Трещины в горных породах: классификация, механизмы хрупкой деформации и гидрогеологическое значение зон разломов

Трещина представляет собой общий термин, обозначающий разрыв в скальной породе или ином массиве, который может иметь заметное смещение, а может и не иметь его. Трещины включают стыки (joints) , разломы (faults) и фрактуры, формирующиеся в условиях хрупкой деформации, и являются типом постоянной (неупругой) деформации. Процессы хрупкой деформации обычно включают рост трещин или скольжение вдоль уже существующих трещин. Фрикционное скольжение происходит на поверхностях существующих трещин, тогда как катакластическое течение включает разрушение в масштабе зерен и фрикционное скольжение, создающее макроскопическое пластичное течение по полосе конечной ширины. Растрескивание при растяжении предполагает распространение трещины в ненарушенный материал под действием растягивающего напряжения, перпендикулярного максимальному напряжению сжатия, в то время как разрыв при сдвиге относится к возникновению трещины под углом к максимальному главному напряжению.

Трещины могут распространяться в одном из трех основных режимов. Режим I относится к росту трещины путем постепенного раскрытия, перпендикулярного плоскости трещины на ее вершине. Режим II имеет место, когда трещина растет путем поперечного сдвига, параллельного плоскости трещины на вершине, в направлении распространения. Режим III (третий режим) характеризуется ростом трещины за счет продольного сдвига (срыва), параллельного плоскости трещины на вершине, но перпендикулярного направлению распространения.

Стыки (joints) представляют собой переломы без заметного смещения параллельно поверхности излома. Как правило, они образуются в виде субпараллельных соединений, причем несколько стыков часто формируются вместе в виде согласованного геометрического рисунка, образующего систему соединений. Стыки иногда подразделяют на удлинительные или сопряженные группы поперечных швов на основании угловых соотношений между ними. Большинство стыков являются непрерывными только на коротких расстояниях, но во многих регионах основные стыки могут прослеживаться на большие расстояния, контролируя геоморфологию или формируя воздушные фотолинеаменты. Микротрещины или микростыки видны только под микроскопом и затрагивают лишь отдельные зерна.

Многие стыки находятся в отдельных слоях и имеют характерное расстояние между стыками, измеряемое перпендикулярно к ним. Расстояние между слоями определяется относительной прочностью отдельных пластов или типов горных пород, толщиной соединяемого слоя и структурным положением, что очень важно для определения пористости и проницаемости блока. Во многих регионах разломы контролируют сток подземных вод, расположение водоносных горизонтов, а также миграцию и хранение нефти и газа.

Стыки и трещины, встречающиеся в самых разных средах, образуются в результате различных механизмов. Сжатие материалов приводит к образованию трещин при высыхании и столбчатых стыков. Изменения минерального состава в процессе диагенеза, которые вызывают изменение объема слоя, приводят к растрескиванию плоскости залегания, характеризующемуся образованием трещин, параллельных слоистости. Разгрузочные стыки образуются в результате снятия напряжения, например при поднятии, дегляциации или добыче полезных ископаемых. Отслаивающиеся стыки и купола могут формироваться в результате изменений минерального состава (включая изменения объема при выветривании) или суточных колебаний температуры. Большинство стыков имеют тектоническое происхождение и обычно образуются в ответ на последнюю фазу тектонических движений в том или ином районе, в то время как другие связаны с региональными выпуклостями, складчатостью и разломами.

Многие переломы и стыки имеют бороздчатые или ребристые поверхности, известные как перистые структуры (plumose structures) , названные так потому, что они отдаленно напоминают перья. Перистые структуры развиваются в ответ на локальные изменения скорости распространения трещины и поля напряжений. Исток — это точка, где началась трещина; туман — небольшой выступ на поверхности; ось шлейфа — линия, от которой отходят отдельные зазубрины. Скручивающий выступ относится к ступеням на краю плоскости излома, вдоль которых излом разделился на ряд более мелких изломов.

Британский геолог Э. М. Андерсон изящно объяснил геометрию и ориентацию некоторых групп трещин в 1905 и 1942 годах, а в ставшей классической работе 1951 года «Динамика образования разломов и дамб». Широкое признание этой модели привело к появлению теории Андерсона, и многие типы разломов и трещин описываются в ее терминах. Согласно этой теории, положение плоскости разлома многое говорит об ориентации поля напряжений, которое действовало при образовании разлома. Предполагается, что трещины образуются в виде сдвиговых трещин в сопряженном наборе, при этом максимальное сжимающее напряжение делит пополам острый угол (около 60°) между двумя трещинами.

В большинстве случаев поверхность Земли может быть источником максимального, минимального или промежуточного главного напряжения, поскольку поверхность не может передавать касательное напряжение. Если максимальное напряжение сжатия является вертикальным, образуются две группы трещин, каждая из которых наклонена под углом 60° друг к другу и пересекается по горизонтальной линии, параллельной промежуточному напряжению. Если промежуточное напряжение вертикально, образуются две вертикальные трещины, при этом максимальное сжимающее напряжение делит пополам острый угол между ними. Если наименьшее сжимающее напряжение вертикально, образуются две пологие трещины, и их пересечение будет параллельным промежуточному главному напряжению.

Другие интерпретации трещин и стыков включают модификации геометрии Андерсона, учитывающие изменения объема и отклонения главных напряжений от вертикали. Многие стыки связаны с региональными структурами, такими как складки, причем одни из них развиваются параллельно осевым поверхностям складок, а другие пересекают их. Особенности на поверхностях стыков могут быть использованы для интерпретации способа их формирования. Например, перистые структуры обычно указывают на формирование режима I (растяжения), в то время как развитие бороздок разломов (известных как склоны скольжения) указывает на распространение по режиму II или III. Наблюдения за особенностями поверхности, отношением трещин к залеганию и таким структурам, как складки и разломы, а также за их региональной ориентацией и распределением позволяют понять их происхождение и значение.

Водоносные горизонты зоны разломов. Трещины и стыки во многих местах являются важными водоносными горизонтами, образуя глубокие полости в Земле, где вода может храниться без испарения или загрязнения в течение столетий или даже тысяч лет. Разломы и трещины развиваются в различных масштабах — от разломов, пересекающих континенты, до трещин, видимых только под микроскопом. Внутренние свойства горной породы и внешние напряжения, воздействующие на нее, определяют местоположение и ориентацию этих неоднородностей в структуре породы. Трещины различного масштаба представляют собой зоны повышенной пористости и проницаемости, и, образуя сети, они способны накапливать и переносить огромное количество воды.

Концепция водоносного горизонта зоны разлома объясняет поведение подземных вод в крупных водоразделах, контролируемых разломами. В данном случае зоны разломов служат коллекторами и переносчиками воды из одной или нескольких зон питания, при этом поверхностный и подземный сток в значительной степени контролируется региональным тектонизмом. Как производительность, так и качество воды в этих зонах обычно выше, чем в обычных скважинах любого типа пород. Дебит высококачественной воды в таком регионе может составлять 250 галлонов (950 литров) в минуту или больше, а общее количество растворенных твердых веществ в воде из таких высокопроизводительных скважин оказывается ниже среднего по региону.

Данная концепция рассматривает изменения в стоке подземных вод под влиянием вторичной пористости по всему водоразделу и объединяет данные бассейна для описания уникального воздействия вторичной пористости на сток, инфильтрацию, пропускную способность и накопление подземных вод. Концепция включает в себя колебания количества осадков на территории водосборного бассейна; например, орографические эффекты приводят к тому, что количество осадков в горной местности значительно выше, чем на более низких высотах. Осадки скапливаются на большой площади водосборного бассейна, содержащего зоны высокой проницаемости из-за интенсивного разрушения коренных пород, связанного с крупными зонами разломов.

Множество трещин в этих зонах с высокой проницаемостью «направляют» воду в другие зоны разломов, расположенные ниже по склону от места поступления воды в систему. Эти каналы могут образовывать сеть, охватывающую сотни квадратных миль (или километров). Зоны разломов и трещиноватости служат проводниками грунтовых вод и часто выступают каналами для поверхностного стока. Их пересечения образуют прямолинейные дренажные системы, иногда выходящие на поверхность, но также присутствующие под землей и сходящиеся вниз по гидрологическому градиенту (места, куда вода естественно стекает). В некоторых регионах эти прямолинейные узоры не всегда видны на поверхности из-за растительности и осадочного покрова.

Сближение этих подземных каналов увеличивает количество воды, доступной для пополнения запасов. Повышенная проницаемость, объем воды и соотношение воды и минералов в зонах разломов/трещиноватости помогают поддерживать качество водоснабжения. Эти каналы образуются как в трещиноватых непористых средах (кристаллические породы), так и в трещиноватых пористых средах (песчаник, известняк). В определенный момент в русле грунтовых вод после сближения градиент уменьшается. Слой отложений над основной зоной разлома становится толще и действует как резервуар для воды с первичной пористостью. Основная зона разлома выступает как трубопровод для переноса воды, так и как резервуар для хранения воды вдоль связанных зон со вторичной (и/или первичной) пористостью.

Подземные воды в пределах этого слоя или линзы часто текут с ускоренной скоростью. Результатом может быть повышение давления грунтовых вод как в зоне разлома, так и в окружающем материале. Осадки могут почти мгновенно восполнить быстрый поток в трубопроводе. Окружающие материалы пополняются медленнее, но и вода выделяется из них медленнее, что служит накопителем для питания канала в промежутках между осадками. Как только зоны насыщаются, любая дополнительная вода будет переливаться через край, если имеется выход. На водоразделе большой площади эта вода, вероятно, течет по подземным каналам под давлением, пока в окружающей среде не найдется выход. Значительные объемы подземных вод могут течь вдоль протяженности основной зоны разлома, контролирующей водораздел, и могут выходить на подводных участках зоны разлома, образуя прибрежные или морские источники пресной воды.

Концепция водоносного горизонта в зоне разлома особенно применима к областям, сложенным кристаллическими породами, которые подвергались многократным деформациям, включая тектонику растяжения. Это особенно актуально для регионов, где возможно пополнение за счет сезонных и/или спорадических осадков в горных районах, прилегающих к равнинным пустынным территориям. Водоносные горизонты зоны разлома отличаются от горизонтальных водоносных горизонтов тем, что: (а) они осушают многочисленные вади на обширных территориях, многие из которых простираются на десятки миль (десятки километров); (b) они представляют собой каналы, ведущие в горные районы, где потенциал пополнения за счет осадков высок; (c) некоторые из них могут соединять несколько горизонтальных водоносных горизонтов, увеличивая объем накопленной воды; (d) поскольку источник воды находится на больших высотах, артезианское давление на уровне грунтовых вод может быть высоким; и (e) при обычном бурении они обычно не обнаруживаются, поскольку вода часто залегает на глубине до 1000 футов (сотен метров).

Характеристики водоносных горизонтов зоны разлома делают их отличным источником воды в засушливых и полузасушливых условиях. Такие водоносные горизонты определяются путем поиска крупных разломов, которые обычно четко видны на спутниковых снимках, поскольку они выделяются дренажем. Первым шагом в оценке потенциала подземных вод любого региона является изучение структур, отображаемых на спутниковых снимках, для составления карт разломов, трещин и линейных объектов неопределенного происхождения (называемых линеаментами). Затем такая карта сравнивается с картой дренажа, показывающей расположение вади. Сочетание большого количества вади и крупных трещин указывает на больший потенциал для накопления подземных вод. Кроме того, пересечение крупных разломов увеличивает как пористость, так и проницаемость, а следовательно, и способность к сбору воды.

Ресурсы подземных вод в засушливых и полузасушливых районах скудны, и их необходимо использовать надлежащим образом и разумно управлять ими. Большинство этих ресурсов представляют собой «ископаемые» воды, которые накапливались во влажном климате в течение геологического прошлого. Современные темпы пополнения за счет случайных осадков не позволяют в достаточной степени восполнять водоносные горизонты. Поэтому ресурсы должны использоваться экономно, без превышения оптимальных скоростей откачки для каждой скважины.

Дополнительная информация: Андерсон Э. М. Динамика образования разломов и дамб. Лондон: Оливер и Бойд, 1951.
Биссон, Роберт А. и Фарук Эль-Баз. “Модель исследования крупных водосборов”. Материалы 23-го Международного симпозиума по дистанционному зондированию окружающей среды. Анн-Арбор, Мичиган: Мичиганский институт экологических исследований, 1990.

Эль-Баз, Фарук. “Использование спутниковых снимков для исследования подземных вод в водоносных горизонтах зоны разлома”. Международная конференция по управлению водными ресурсами в засушливых странах. Маскат, Оман: Министерство водных ресурсов, 1995.
Гейл Дж. Э. “Оценка характеристик проницаемости трещиноватых горных пород”. В кн. «Последние тенденции в гидрогеологии» под ред. Т. Н. Нарасимхана. Специальная статья Геологического общества Америки 189 (1982).

Куски, Тимоти М. и Фарук Эль-Баз. “Структурная и тектоническая эволюция Синайского полуострова с использованием данных Landsat: последствия для исследования подземных вод”. Египетский журнал дистанционного зондирования, 1 (1999): 69-100.
Национальная академия наук. Трещины в горных породах и движение флюидов: современное понимание и применение. Вашингтон, округ Колумбия: Издательство Национальной академии, 1996.

Поллард, Дэвид Д. и Айдын Атилла. “Прогресс в понимании сопряжения за последнее столетие”. Геологическое общество Америки, 100 (1988): 1181-1204.
Рамзи, Джон Г. и Мартин И. Хьюбер. Методы современной структурной геологии, том 2: Складки и трещины. Лондон: Academic Press, 1987.
Райт, Э. П. и У. Г. Берджесс. “Гидрогеология кристаллических подземных водоносных горизонтов в Африке”. Специальная публикация Лондонского геологического общества 66 (1992).

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.