряжение становится сжимающим. Угол а зависит от значения ȹ, свойственного данному материалу (для долерита ȹ ~ 22), и определяет переход от образования трещин растяжения к образованию трещин скалывания, когда доминируют сжимающие и тангенциальные движения.

Другой вывод из экспериментальных исследований состоит в том, что в отсутствие флюида, создающего парциальное давление, трещины растяжения образуются только вблизи поверхности ( на рис. 3.4). Наличие же флюида может быть причиной разрушения на любой глубине (разд. 3.2.4). Таким образом, мы имеем основания заключить, что трещины растяжения, исключая самые близкие к поверхности, зарождаются только благодаря гидравлическому разрыву или с его участием. Этот вывод подтверждается синкинематическим (синхронным с процессом смещения) и первичным характером минерального выполнения данных трещин (разд. 8.2.3). Следовательно, в металлогении гидравлическое разрывообразование контролирует отложение минералов в жилах, которое с точки зрения структурной геологии является заполнением трещин растяжения.