книги из ГПНТБ / Джавадов, Д. М. О некоторых явлениях, происходящих во взаимодействующих телах

На рис. 14 также хорошо видны концентрические валы и углубления, а в верхней части обнажения — половина скорлу­ пы со сферической поверхностью.

Из рис. 11, 12 и 13 ясно, что ширина и высота концентри­ ческих валов и углублений от их центра к периферии увеличи­ ваются. Следовательно, поверхность этих валов- и углублений на плоскости, рассекающей их поперек, по очертанию будет в виде волнообразной линии, где ширина и амплитуда этих ва­ лов и углублений от их центра к периферии будут увеличи­ ваться, как на рис. 15. Поскольку эти концентрические валы и углубления являются трещинными поверхностями, в данном случае трещины будут иметь строение, подобное волнообраз­ ным линиям, приведенным на рис. 15.

Рис. 15. Схема поперечного разреза волнистой тре­ щинной поверхности

Кроме указанных концентрических трещин осадочных пород, встречаются концентрические трещины изверженных пород, т. е. изверженные породы, так же как и осадочные,“ посредством концентрически расположенных сферических -тре­ щинных' поверхностей разбиваются на концентрические скорлу­ пы. Именно эти концентрические скорлупы составляют так называемые шаровые отдельности. На поперечном сечении, ша­ ровых отдельностей указанные трещины со сферической поверх^ мостыо составляют концентрические трещины. В осадочных породах они образуют екорлуповатые отдельности, а в извер­ женных — шаровые отдельности. В осадочных породах, за исключением пластичных глин, скорлупы составляют тектони­ ческие отдельности, как на рис. 3 (мергель), 4а и б, а в извер­ женных — только шаровые отдельности.

Шаровые отдельности и скорлуповатое строение их стано­ вятся видимыми после выветривания горной породы, когда по невидимым или концентрически расположенным сферическим поверхностям растворы проникают в породу и разрушают .ее по этим поверхностям. На рис. 16 показано обнажение долерита; хорошо видно строение скорлупы.

При падении камня на стекло в последнем часто возникают две системы трещий. Трещины одной системы от места паде­ ния камня расходятся в радиальном направлении, а .трещины другой — окаймляют место падения камня в виде концентри­ ческих кругов; здесь расстояния между последними по мере удаления от места падения камня увеличиваются (рис. 17).

20

Рис. 16. Шаровые отдельности долеркта в Квішсфери, Англия; рисунок из книги И. В. н

Д. И. Мушкетовых [27]

Рис. 17. Схема радиальных и Рис. 18. Трещины, возникшие при земконцентрических трещин летрясении в 1783 г. в гор. Джеркорн в

Англии (рисунок из книги И. В. Мушкето-

ва [26])

21

Подобные трещины возникают и в горных пород-ax над очагом землетрясения. Трещины, возникшие над очагом землетрясе­ ния, показаны на рис. 18. На наш взгляд, трещины, приведен­ ные на рис. 18, также следует отнести к тектоническим трещинам.

§ 3. Положение эллипсоида деформации в слоях горных пород по Г. Беккеру и фактически

В конце прошлого столетия, с целью наглядного анализа видов пластической деформации горных пород, Г. Беккер ввел в геологию понятие об эллипсоиде деформации [39], который играет большую роль в современном учении о геотектонике.

Исходным положением теории Г. Беккера является то обстоятельство, что при однородной деформации изотропного (или статически изотропного) тела шар, вписанный вначале в данное тело, переходит в общем случае в трехосный эллип­ соид. Э^гот эллипсоид, получающийся в результате деформации из вписанного вначале в данное тело шара, Беккер назвал эллипсоидом деформации, а осп его осями деформации. Самую длинную из них Г. Беккер условно обозначил А, а среднюю — В и самую "короткую — С (А, В, С). Г. Беккер допускает, что в процессе деформации ось,В не изменяется, т. е. остается все время равной радиусу шара. Поэтому подобную деформацию он. называет плоской деформацией.

Плоская деформация по Г. Беккеру. Если кубик какогонибудь твердого вещества подвергается сжатию при помощи сил, равномерно распределенных по плоскостям двух противо­ положных граней, п-в то же время растягивается такими же силами в направлении, перпендикулярном к линии действия двух первых сил, то возникающее при этом изменение формы кубика называется чистым сдвигом.

Очевидно, эта деформация, выразится в удлинении в нап­ равлении растягивающих сил и в сжатии в направлений, пер­ пендикулярном к первому. При этом не происходит изменения первоначального объема, а-линии, перпендикулярные к .плос­ кости действующих сил (к плоскости чертежа), не изменяют ни-своей длины, ни направления [39].

Следовательно, в результате подобного сжатия куб превра­ тится в параллелепипед, а мысленно помещенный в кубик шар, в общем случае—в трехосный эллипсоид. При этом, исходя из понятия чистого сдвига Г. Беккера, объем параллелепипеда останется равным объему кубика, а объем трехосного эллипсо­ ида—объему шара, и оси А, В, С трехосного эллипсоида будут равны соответствующим осям параллелепипеда. Одновремен­ но ось В будет равна радиусу шара.

22

Направление сжимающих и растягивающих сил и срез мысленно помещенного в кубик шара на плоскости симметрии сжимаемого куба будут как на рис. 19а. Направление этих же сил и срез трехосного эллипсоида, полученного от сжатия шара, на плоскости симметрии параллелепипеда, полученного от сжатия куба, будут как на рис. 196.

•Рис. 19. Чистым сдвиг по описанию

Г.Беккера (из книги А. Пэк [39]):

рис. 19а, будут равны соответственнее площадям прямоуголь­ ника и эллипса, приведенным на рис. 196.

Из сферической геометрии известно, что у трехосного эллипсоида имеется два центральных круговых сечения. Последние аналогичны круговым ' сечениям оптической индикатриссы, известным каждому петрографу.

Г. Беккер считает, что в процессе сжатия горных, пород механизм деформации сводится к скольжению относительно друг друга тончайших пластинок, ограниченных круговыми сечениями эллипсоида деформации. Далее Г. Беккер указы­ вает, что эти круговые сечения должны быть плоскостями, в которых действуют исключительно тангенциальные (скалы­ вающие) напряжения, так как если бы эти силы имели по отношению к ним нормальную составляющую, то произошла бы деформация и в ином направлении [39].

В. В. Белоусов [4] замечает, что «в геологической обстанов­ ке деформации всегда бывают трехосными, но часто они приб­ лижаются к плоским». Так, если порода подвергается горизон­ тальному сдавливанию, то растяжение происходит преиму­ щественно в вертикальном направлении («вверх»). Поэтому В. В. Белоусов отмечает, что «в своих суждениях Г. Беккер для простоты ' рассматривает случай именно плоской деформации».

Исходя из понятия плоской деформации по Г: Беккеру, В. В. Белоусов считает, что .«круг при плоском сжатии превра­ щается в эллипс. Он разделяется при этом на четыре сектора. Два из них, лежащие друг против друга по направлению давления, подвергаются сжатию и как бы вдвигаются внутрь рисунка. Два других, лежащие друг против друга по направле­ нию максимального растяжения, испытывают растяжение н как бы выдавливаются из рисунка.

Две пары секторов разделяются нейтральными линиями,

23

вдоль которых никаких изменений (ни сжатия, ни растяжения) не происходит. Эти линии сохраняют длину первоначального диаметра круга н разделяют участки с противоположными^ направлениями движения: по одну сторону линии движение направлено внутрь рисунка, к ее центру, по другую — наружу,

Рчс. 20. Срез эллипсоида дефор­ мации по плоскости максимального удлинения и расположения скалываю­ щих сил у круговых сечений эллип­

соида по Г. Беккеру (из книги А. Пэк

[3?])

от центра» (рис. 20). Далее В. В. Белоусов указывает: «пере­ ходя к эллипсоиду деформации, мы увидим, что рассмотренная нейтральная линия представляет собой не что иное, как пересечение кругового сечения эллипсоида с плоскостью чертежа» (см. рис. 20). Отсюда следует, что если слой мыслен­ но разбить на бесчисленное множество кубиков и в каждый кубик вписать шар, то при сжатии эти шары будут превращены в эллипсоиды. Поверхности круговых сечений этих бесчислен­ ных эллипсоидов, по изложению В. В. Белоусова, являются поверхностями, по которым происходит дифференциальное движение внутри слоя. В. В. Белоусов указывает, что по каж­ дой такой поверхности движение по одну сторону в одном нап­ равлении, а по другую — в противоположном (см. рис. 20). По мнению В. В. Белоусова, в данном случае в этом и состоит механизм пластической деформации.

Положение эллипсоидов деформации и двух взаимно пересекающихся систем трещин, по описанию В. В. Белоусова, мы приводим на рис. 21а и б.

Рис. 21. Положение двух систем трещин и эллип­ соидов деформации по описанию В. В. Белоусо­

ва:

а — на плоскости наслоения; б — на поперечном сечении слоя

24

Ограничимся вышеизложенной теорией Г. Беккера, по­ скольку при изучении трещинной тектоники она лежит в ос­ нове деформации горных пород [4, 39]. В процессе изучения механизма образования трещин нам пришлось рассмотреть все существующие теории о пластической деформации. На первый взгляд, теория Г. Беккера — наиболее реальная тео­ рия. Результаты проведенных экспериментов и направления режущих сил при скалывании как будто полностью соответ­ ствуют теории Г. Беккера. Так, А. Надаи [32] на одной грани образца парафина кубической формы нацарапал резцом на токарном станке желобки округлого очертания, центр кото­ рых соответствовал центру грани куба. После деформации желобки округлого очертания приняли форму эллипса, и по диагоналям квадрата появились трещины. Г. Клоос [4] на одной грани кубика, изготовленного из глины, нацарапал ок­ руглый желобок. После деформации круг принял форму эл­ липса, и появились две системы трещин, сконцентрированные внутри эллипса (рис. 22) и т. д.

Рис. 22. Круглый желобок на грани гли-

,няного кубика, превращенный в эллипс; две системы трешнн внутри последнего (из кни­ ги В. В. Белоусова [4])

Из изложенного Беккером, Крюосом и Белоусовым сле­ дует, что эллипсы, полученные от сжатия указанных кругов, являются сечениями эллипсоидов деформации.

Таким образом, из теории Г. Беккера и результатов экспе­ риментов видно, что режущие силы' при нарушении сплош­ ности тела будто бы расположены по обеим сторонам круго­ вых сечений эллипсоида деформацйи. В сжимающих квад­ рантах они стремятся центру эллипсоида,, а в выдавливаю­ щих— от центра (см. рис. 20).

25

В процессе изучения трещиноватости горных пород у нас возникло сомнение в образовании трещин по теории I . Бек­ кера. Если допустить, что при подобной плоской деформации эллипсы, полученные от сжатия кругов, являются сечениями эллипсоида деформации, то смещение частиц данного тела должно происходить „от короткой оси эллипсоидов по’ нап­ равлению к длинной, как это изображено Г. Беккером гори­ зонтальными стрелками на рис. 19. Очевидно, при подобном смещении частиц по круговым сечениям указанного эллип­ соида, наверняка, никаких скалывающих сил нс появится. Следовательно, если на рис! 196 направлению смещения (ус­ корения) частиц соответствует направление горизонтальных стрелок, то нет оснований для появления скалывающих сил по круговым сечениям эллипсоида деформации, как это по­ казано на рис. 20. Для того, чтобы скалывание произошло по круговым сечениям эллипсоида деформации, направления сме­ щения частиц в процессе деформации должны соответствовать направлениям стрелок, приведенных на рис. 20, что находится в полном противоречии с теорией Г. Беккера. В связи с ука­ занным коренным противоречием в теории Г. Беккера у нас возникла мысль заняться экспериментальным изучением про­ цесса деформации. Поскольку для проведения эксперимен­ тов в лаборатории не было условий, мы решили пользовать­ ся богатой тектонической лабораторией природы, располо­ женной на всем протяжении Большого Кавказского хребта. С этой целью были организованы экскурсии для изучения процесса деформации в породах с различным литологичес­ ким составом. Изучение проводилось в районе юго-вос­

рйтмичным чередованием известняков, аргиллитов и плотных глин. Эти породы деформировались в одинаковых тектониче­ ских условиях. На указанных обнажениях в результате дей­ ствия тангенциальных сил слои известняков, аргиллитов и плотных глин разбиты на тектонические отдельности. В се­ редине каждой тектонической отдельности некоторых слоев плотных глин, не сильно затронутых выветриванием (при ударе геологическим молотком разделяются параллельно плоскости наслоения), мы обнаружили две скорлупы, поверх­ ности которых ограничивались поверхностью' трехосных эл­ липсоидов, один из которых больше другого.

На рис. 23а приведена часть тектонической отдельности, в середине которой имеются две характерные скорлупы с по­ верхностью трехосного эллцпсопд'а. Очертания части текто­ нической отдельности и очертания скорлупок с поверхностью

26’.

о

о

с

4

ч

СП

27

.грехосных эллипсоидов приводятся на рис. 236. Очевидно, если в процессе деформации частицы, находящиеся под оди­ наковым напряжением, ограничивают поверхность эллипсои­ да, то такая поверхность будет называться эллипсоидом де­ формации. Поскольку на рис. 23а поверхность скорлупок ог­ раничивается поверхностью■трехосных эллипсоидов, т. е. на­ рушение сплошности пород внутри тектонической отдельности при тектонических процессах произошло по прверхности трех­ осных эллипсоидов, с полной несомненностью мы мозкем быть убеждены в том, что частицы, ограничивающие поверхности трехосных эллипсоидов на рис. 23а, в процессе деформации находились под одинаковым напряжением. В противном слу­ чае нарушения сплошности породы по этим поверхностям не произошло бы. Следовательно, поверхности скорлуп (боль­ шой и малой), приведенных на рис. 23а, соответствуют по­ верхностям эллипсоидов деформации. Поэтому в дальнейшем будем их называть не скорлупами, а окаменевшими эллип­ соидами деформации пли же эллипсоидами деформации.

Из рис. 23а видно, что в процессе возникновения эллип­ соидов деформации сжатие произошло по направлениям ко­ ротких осей эллипсов, приведенных на рис. 236. Поэтому не приходится сомневаться в том, что средние оси эллипсоидов деформации расположены перпендикулярно к плоскости ри­ сунка. Следовательно, эллиптические очертания эллипсоидов деформации ('большой, и малый эллипсы), приведенных на рис. 236, расположены перпендикулярно к средним осям ука­ занных эллипсоидов деформации. Поэтому, если соединить точки пересечения крута, равновеликого малому эллипсу, вкрест, то полученные лийни АА и ББ будут соответствовать круговым сечениям малого эллипсоида деформации, средняя ось которого равна диаметру равновеликого малому эллип­ соиду деформации шара.

На рис. 236 видно, что поперечные сечения граней текто­

параллельно круговым сечениям малого ■эллипсоида дефор­ мации, а не, по круговым сечениям последнего, как это пред­ полагал Г. Беккер. Следовательно, эллипсы, полученные от сжатия кругов, приведенных на рис. 19, 20, 21а, б и 22, не являются сечениями эллипсоида деформации.

Наличие двух (большого и малого) эллипсоидов дефор­ мации в тектонической отдельности на рис. 23а указывает на то, что данная порода подвергалась сжатию по двум направ­ лениям. Вначале сжатие произошло по направлению силы Я. При этом возник большой эллипсоид деформации, а предел

;28

Рис. 24. Эллипсы деформации:

прочности породы не был достигнут. Поэтому трещины, рас­

породы был достигнут, и поэтому поперечные сечения трещин, т. е. линии БГ и ГС, расположены параллельно круговым сечениям малогс; эллипсоида деформации — линиям АА и ББ. Как видно из рис. 23а и б, эллипсоиды деформации сдвинуты по рисункам влево. Это означает, что при сжатии толкающие силы были расположены слева (по рисунку); на рис. 236 они указаны стрелками Р и Q.

На юго-восточном окончании Большого Кавказа, на Сум­ гаитской гряде, в глинах юнусдагской свиты (сантон—нижний кампан) встречаются слои со скорлуповатой текстурой. На поперечном сечении скорлупок этих глин'часто имеются кон­ центрические валы и углубления. На рис. 24а приводится один из образцов, взятых из этих слоев, с концентрическими валами и углублениями. Контуры последних представлены

29