Наука о деформации земной коры и интерпретации геологических структур.

Введение

Наука об описании и интерпретации деформаций в земной коре.

Структурная геология – это изучение трехмерного распределения горных пород и их взаимосвязи с историей деформаций. Основная цель структурной геологии – использовать измерения современной геометрии горных пород для выявления информации об истории деформаций (напряжений) в породах и, в конечном итоге, понять поле напряжений, которое привело к наблюдаемым деформациям и геометрии. Понимание динамики этого поля напряжений может быть соотнесено с важными событиями в геологическом прошлом; распространенная цель – понять структурную эволюцию конкретной области в связи с регионально распространенными моделями деформации горных пород (например, горообразованием, рифтогенезом), обусловленными тектоникой плит.

Использование и значение

Изучение геологических структур имеет первостепенное значение в экономической геологии, как в нефтяной, так и в горнодобывающей. Сложенные и разломленные слои горных пород обычно формируют ловушки, в которых накапливаются и концентрируются флюиды, такие как нефть и природный газ. Аналогично, разломленные и структурно сложные участки выделяются как проницаемые зоны для гидротермальных флюидов, что приводит к образованию концентрированных месторождений руд цветных и благородных металлов. Жилы минералов, содержащие различные металлы, обычно располагаются в разломах и трещинах в структурно сложных областях. Эти структурно нарушенные и разломленные зоны часто встречаются в ассоциации с интрузивными магматическими породами, а также вокруг геологических рифовых комплексов и участков обрушения, таких как древние карстовые воронки. Месторождения золота, серебра, меди, свинца, цинка и других металлов обычно локализуются в структурно сложных районах. Структурная геология является важнейшей частью инженерной геологии, которая изучает физические и механические свойства природных горных пород. Структурные ткани и дефекты, такие как разломы, складки, слоистость и трещины, представляют собой внутренние слабости горных пород, которые могут влиять на устойчивость антропогенных сооружений, таких как плотины, выемки дорог, открытые и подземные горные выработки или дорожные тоннели. Геотехнический риск, включая сейсмический, может быть оценен только путем комплексного изучения структурной геологии и геоморфологии. Особое значение для ученых имеют также карстовые ландшафты, расположенные над пещерами, потенциальными провалами или другими участками обрушения. Кроме того, участки с крутыми склонами представляют собой потенциальную опасность обрушений и оползней. Экологическим и гидрогеологам необходимо применять принципы структурной геологии для понимания того, как геологические объекты влияют (или подвергаются влиянию) на подземный поток и фильтрацию воды. Например, гидрогеологу может потребоваться определить, происходит ли просачивание токсичных веществ со свалок в жилые районы или соленая вода в водоносный горизонт. Тектоника плит – это теория, разработанная в 1960-х годах, описывающая перемещение континентов посредством разделения и столкновения литосферных плит. В определенном смысле это структурная геология в планетарном масштабе, которая используется во всей структурной геологии в качестве основы для анализа и понимания глобальных, региональных и локальных структур.

The study of geologic structures has been of prime importance in economic geology, both petroleum geology and mining geology. Folded and faulted rock strata commonly form traps that accumulate and concentrate fluids such as petroleum and natural gas. Similarly, faulted and structurally complex areas are notable as permeable zones for hydrothermal fluids, resulting in concentrated areas of base and precious metal ore deposits. Veins of minerals containing various metals commonly occupy faults and fractures in structurally complex areas. These structurally fractured and faulted zones often occur in association with intrusive igneous rocks. They often also occur around geologic reef complexes and collapse features such as ancient sinkholes. Deposits of gold, silver, copper, lead, zinc, and other metals, are commonly located in structurally complex areas. Structural geology is a critical part of engineering geology, which is concerned with the physical and mechanical properties of natural rocks. Structural fabrics and defects such as faults, folds, foliations and joints are internal weaknesses of rocks which may affect the stability of human engineered structures such as dams, road cuts, open pit mines and underground mines or road tunnels. Geotechnical risk, including earthquake risk can only be investigated by inspecting a combination of structural geology and geomorphology. In addition, areas of karst landscapes which reside atop caverns, potential sinkholes, or other collapse features are of particular importance for these scientists. In addition, areas of steep slopes are potential collapse or landslide hazards. Environmental geologists and hydrogeologists need to apply the tenets of structural geology to understand how geologic sites impact (or are impacted by) groundwater flow and penetration. For instance, a hydrogeologist may need to determine if seepage of toxic substances from waste dumps is occurring in a residential area or if salty water is seeping into an aquifer. Plate tectonics is a theory developed during the 1960s which describes the movement of continents by way of the separation and collision of crustal plates. It is in a sense structural geology on a planet scale, and is used throughout structural geology as a framework to analyze and understand global, regional, and local scale features.

Методы

Структурные геологи используют различные методы для (во-первых) измерения геометрии горных пород, (во-вторых) реконструкции истории их деформации и (в-третьих) оценки напряженно-деформированного поля, вызвавшего эту деформацию.

Геометрия

Основные наборы данных для структурной геологии собираются в полевых условиях. Структурные геологи измеряют различные плоские элементы (поверхности слоистости, плоскости наслоения, осевые плоскости складок, плоскости разломов и трещины) и линейные элементы (линейные структуры растяжения, в которых минералы пластически удлиняются; оси складок; и линии пересечения, след плоского элемента на другой плоской поверхности).

Методы измерения

Наклон плоской структуры в геологии измеряется по азимуту и углу наклона. Азимут – это линия пересечения между плоской структурой и горизонтальной плоскостью, определяемая по правилу правой руки, а угол наклона – величина отклонения от горизонта, измеренная перпендикулярно азимуту. Например, азимут 25° восточнее севера, угол наклона 45° к юго-востоку, записывается как N25E, 45SE. В качестве альтернативы можно использовать угол наклона и направление наклона, поскольку это абсолютные значения. Направление наклона измеряется в градусах (0-360°), обычно по часовой стрелке от севера. Например, угол наклона 45° в направлении азимута 115°, записывается как 45/115. Следует отметить, что это соответствует предыдущему описанию. Термин "гаде" иногда используется для обозначения отклонения плоскости от вертикали, то есть (90° угол наклона). Погружение оси складки измеряется углом и направлением погружения (точнее, углом погружения и азимутом погружения). Ориентация осильной плоскости складки измеряется по азимуту и углу наклона или углу и направлению наклона. Линейные структуры измеряются углом и направлением наклона, если это возможно. Часто линейные структуры проявляются на плоской поверхности и их трудно измерить напрямую. В этом случае линейную структуру можно измерить от горизонтали как угол наклона (рейп) или шаг на поверхности. Рейп измеряется путем прикладывания транспортира плоскостью к плоской поверхности, с горизонтальным краем и измерением угла линейной структуры по часовой стрелке от горизонтали. Ориентация линейной структуры может быть рассчитана на основе угла наклона и азимута плоскости, с которой она была измерена, с использованием стереографической проекции. Если на разломе имеются линейные структуры, образованные движением по плоскости, например, полосы скольжения, это регистрируется как линейная структура с углом наклона и примечанием, указывающим направление сдвига на разломе. Как правило, проще записывать информацию об азимуте и угле наклона плоских структур в формате угол наклона/направление наклона, поскольку это будет соответствовать всей остальной структурной информации о складках, линейных структурах и т.д., хотя использование различных форматов, различающих плоские и линейные данные, имеет свои преимущества.

The inclination of a planar structure in geology is measured by strike and dip. The strike is the line of intersection between the planar feature and a horizontal plane, taken according to the right hand convention, and the dip is the magnitude of the inclination, below horizontal, at right angles to strike. For example; striking 25 degrees East of North, dipping 45 degrees Southeast, recorded as N25E,45SE. Alternatively, dip and dip direction may be used as this is absolute. Dip direction is measured in 360 degrees, generally clockwise from North. For example, a dip of 45 degrees towards 115 degrees azimuth, recorded as 45/115. Note that this is the same as above. The term hade is occasionally used and is the deviation of a plane from vertical i. e. (90° dip). Fold axis plunge is measured in dip and dip direction (strictly, plunge and azimuth of plunge). The orientation of a fold axial plane is measured in strike and dip or dip and dip direction. Lineations are measured in terms of dip and dip direction, if possible. Often lineations occur expressed on a planar surface and can be difficult to measure directly. In this case, the lineation may be measured from the horizontal as a rake or pitch upon the surface. Rake is measured by placing a protractor flat on the planar surface, with the flat edge horizontal and measuring the angle of the lineation clockwise from horizontal. The orientation of the lineation can then be calculated from the rake and strike dip information of the plane it was measured from, using a stereographic projection. If a fault has lineations formed by movement on the plane, e. g.; slickensides, this is recorded as a lineation, with a rake, and annotated as to the indication of throw on the fault. Generally it is easier to record strike and dip information of planar structures in dip/dip direction format as this will match all the other structural information you may be recording about folds, lineations, etc., although there is an advantage to using different formats that discriminate between planar and linear data.

Условия плоскости, ткани, складки и деформации

Принято в структурной геологии анализировать структуры, выделяя плоские структуры, часто называемые плоскими текстурами, поскольку это подразумевает текстурное формирование, линейные структуры и, на основе анализа этих структур, реконструировать деформации. Плоские структуры нумеруются в соответствии с порядком их образования, при этом изначальная осадочная слоистость имеет наименьший номер – S0. Часто невозможно идентифицировать S0 в сильно деформированных породах, поэтому нумерация может начинаться с произвольного числа или обозначаться буквой (например, SA). В случаях, когда присутствует слоистое листвование, вызванное погребенным метаморфизмом или диагенезом, оно может быть обозначено как S0a. Складки нумеруются как F1, F2 и т.д. Обычно осевое плоскостное листвование или расслоение складки формируется в процессе складывания, и нумерация должна соответствовать. Например, складка F2 должна иметь осевое листвование S2. Деформации нумеруются в соответствии с порядком их образования, при этом буква D обозначает деформационное событие. Например, D1, D2, D3. Складки и листвования, поскольку они формируются в результате деформационных событий, должны коррелировать с этими событиями. Например, складка F2 с осевым листвованием S2 будет результатом деформации D2. Метаморфические события могут охватывать несколько деформаций. Иногда полезно идентифицировать их аналогично структурным элементам, за которые они отвечают, например, M2. Это возможно, наблюдая образование порфиробластов в расслоениях с известным возрастом деформации, идентифицируя метаморфические минеральные ассоциации, образовавшиеся в результате различных событий, или с помощью геохронологии. Линейные структуры пересечения в породах, являясь продуктом пересечения двух плоских структур, нумеруются в соответствии с этими двумя плоскими структурами. Например, линейная структура пересечения расслоения S1 и слоистости обозначается как L1 0 (также известная как линейная структура расслоения и слоистости). Линейные структуры растяжения может быть трудно количественно оценить, особенно в сильно растянутых пластичных породах, где сохраняется минимальная информация о листвовании. Если возможно установить их связь с деформациями (поскольку немногие формируются в складках, а многие не связаны напрямую с плоскими листвованиями), их можно идентифицировать аналогично плоским поверхностям и складкам, например, L1, L2. Для удобства некоторые геологи предпочитают обозначать их индексом S, например, Ls1, чтобы отличить от линейных структур пересечения, хотя это обычно избыточно.

The convention for analysing structural geology is to identify the planar structures, often called planar fabrics because this implies a textural formation, the linear structures and, from analysis of these, unravel deformations. Planar structures are named according to their order of formation, with original sedimentary layering the lowest at S0. Often it is impossible to identify S0 in highly deformed rocks, so numbering may be started at an arbitrary number or given a letter (SA, for instance). In cases where there is a bedding plane foliation caused by burial metamorphism or diagenesis this may be enumerated as S0a. If there are folds, these are numbered as F1, F2, etc. Generally the axial plane foliation or cleavage of a fold is created during folding, and the number convention should match. For example, an F2 fold should have an S2 axial foliation. Deformations are numbered according to their order of formation with the letter D denoting a deformation event. For example, D1, D2, D3. Folds and foliations, because they are formed by deformation events, should correlate with these events. For example, an F2 fold, with an S2 axial plane foliation would be the result of a D2 deformation. Metamorphic events may span multiple deformations. Sometimes it is useful to identify them similarly to the structural features for which they are responsible, e. g.; M2. This may be possible by observing porphyroblast formation in cleavages of known deformation age, by identifying metamorphic mineral assemblages created by different events, or via geochronology. Intersection lineations in rocks, as they are the product of the intersection of two planar structures, are named according to the two planar structures from which they are formed. For instance, the intersection lineation of a S1 cleavage and bedding is the L1 0 intersection lineation (also known as the cleavage bedding lineation). Stretching lineations may be difficult to quantify, especially in highly stretched ductile rocks where minimal foliation information is preserved. Where possible, when correlated with deformations (as few are formed in folds, and many are not strictly associated with planar foliations), they may be identified similar to planar surfaces and folds, e. g.; L1, L2. For convenience some geologists prefer to annotate them with a subscript S, for example Ls1 to differentiate them from intersection lineations, though this is generally redundant.

Стереографические проекции

Стереографическая проекция — это метод анализа природы и ориентации деформационных напряжений, литологических единиц и проникающих текстур, при котором линейные и плоскостные элементы (структурный азимут и угол наклона, обычно определяемые с помощью компаса-клинометра) проецируются на двухмерную сетку, что позволяет проводить более комплексный анализ совокупности измерений. Стереограмма, разработанная Ричардом У. Оллендингером, широко используется в структурной геологии.

Макроструктуры горных пород

В широком масштабе структурная геология изучает трехмерное взаимодействие и взаимосвязи стратиграфических единиц в пределах областей распространения горных пород или геологических регионов. Эта область структурной геологии в основном рассматривает ориентировку, деформацию и взаимоотношения стратиграфии (слоистости), которая могла быть нарушена разломами, смята в складки или приобрести слоистость под воздействием тектонических событий. Это преимущественно геометрическая наука, позволяющая создавать профили и трехмерные блочные модели горных пород, регионов, терранов и частей земной коры. Изучение региональной структуры важно для понимания орогенеза, тектоники плит и, в частности, в нефтегазовой и горнодобывающей отраслях, поскольку такие структуры, как разломы, складки и несогласия, являются ключевыми факторами, контролирующими минерализацию руд и формирование нефтяных ловушек. Современная региональная структура исследуется с использованием трехмерной сейсмической томографии и сейсмической разведки, предоставляя беспрецедентные изображения недр Земли, ее разломов и глубокой коры. Дополнительная информация из геофизических методов, таких как гравиметрия и аэромагнитная съемка, может дать представление о составе горных пород, предположительно находящихся в глубокой коре.

Микроструктуры скал

Структурные геологи изучают микроструктуру или текстуру горных пород в малом масштабе для получения детальной информации, главным образом о метаморфических породах и некоторых особенностях осадочных пород, особенно если последние сложены в складки. Текстурный анализ включает в себя измерение и характеристику плоскостей слоистости, кренуляций, метаморфических минералов и установление временных взаимосвязей между этими структурными и минералогическими признаками. Обычно это предполагает сбор образцов в поле, которые могут быть разрезаны для получения тонких шлифов, анализируемых под петрографическим микроскопом. Микроструктурный анализ также применяется в многомасштабном статистическом анализе, направленном на изучение некоторых свойств горных пород, демонстрирующих масштабную инвариантность.

Кинематика

Геологи используют измерения геометрии горных пород для понимания истории деформации горных пород. Деформация может проявляться в виде хрупкого разлома и пластичного смятия и сдвига. Хрупкая деформация происходит в верхних слоях коры, а пластичная – в глубоких слоях, где температуры и давления выше.

Поля напряжения

Понимая зависимость между напряжением и деформацией в горных породах, геологи могут восстановить картину напряженно-деформированного состояния земной коры в геологическом прошлом на основе наблюдаемых признаков деформации. Для определения напряженно-деформированного поля по деформационным структурам обычно используют следующий перечень признаков. В идеально хрупких породах разломы образуются под углом 30° к направлению максимального сжатия (закон Байерли). Направление максимального сжатия перпендикулярно осевым плоскостям складок.

Моделирование

Для экономической геологии, такой как разработка нефтяных и минеральных ресурсов, а также для научных исследований, моделирование структурной геологии приобретает все большее значение. Двумерные и трехмерные модели структурных систем, таких как антиклинали, синклинали, складчатые и разрывные зоны, и другие элементы, позволяют лучше понять эволюцию структуры во времени. Без моделирования или интерпретации данных о недрах геологи ограничены лишь знаниями, полученными в результате поверхностной геологической съемки. Если полагаться исключительно на поверхностную геологию, можно упустить значительный экономический потенциал, игнорируя структурную и тектоническую историю территории.

Характеристика механических свойств горных пород

Механические свойства горных пород играют жизненно важную роль в структурах, формирующихся при деформации глубоко под земной корой. Условия, в которых находится горная порода, определяют различные структуры, которые геологи наблюдают на поверхности в полевых условиях. Структурная геология стремится установить связь между образованиями, видимыми человеку, и изменениями, которые претерпела горная порода, чтобы сформировать эту конечную структуру. Знание условий деформации, приводящих к образованию таких структур, позволяет понять историю деформации горной породы. Температура и давление играют огромную роль в деформации горных пород. В условиях экстремально высоких температур и давления, существующих под земной корой, горные породы ведут себя пластично. Они могут изгибаться, складываться или разрушаться. Другими важными факторами, способствующими формированию структуры горных пород в недрах Земли, являются поля напряжений и деформаций.

Кривая напряжения-разрыва

Стресс – это давление, определяемое как направленная сила, действующая на единицу площади. Когда горная порода подвергается стрессу, она деформируется. После снятия стресса порода может или не может вернуться к своей первоначальной форме. Это изменение формы количественно оценивается деформацией – отношением изменения длины к исходной длине материала в одном измерении. Стресс вызывает деформацию, которая в конечном итоге приводит к изменению структуры. Эластичная деформация – это обратимая деформация. Иными словами, когда стресс на породу снимается, она возвращается к своей первоначальной форме. Восстановительная, линейная эластичность включает растяжение, сжатие или искажение атомных связей. Поскольку разрыва связей не происходит, материал возвращается в исходное состояние при снятии силы. Этот тип деформации моделируется линейной зависимостью между стрессом и деформацией, то есть законом Гука. Где σ обозначает стресс, ε – деформацию, а E – модуль упругости, который зависит от материала. Модуль упругости, по сути, является мерой прочности атомных связей. Пластическая деформация – это необратимая деформация. Зависимость между стрессом и деформацией при постоянной деформации нелинейна. Стресс вызвал постоянное изменение формы материала, связанное с разрывом связей. Одним из механизмов пластической деформации является движение дислокаций под действием приложенного стресса. Поскольку горные породы по сути являются агрегатами минералов, их можно рассматривать как поликристаллические материалы. Дислокации – это тип кристаллографического дефекта, который состоит из дополнительной или отсутствующей полуплоскости атомов в периодическом расположении атомов, составляющих кристаллическую решетку. Дислокации присутствуют во всех реальных кристаллографических материалах.

Жесткость

Прочность лучше всего описывается сопротивлением материала к растрескиванию. Во время пластической деформации материал поглощает энергию до момента разрушения. Площадь под диаграммой "напряжение-деформация" представляет собой работу, необходимую для разрушения материала. Модуль ударной вязкости определяется как:

где – предел прочности на растяжение, а – относительное удлинение при разрушении. Модуль представляет собой максимальное количество энергии на единицу объема, которое материал может поглотить без разрушения. Из уравнения модуля следует, что для высокой ударной вязкости необходимы высокая прочность и высокая пластичность. Эти два свойства обычно являются взаимоисключающими. Хрупкие материалы обладают низкой ударной вязкостью, поскольку небольшая пластическая деформация снижает относительное удлинение (низкая пластичность). Методы измерения ударной вязкости включают: испытание на удар по Изоду и испытание Шарпи.

Устойчивость

Упругость – это мера упругой энергии, поглощаемой материалом при деформации под нагрузкой. Иными словами, это внешняя работа, совершаемая над материалом в процессе деформации. Площадь под эластичной частью диаграммы "напряжение-деформация" соответствует энергии деформации, поглощенной в единице объема. Модуль упругости определяется как:

где σ<sub>y</sub> – предел текучести материала, а E – модуль упругости материала. Для повышения упругости необходимо увеличить предел текучести и уменьшить модуль упругости.