§ 11. Деформации горных пород (физико-механический метод структурной геологии)

Большинство структурных форм образуется под влиянием меха­нических воздействий, возникающих в земной коре. Анализ меха­низма деформаций дает ключ к научному пониманию способов об­разования структурных форм и является важным методом струк­турной геологии и геотектоники. Основы этого метода были за­ложены К. Науманом, Ч. Ван-Хайзом, Г. Беккером, Ч. Лизсом и Б. и Р. Виллисами, а теперь, в рамках новой отрасли знания ­тектонофизики, он успешно разрабатывается В. В. Белоусовым, М. В. Гзовским и другими учеными.

В механике под деформацией твердого тела понимают изменение внешними силами формы или размера тела, т. е. изменение перво­начального взаимного расположения частиц, слагающих это тело. Деформациями же горных пород называются изменение их первой начальной формы и объема под влиянием напряжении в земной кoре, вызванных тектоническими движениями, колебаниями тем­пературы, силой тяжести и другими причинами. Процессы внеш­ней динамики Земли также порождают деформации геологических тел, но они имеют резко подчиненное значение. Деформации гор­ных пород в земной коре представлены чрезвычайно разнообразными структурными формами.

Характер деформации горной породы определяется следующими

основными факторами: 1) величиной и длительностью нагрузки, испытываемой горной породой, 2) отношением самой породы к этой нагрузке, 3) высоким давлением и 4) высокой температурой боль­ших глубин земной коры. Действие внешних сил (нагрузки) и его результаты подчиняются законам механики и зависят от со­стояния и физико-механических свойств вещества Земли.

Из механики известно, что внешние силы, приложенные к фи­зическому телу, приводят к возникновению в 'нем внутренних сил, стремящихся уравновесить действие нагрузки. Такое тело находится в напряженном состоянии, а его внутренние силы прямо пропорциональны величине внешней нагрузки и назы­ваются напряжением. Мерой напряжения является нагрузка в килограммах, отнесенная к единице поперечного сечения (площади) тела.

Тело может испытывать всестороннее или одностороннее (направленное) действие внешних сил, и в этом случае говорят, что оно находится под нагрузкой, а его деформация может быть одно­родной (гомогенной) или неоднородной.

При однородной деформации точки тела, находившиеся на рав­ных расстояниях друг от друга и на параллельных .прямых до приложения к телу внешних сил, останутся на равных расстоя­ниях (хотя их величина может измениться) и на параллельных пря­мых (направление которых может отличаться от первоначального). При неоднородной деформации эти условия, нарушаются.

Простейшими видами нагрузок являются растяжение, сжатие, сдвиг механический, изгиб и кручение (рис. 5).

Рис. 5. Главные виды нагрузок и деформаций тела

1 - растяжение; 2 - сжатие; 3 - сдвиг механический; 4 - упругий изгиб; 5 - кру­чение

Нагрузки и выз­ванные ими деформации твердого тела подразделяются на одно­родные, когда тело испытывает одинаковое изменение формы и объема, и неоднородные, когда в разных местах тела деформация оказывается различной. Например, при изгибе на выпуклой сто­роне пластины происходит растяжение, на внутренней - сжатие и лишь вдоль средней зоны пластины (по нейтральной линии) нет ни растяжения, ни сжатия (в этой зоне деформация прояв­ляется лишь в изменении формы тела).

Среди внешних сил, вызывающих деформации тел, выделяют силы растяжения, силы сжатия и пару сил, или вращательные силы. Силы растяжения-сжатия (их нередко рассматривают как один вид сил) действуют по одной прямой линии либо в разные стороны, либо направлены навстречу друг другу. Пара сил со­стоит из двух равных сил, действующих в противоположном на­правлении, в одной плоскости, но не вдоль одной линии. Теорети­чески любой вид деформации может быть сведен только к сжимаю­щему (растягивающему) усилию, ориентированному по трем взаимно перпендикулярным направлениям - главным осям напря­жений. Деформации эти не равны и характеризуют собой эллип­соид деформаций - воображаемую (бесконечно малую), трехмер­ную фигуру, полученную в результате деформации шара (рис. 6).

Рис. 6. Эллипсоид деформаций.

1 - модели шара (а), деформированного в эллипсоид (б), по в. В. Белоусову; 11 - деформация модели из проволочной сетки (а, б, в), по Ч. Лизсу.

Оси: а-а, А - длинная; б-б, В - средняя; с-с, С - короткая

Всякая направленная внешняя сила в произвольной плоскости тела по правилу параллелограмма сил (как равнодействующая) может быть разложена на два составляющих вектора: один из них направлен нормально (перпендикулярно) к площадке (к плос­кости соприкосновения), другой - тангенциально, т. е. в плос­кости площадки. Иначе говоря, в каждом теле под влиянием общего напряжения создается, с одной стороны, нормальное напря­жение - σ, с другой - тангенциальное, или касательное - τ, как это показано на проекции произвольно выбранной площадки MN на рис. 7.

Рис. 7. Схема векторов напряжения при одноосном растяжении

В зависимости от характера напряжений различают три типа деформаций: упругие, пластические и разрывные. Когда тело подвергается действию силы, то сначала возникает упругая де­формация, при которой временно изменяющиеся форма и объем тела восстанавливаются с прекращением внешнего воздействия.

При дальнейшем нарастании напряжения за пределом упругости тела появляется пластическая деформация, которая характери­зуется остающимся после снятия силы изменением формы и объема тела без нарушения сплошности материала. Наконец, когда увеличивающееся действие силы превысит предел прочности материала, пластическая деформация переходит в разрывную, заключающуюся в разрыве сплошности, разрушении исходного материала.

Такая простая и закономерная в идеальных условиях последовательность деформаций в природной обстановке часто нарушается. В горных породах деформации редко проявляются в своем «чи­стом виде», так как по разным причинам накладываются друг на друга, действуя одновременно или в аномальной последователь­ности. Это зависит от многих факторов, прежде всего от физико­механических свойств пород, способа деформации, времени, тем­пературы и др. Так, например, в хрупких, жестких породах уп­ругая деформация большей частью не может разрешиться пластическим путем и сразу же переходит в разрывную. С другой стороны, породы, которые мы привыкли считать хрупкими, жесткими (на­пример, известняки, песчаники или даже базальты), в условиях длительного (в геологическом смысле) действия направленной силы, малой скорости движения или при всестороннем сжатии ве­дут себя как пластичные тела, т. е. изгибаются в складки с раз­рывами и без разрывов. Наоборот, при относительно кратковре­менной и достаточной для разрыва нагрузке в различных по фи­зико-механическим свойствам породах появляются лишь много­численные трещины, т. е. нарушается сплошность материала без видимых явлений пластического течения вещества. Соль или лед, например, ведут себя двояко: при ударе раскалываются, кро­шатся, а при более или менее длительном направленном давлении текут, как смола (соль - в соляных куполах, лед - при движе­нии в ледниках). В условиях высокого давления и высокой тем­пературы, характерных для зон геосинклинальной складчастости или для больших глубин, это свойство проявляется и у других горных пород. Физическую сущность и направленность подобных превращений горных пород раскрывает теория упругой и оста­точной (пластической и разрывной) деформаций.

Упругая деформация характеризуется прямолинейной зависимостью между нагрузкой и упругими (обратимыми) деформациями, т. е. такими, которые при снятии нагрузки исчезают и тело полностью восстанавливает свою первоначальную форму и объем. Согласно закону пропорциональности (закон Гука), величина упругой деформации пропорциональна напряжению. Механизм процесса заключается во временном смещении частиц материала, которые при­нимают прежнее равновесное состояние, как только снимается нагрузка. В теле создается равновесие между внешними силами и силами сопротивления. Однако оно может существовать лишь до определенного предела - предела пропорцио­нальности, иначе, предела упругости, еще иначе, предела текучести. Этот предел определяется коэффициентом упругости и зависит, прежде всего, от агрегатного состояния вещества и состава деформируемого материала.

Пластическая деформация осуществляется через упругую деформацию, связана с касательным напряжением в сложно напряженном деформированном теле и возникает в тот момент, когда касательное напряжение достигает предела текучести по сдвигу. Физическая сущность пласти­ческой деформации состоит в трансляции, т. е. в скольжении одних частиц (слоев) тела относительно других в плоскости касательного (скалывающего) напряжения, направленного под углом 45° к главным осям эллипсоида (обычно к одной или двум из них). В процессе скольжения частицы занимают новые места и остаются на них, т. е. находят новое состояние равновесия после снятия силы (рис. 8).

Рис. 8. Схема смещений тончайших пластинок в проволоке (а) и разрыв медного стержня с обра­зованием «шейки» (6) при растяжении

Другое отли­чие пластической деформации от упругой состоит в том, что она пропорциональна не только прило­женным к ней силам, но и длительности этих сил. При относительной кратковременности процесса пла­стическая деформация может осуществляться в усло­виях, когда напряжение превышает предел упругости. Если же процесс деформирования тела развивается в течение длитель­ного времени, то пластическая деформация происходит при нагрузках, не пре­вышающих предела упругости. Этот кажущийся парадокс объясняет теория ре­лаксации и ползучести твердых материалов. Явление релаксации состоит в том, что при постоянной величине достигнутой и сохраняемой продолжительное время деформации тела нагрузка, необходимая для поддержания этой деформа­ции, снижается, а напряжения (внутренние силы) в теле уменьшаются (рассеи­ваются). Ползучесть (медленная текучесть) Отличается медленным нарастанием во времени пластической деформации при устойчивых напряжениях ниже пре­дела упругости. Если, например, многократно растягивать пружину или резину или на длительное время закрепить их в растянутом положении, то они ослаб­нут, вытянутся. Здесь часть упругой деформации перейдет в пластическую, хотя для этого потребуется относительно небольшое усилие. В масштабе геологи­ческого времени релаксация и ползучесть играют очень большую роль, объяс­няя формирование складчатости не только в пластичных, но и в жестких породах при слабых тектонических движениях (платформенные складки, некоторые типы геосинклинальных складок).

Следует иметь в виду, что тела могут испытывать неоднородные, так называ­емые упруго-пластические деформации, при которых одни их части будут под­вергаться упругим, а другие - пластическим деформациям.

Разрывная деформация, или разрушение твердого тела, происходит при пре­одолении нагрузкой предела его прочности. Интенсивность напряжений в этой конечной стадии деформационного процесса настолько велика, что вдоль опре­деленных направлений (поверхностей) нарушаются связи между частицами ве­щества (в том числе могут разрушаться его кристаллические решетки) и в теле появляются тончайшие и крупные трещины. Есть два пути перехода к разрывной деформации: по «классической» (полной) схеме, когда разрушение наступает то­лько после пластической деформации, и по «сокращенной» схеме - сразу же за упругой деформацией.

В соответствии с механизмом разрушения твердого тела су­ществует два рода трещин: трещины скалывания (см. рис. 8, б и рис. 9) и трещины отрыва (рис. 10).

Рис. 9. Схема образо­вания трещин отрыва и скалывания. П∂ - продольный изгиб; Пп – поперечный изгиб

Рис. 10. Схема хрупкого разрушения при растяжении (а), сжатии (6) и сдвиге (в). По А. Е. Михайлову

Трещины ска­лывания при сжатии или растяжении ориентируются вдоль мак­симального касательного напряжения, т. е. теоретически под углом 45° к оси внешних сжимающих и растягивающих сил (об­разуется две системы трещин по обе стороны от оси). Однако в связи с внутренним трением, особенностями структуры и другими причинами в горных породах этот угол обычно меньше своего теоретического значения и колеблется в пределах 30-45°. Тре­щины скалывания при сдвиге тоже образуют две системы: одну (главную), вытянутую вдоль линий пары сил, и вторую (второсте­пенную), перпендикулярную к этому направлению. Трещины отрыва располагаются нормально к растяжению и параллельно сжатию или под углом 45° (при сдвиге) к направлению внешних сил. Большинство разрывных смещений в земной коре образуется путем вязкого скалывания, тогда как в зонах трещиноватости преобладают трещины отрыва.