8. Деформации горных пород. Виды деформаций. Разрывы.

Изменение формы я объема горных пород под действием тектонических сил. Д. может происходить с изменением объема горных пород, когда действует гидростатическое давление, или объема и формы тела или только формы, когда действуют направленные силы. При действии последних возникают Д. трех видов: упругие (эластические), пластические и разрывные. При упругих Д. изменяется форма тела, но, как только деформирующее воздействие внешних условий прекращается, прежняя форма восстанавливается. При пластических Д. изменение формы тела происходит без разрывов, но в отличие от эластических деформаций пластические Д. необратимы. Пластические Д. особо важное значение приобретают на глубине. Они совершаются посредством дифференциальных движений по определенным направлениям. Разрывные Д. сопровождаются нарушением сплошности вследствие возникающих трещин и расколов. В строении земной коры наблюдаются пластические (складки) и разрывные деформации.

Под деформацией понимается изменение объема и формы тела. Деформации подразделяются на однородные и неоднородные (рис. 14.2.). В первом случае величина деформации одинакова в каждом участке деформированного тела. Так, балка, будучи сжатой, изменит свою форму, но в каждом месте измененной балки деформация будет одинаковой. Во втором случае, если мы эту же балку начнем изгибать, то, очевидно, что ближе к ее верхней части будет наблюдаться растяжение, убывающее к центру, а в нижней половине балки будет происходить сжатие. Среди однородных деформаций выделяют сжатие - растяжение и сдвиг. Для сдвига необходимо действие двух противоположно направленных сил, или пары сил.

Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругая деформация характеризуется тем, что после снятия нагрузки тело вновь принимает исходную форму. Упругое тело всегда оказывает противодействие внешней приложенной силе, которая, будучи отнесенной, к какой-либо единице площади, называется напряжением. В деформируемом теле напряжение изменяется в разных его сечениях, поэтому мы говорим о поле напряжений данного тела, имея в виду все напряжения.

Характеризовать деформацию тела удобно, используя "эллипсоид деформации". Согласно теории упругости, три взаимно перпендикулярные оси отвечают главным осям напряжений в данном теле. При однородной деформации, а с ней и имеют дело в геологии, с главными осями напряжений совпадают главные оси деформаций. Именно с этими осями совпадают удлинение и сокращение тела. Наиболее обычный пример, иллюстрирующий сказанное - это сжатие шара. Первоначально в нем все оси одинаковы и равны диаметру шара, но при деформации шара, скажем его сжатии, он сплющивается и превращается в трехосный эллипсоид. Размеры осей этого эллипсоида и их отличия от первоначального диаметра шара соответствуют величине деформации по трем осям.

Полное напряжение, т.е. силу, приложенную к какой-либо площади, можно разложить на нормальное напряжение, ориентированное по нормали к площади, и тангенциальное, или касательное, действующее в плоскости выбранной площади. Зависимость упругой деформации от напряжения выражается законом Гука: , где - величина деформации, - напряжение, а Е - коэффициент пропорциональности, или модуль Юнга.

Пластической деформацией называют некоторую ее остаточную величину, которая сохраняется после снятия приложенной нагрузки. Во время упругой деформации она увеличивается прямо пропорционально напряжению, но при достижении некоторой величины, называемой пределом упругости, тело начинает пластически деформироваться, в то время как напряжение остается постоянным. Иногда пластическое состояние горной породы называют предельным состоянием, при котором она может деформироваться неограниченно. Важным понятием является вязкость, свойство, которое определяется тем, что частицы породы могут сопротивляться смещению и это сопротивление прямо пропорционально скорости смещения. Вязкость сильно зависит от температуры и давления, измеряется в Паскалях в секунду и для литосферы определяется как 1023 - 1024 Па.с, в то время как вязкость астеносферы на несколько порядков ниже.Эти понятия из основ механики деформирования материалов широко используются, когда описывают деформацию горных пород, особенно их прочность, превышение предела которой ведет к разрушению породы. Существуют хрупкие и пластичные тела. Горные породы принадлежат в основном к хрупким телам, которые разрушаются, не испытав остаточных деформаций. Пластичные тела перед разрушением подвергаются пластическим деформациям. Представления о вязком и хрупком разрушении горных пород базируются на механизме разрыва сплошности. Вязкому разрушению предшествует длительное пластическое течение пород, а хрупкое обусловлено лавинообразным нарастанием трещиноватости. Горные породы могут разрушаться путем отрыва или путем скалывания, и благодаря тому, что они состоят из разнообразных по величине и форме зерен, в них развивается внутреннее трение, которое приводит к сосредоточению деформаций в локальных зонах, где и происходит разрушение горных пород, т.е. образование тектонического разрыва.

Растяжение горных пород чаще всего ведет к образованию хрупкого отрыва, в то время как сжатие - к вязкому скалыванию. В геологии важную роль играет время действия напряжений. При очень длительном воздействии последних горные породы могут разрушаться, хотя величина напряжений не очень велика. Крайняя медленность осуществления деформаций в природных условиях делает невозможным их воспроизведение путем эксперимента. Поэтому при моделировании тектонофизических процессов используют "теорию подобия", которая может учесть и время, и размеры тела. Проблемами, связанными с деформациями горных пород и полями напряжений, занимается тектонофизика, ветвь геотектоники.

Основные геотектонические гипотезы, исторический аспект

С давних времен люди искали причины изменения лика Земли, пытаясь объяснить механизм поднятий и опусканий, разнообразных тектонических деформаций. Уже во второй половине XVIII в. возникло первое научное объяснение этих явлений – гипотеза поднятий, основателями которой были М.В.Ломоносов и шотландец Дж.Хатон. Главная роль при формировании поднятий отводилась подъему магмы. Гипотеза пользовалась длительным признанием, пока накопление новых знаний и фактов не привело к появлению в середине XIX в. гипотезы контракции.

Гипотеза контракции была предложена в 1852 г. французским геологом Э. Де Бомоном. Данная гипотеза основана на дальнейшем развитии идеи «горячего происхождения Земли» (по Канту и Лапласу), основана на предположении о ее медленном остывании, сопровождающимся уменьшением ее объема (contraction - сжатие). Постепенное охлаждение Земли, идущее сверху, приводит к образованию верхней твердой оболочки – земной коры, которая при уменьшении объема Земли дробится, коробится, сминается. Зоны смятия соответствуют зонам складчатых сооружений, где происходят извержения вулканов и землятресения. А крупные разрывы – океаническое впадины. Главной причиной движения земной коры являются тангенциальные силы, действующие параллельно ее поверхности.

Гипотеза расширяющейся Земли. Изучение океанической коры небольшой мощности и с практическим отсутствием складок привело к идее растяжения как основного планетарного вида деформаций коры. Эта идея способствовала созданию гипотезы расширяющейся Земли, сформулированной в конце XIX в. М. Ридером, в дальнейшей разработке которой приняли участие Б.Линдеман, М.М. Тетяев, У.Кэри и др.

Пульсационная гипотеза, являющаяся синтезом двух предыдущих, разработанная американским геологом В.Бухером, а в дальнейшем развитие получила в работах советских геологов М.Усова и В.А.Обручева. Согласно этой гипотезе, Земля пульсирует, испытывая то сжатие, то расширение.

Гипотеза мобилизма, сторонники которого допускают возможность горизонтального перемещения материков. Так появилась первая гипотеза мобилизма – гипотеза дрейфа материков в 1912 г. , автором которой является немецкий геофизик А.Вегенер. Он высказал предположение, что в мезозое все материки представляли собой единный суперконтинент Пангею, который с юры начал раскалываться с обособлением современных континентов. При удалении континентов друг от друга между ними образовались океанические впадины. Причиной возможного перемещения континентов он считал действия вращения Земли. Но геофихики доказали, что ротационные силы вращения Земли недостаточны для перемещения континентальных глыб, высказали свои возражения и геологи, упрекнув его в забвении учения о геосинклиналях. В результате гипотеза была предана забвению после 30-х годов, пока не возродилась на основе новых научных научных достижений и фактов в 60-е годы. Но прежде чем перейти к теории литосферных плит – возожденной гипотезы мобилизма, необходимо упомянуть, что в ротивовес существования идей сторонников мобилизма были и другие представления о фиксированном положении континентов без их существенного перемещения , которые объединялись в понятие фиксизма.

Гипотеза фиксизма была предложена В.В.Белоусовым в 1942 г., а за рубежом разработана голланским ученым Р.В. ван Бемеленом и основана на представлениях о существовании только вертикальных колебательных движений, механизм которых связан с диффференциацией вещества мантии Земли.

Глобальная тектоника плит. К середине XX в. происходит лавинообразное нарастание знаний о строении и особенностях эволюции океанической коры. Два важных открытия послужили толчком для возрождения идей гипотезы А.Вегенера. Первым явилось открытие существования системы срединно-океанических хребтов (СОХ), а вторым – обнаружение полосовидных магнитных аномалий , симметрично распологающихся по обе стороны осевой части СОХ и характеризующихся то прямой, то братной намагниченностью. Эти факты нашли доказательное объяснение в гипотезе спрединга (раздвижения) океанического дна , сформулированного в 1962 г. американскими геологами Г.Хессом и Р.Дитцом. А в 1963 г. англичане Ф.Вайн и Д.Мэтьюз объяснили существование линейных магнитных аномалий, подтверждающих спрединг дна. В последующие годы, благодаря разработкам американских геологов и геофизиков: Дж. Уилсона («Новый класс разломов и их отношение к континентальному дрейфу»), В.Моргана («Океанические поднятия, глубоководные желоба и блоки земной коры»), К.Ле-Пишона («Спрединг океанического дна и дрейф континентов»), Айзекса, Оливера и Сайкса («Сейсмология и новая глобальная тектоника»), была создана новая тектоническая гипотеза – «тектоника литосферных плит» или «новая глобальная тектоника». Сформулирванная в конце 60-х гг. ХХ в., она заняла в настоящее время место парадигмы геологии. Сущность новой концепции сводится к нескольким положениям:

1. Литосфера нашей планеты разбита на 6-8 крупных и относительно жестких литосферных плит, включающих континенты и часть океанического дна. Наряду с крупными плитами, такими, как Евроазиатская, Американская, Африканская, Тихоокеанская и др., выделяются малые плиты размерами 1000 3000 км (Охотоморская, Кокос, Скоша, Наска, Сомалийская и др.) и микроплиты размерами 300-1000 км внутри широких активных зон в западном обрамлении Тихого океана и в Альписко-Гималайском поясе (Лут, Мизийская, Мендерес, Сардиния и др.).

2. Плиты перемещаются по поверхности астеносферы в горизонтальном направлении и вращаются под воздействием тепловых конвективных потоков.

3. Границы плит маркируются современными зонами высокой сейсмичности и активного магматизма.

4. Существуют три типа границ: дивергентные (конструктивные), конвергентные (деструктивные) и трансформные.

В последние годы к основной парадигме современной теоретической геологии (тектонике литосферных плит) добавляется вторая парадигма – тектоника плюмов (или горячих полей) которая в значительной мере регулирует глобальную геодинамику Земли (Н.Л.Добрецов, 2001). Плюмы, восходящие потоки мантийного вещества, могут зарождаться на разных уровнях в мантии и, и поднимаясь в область меньших давлений, превращаются в жидкую базальтовую магму. При движении литосферной плиты над неподвижной мантийной струей (плюмом) образуется вулкан и магма изливается на поверхность. При перемещении плиты возникает новый вулкан. Так мантийная струя, как бы прожигая плиту , оставляет следы в виде цепи вулканов. Примерами проявления таких горячих точек, связанных с такими мантийными плюмами, является цепь современных вулканов Гавайских островов в Тихом океане. Возраст Гавайского плюма оценивается 70-80 млн.лет. Аналогичная цепочка вулканических островов - Исландия, Св. Елена, Тристан да Кунья – следы движения Северо-Американской плиты над Исландским плюмом, существующим более 100 млн.лет.

Как отмечают Н.Л.Добрецов и др.(2001), еще важнейшими проявлениями мантийных плюмов являются кимберлитовые поля и платобазальбы. Максимумы кимберлитов отмечаются в палеозое и мезозое, от 90 до 460 млн лет. Возраст кимбирлитов Африки, Бразилии, Австралии, Сибири, Индии, Греландии – 1,1 млр лет. Крупнейшим ареалом платобазальтов с возрастом 253-248 млн лет являются сибирские траппы.