Деформация горных пород: механизмы, типы складок и разломов в структурной геологии

Деформация горных пород количественно описывается с помощью трёх основных компонентов: деформации (в узком смысле), вращения и перемещения. Деформация характеризует изменения как формы, так и объёма, которые претерпевает горная порода под воздействием внешних сил. Вращение измеряет изменение ориентации системы отсчёта внутри породы, тогда как перемещение фиксирует расстояние, на которое эта система сместилась между начальным и конечным состояниями. В совокупности эти три компонента обеспечивают полное кинематическое описание реакции горных пород на тектонические напряжения.

Движение литосферных плит порождает огромные силы, деформирующие горные породы и создающие крупные геологические структуры, такие как горные пояса и региональные системы разломов (например, разлом Сан-Андреас). Понятия напряжения и деформации необходимы для понимания реакции пород на эти воздействия. Напряжение определяется как усилие на единицу площади и является тензорной величиной, характеризующейся тремя главными направлениями: максимальным, промежуточным и минимальным главными напряжениями. Деформация представляет собой результирующее изменение формы и размеров объекта, возникающее как прямое следствие приложенного напряжения.

Разлом Сан-Андреас пересекает равнину Карризо в Калифорнии (Бернхард Эдмайер/Photo Researchers, Inc.)

Основные типы деформации. Твёрдые тела, включая горные породы, деформируются посредством трёх основных механизмов. Первый — упругая деформация, которая полностью обратима: примерами служат растягивающаяся резиновая лента или породы вблизи разлома, упруго изгибающиеся перед внезапным возвращением в исходное состояние во время землетрясения. Большинство горных пород способны выдерживать лишь ограниченные упругие напряжения, после чего переходят к постоянной, необратимой деформации. Упругое поведение подчиняется закону Гука, согласно которому для упругих материалов напряжение и деформация связаны линейной пропорциональностью. В упругой области твёрдое тело полностью восстанавливает свои первоначальные размеры после снятия нагрузки.

Остаточная (необратимая) деформация возникает в результате двух различных процессов: хрупкого разрушения (образование трещин и измельчение) и пластической деформации (внутреннее течение материала). Трещины формируются, когда напряжение в породе превышает предел упругости, что приводит к необратимым изменениям путём разрушения. Пластическая деформация также даёт необратимые изменения, но порода меняет форму за счёт внутреннего течения (аналогично выдавливанию зубной пасты из тюбика) без макроскопического разрыва.

При воздействии сжимающих усилий горные породы сначала испытывают упругую деформацию. Когда напряжение превышает предел текучести, начинается пластическое течение, и при продолжающемся нагружении порода может в конечном итоге разрушиться. Характер деформации — хрупкий или пластичный — зависит от нескольких факторов: температуры, всестороннего (ограничивающего) давления, времени, скорости деформации и состава породы. Повышенные температуры ослабляют породу и снижают её хрупкость, способствуя пластическим механизмам. Высокие ограничивающие давления повышают прочность породы, одновременно подавляя хрупкость и препятствуя трещинообразованию.

Время оказывает решающее влияние на механизмы деформации: высокая скорость деформации способствует хрупкому поведению, тогда как медленная деформация — пластичности. Скорость деформации (величина деформации за единицу времени) аналогичным образом определяет характер деформации: низкие скорости благоприятствуют пластичности, высокие — хрупкому разрушению. Состав породы также играет ключевую роль: некоторые минералы, например кварц, обладают высокой прочностью, в то время как другие, например кальцит, относительно слабы. При одинаковых давлении и температуре прочные минералы могут деформироваться хрупко, а слабые — пластично. Кроме того, присутствие воды существенно снижает прочность практически всех минералов и пород, поэтому даже небольшое количество воды может заметно повлиять на механизмы деформации.

Изгибы горных пород: складчатые структуры. Изгиб или деформация слоёв горных пород называется складчатостью. Моноклинали — это складки с горизонтальными крыльями с обеих сторон, часто формирующиеся над глубинными разломами. Антиклинали — это выпуклые вверх складки, в ядре которых залегают наиболее древние породы, тогда как синклинали — это вогнутые вниз складки, у которых древнейшие породы расположены на внешних краях. Существует множество геометрических разновидностей складок, но большинство из них представляют собой вариации этих фундаментальных типов.

Замок складки — это область максимальной кривизны, а крылья — относительно плоские участки между соседними замками. Складки классифицируются по углу между крыльями (межкрыльевому углу): пологие — от 180° до 120°, открытые — от 120° до 70°, сжатые — от 70° до 30°, плотные — менее 30°, а изоклинальные имеют угол, приближающийся к 0°. Складки могут быть симметричными (крылья примерно одинаковой длины) или асимметричными (одно крыло короче другого). Геометрия складки также описывается ориентацией осевой поверхности (воображаемой плоскости, делящей складку на две симметричные половины) и ориентацией шарнира складки. Вертикальные, слабо наклонные складки имеют вертикальные осевые поверхности с субгоризонтальными шарнирами, тогда как лежачие складки обладают горизонтальными шарнирами и почти горизонтальными осевыми поверхностями.

Складчатые слои горных пород в Австрийских Альпах (Бернхард Эдмайер/Photo Researchers, Inc.)

Разрушение горных пород: трещины (стыки) и разломы. Хрупкая деформация приводит к разрушению породы вдоль трещин. Стыки (джойнты) — это трещины, по которым не происходит заметного перемещения. Они могут формироваться тектонически (в ответ на региональные поля напряжений) или в результате других процессов, таких как охлаждение в магматических телах. Столбчатая отдельность, часто наблюдаемая в магматических породах, образует шестигранные колонны по мере того, как магма остывает, сжимается и систематически растрескивается.

Трещины, вдоль которых фиксируется измеримое относительное смещение, называются разломами. Большинство разломов представляют собой наклонные поверхности: блок над плоскостью разлома называется висячим боком, а блок под ней — лежачим боком (термины заимствованы из горного дела). Разломы классифицируются по углу наклона и направлению относительного перемещения. Сбросы (нормальные разломы) возникают, когда висячий бок перемещается вниз относительно лежачего, что типично для условий растяжения. Взбросы (обратные разломы) связаны с перемещением висячего бока вверх под действием сжимающих напряжений. Надвиги — это особая категория взбросов с углом падения менее 45°. Сдвиги представляют собой крутые вертикальные структуры со смещением, преимущественно горизонтальным; направление движения описывается как правосдвиговое или левосдвиговое (определяется по перемещению противоположного блока относительно неподвижного).

Региональная деформация горных пород. Деформация горных пород проявляется в огромном диапазоне масштабов — от искажений атомной решётки до масштабов континентов и целых тектонических плит. Деформация на континентальном и плитном уровнях создаёт характерные региональные структурные элементы. Кратоны — это крупные стабильные блоки древней земной коры, остававшиеся тектонически неподвижными в течение длительного времени (как правило, с архейской эры, более 2,5 млрд лет назад). Они образуют древние ядра континентов и характеризуются толстыми континентальными корнями из холодных мантийных пород, отсутствием значительной сейсмической активности и низким поверхностным тепловым потоком.

Орогены (орогенные пояса) — это вытянутые области, представляющие собой разрушенные древние горные хребты, которые обычно окружают более древние кратоны. В этих поясах много складок и разломов, и наблюдается укорочение земной коры с повторяемостью пород в пределах 20–80%. Молодые орогены (например, Скалистые горы) сохраняют высокий топографический рельеф, тогда как более старые хребты (например, Аппалачи) подверглись эрозии и находятся на более низких высотах.

Континентальные щиты — это регионы, где древние кратоны и орогены выходят на поверхность, тогда как континентальные платформы сложены более молодыми, обычно горизонтально залегающими осадочными породами, перекрывающими более древний фундамент щита. Многие орогены содержат участки коры, приращённые к краям континентального щита в результате процессов горообразования, связанных с тектоникой плит. Горные пояса в широком смысле подразделяются на три типа: складчато-надвиговые пояса, вулканические горные цепи и разломно-блоковые хребты.

Складчато-надвиговые пояса. Складчато-надвиговые горные цепи представляют собой сжимательные структуры, образовавшиеся во время столкновений тектонических плит, которые порождают крупномасштабные надвиги и деформируют метаморфические и вулканические породы путём складчатости. Детальное структурное картирование позволяет геологам реконструировать историю деформаций и, по сути, «обратить» последовательность событий, чтобы понять эволюцию горных поясов. Такие реконструкции показывают, что многие породы в пределах этих поясов изначально накапливались в океанических условиях — в глубоководных впадинах, на континентальных склонах, шельфах и поднятиях. Во время столкновения плит эти отложения соскабливаются и деформируются, образуя горные пояса, которые, следовательно, маркируют места закрытия древних океанов.

Аппалачи на востоке Северной Америки — классический пример складчато-надвигового пояса, характеризующегося региональной поверхностью отрыва (декольмана), обширными складками и надвигами. Осадочные породы в пределах этого пояса напоминают те, что ныне накапливаются у современных континентальных окраин, что подтверждает гипотезу о том, что Аппалачи возникли на месте закрывшегося древнего океанического бассейна.

Вулканические горные цепи. Вулканические горные цепи сложены утолщёнными участками земной коры, образовавшимися в результате аккумуляции мощных вулканических толщ, как правило, над зонами субдукции. Примечательные примеры — Алеутские острова (Аляска), регион Фосса-Магна в Японии (включая гору Фудзи) и Каскадные горы на западе США (включая гору Сент-Хеленс). Эти пояса формируются главным образом за счёт вулканических процессов, связанных с субдукцией, а не сжатием, хотя многие из них содержат складки и разломы, демонстрируя переходные черты между складчато-надвиговыми поясами и вулканическими хребтами.

Горные массивы, образованные разломами. Горные массивы, образованные разломами (блоковые горы), обычно возникают в результате растягивающих процессов, которые растягивают и утоньшают континентальную кору. Главные примеры — провинция Бассейнов и Хребтов на западе США и части Восточно-Африканской рифтовой системы (включая регион Афар в Эфиопии). Эти пояса развиваются по мере того, как континентальная кора расширяется и распадается на блоки, образуя впадины, ограниченные наклонными разломами и горстами. Такие области растяжения связаны со значительным утоньшением коры и могут демонстрировать как активный вулканизм, так и продолжающуюся деформацию.

Источники : Хэтчер, Роберт Д. Структурная геология: принципы, концепции и проблемы. 2-е изд. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис Холл, 1995.
ван дер Плюйм, Бен А. и Стивен Маршак. Строение Земли: Введение в структурную геологию и тектонику. Бостон: WCB-McGraw Hill, 1997.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.