2. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ТЕКТОНИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ

...Никакаяинструкциянеможетперечислитьвсехобязанностей должностного лица, предусмотреть все отдельные случаи и дать вперед соответствующие указания, а потому господа инженеры должны проявить инициативу и, руководствуясь знаниями своей специальности и пользой дела, прилагать все усилия для оправдания своего назначения.

Циркуляр Морского технического комитета № 15 от ноября 29 дня 1910 года

Отличия деформаций и разрушений, с которыми имеют дело физики и инжене- ры-конструкторы, от тех, что происходят в геологической среде, определяются дли­ тельностью тектонических процессов, достигающей миллионов лет, и особенностью приложения сил. В результате резко неоднородного строения геологической среды возникает такое же неоднородное распределение напряжений в ней и вследствие это­ го - неоднородные тектонические деформации, обусловленные сложным взаимодейс­ твием различных деформационных механизмов.

Чтобы согнуть пачку листов бумаги или колоду игральных карт, достаточно весь­ ма небольших усилий и нескольких секунд. Точно так же «мысленно» можно согнуть пачку переслаивания песчаников и алевролитов, хотя интуитивно понятно, что меха­ низмы здесь должны быть другими (это не бумажные листы, легко проскальзываю­ щие друг относительно друга), иным должен быть способ приложения сил, и время потребуется значительно большее (иначе терригенная пачка просто «сломается»). В механике, каким бы сложным объектом не представлялась любая конструкция, ее про­ чностные характеристики могут быть рассчитаны, а свойства материалов изучены с учетом неоднородностей их строения. При изучении тектонических деформационных процессов мы наблюдаем конечный структурный результат, итоговую картину того, что происходило много миллионов лет назад в объемах, занимающих сотни и тысячи кубических километров. Какими силами создана столь сложная картина, как устано­ вить последовательность ее формирования, сколько времени на это потребовалось, каковы были напряжения и к каким по величине деформациям они привели?..

Как правило, вопросов больше, чем ответов. В природе не существует тождествен­ ных повторений, а мы не располагаем временем и «подходящей» моделью для тако­ го эксперимента. Эта особенность характерна для многих геологических дисциплин: исторической геологии, литологии, петрологии и др. Наличие современных аналогов структурообразования и возможности их изучения ограничены, а экстраполяция та­ ких наблюдений на процессы геологического прошлого всегда требует корректировок и введения поправок. Главная задача структурного анализа - полное и достоверное описание элементов строения (структуры) и восстановление по этому структурному результату особенностей деформационного процесса. Такая обратная задача может быть решена с разной степенью детальности и достоверности различными методами структурного анализа.

40 Глава 2

2.1. От морфологии к генезису

Предметом структурной геологии является изучение форм залегания горных по­ род в земной коре [Ажгирей, 1956; Белоусов, 1986]. Структурная геология является разделом геотектоники. Традиционно сложилось так, что в курсе структурной гео­ логии большее внимание уделяется изучению морфологии геологических структур, тесно связанному с геологическим картированием, а генетические разделы структурообразования освещаются гораздо более скупо. Сведения о механизмах структурообразования и методах их изучения во многих учебных заведениях включаются в спе­ циальные курсы («Тектонофизика», «Структурная геология сложнодислоцированных комплексов», «Структурная петрология» и др.).

Цель структурного анализа - изучение строения и структурной эволюции опреде­ ленного сегмента земной коры, имеющего естественные пространственные ограниче­ ния. Таким сегментом может быть тектоническая зона, интрузивный массив, складка, зона дислокаций, сутура. При изучении слагающих данный сегмент структурных эле­ ментов прежде всего проводится морфологический анализ: описание геометрии гео­ логических тел, их пространственного положения и соотношения друг с другом. Гео­ логическое картирование является тем инструментом, который позволяет установить строение данного участка земной поверхности и экстраполировать эти сведения на глу­ бину (иногда, опираясь на данные геофизических исследований и бурения, достаточно уверенно). Геологическая карта представляет собой строгую фактическую основу, гео­ логический документ, генерализованное отображение собранных данных в выбранном масштабе. В ходе геологического картирования фиксируется огромное количество ин­ формации, которое не может быть полностью отображено на карте. При специальном геолого-структурном картировании насыщенность карты дополнительной нагрузкой возрастает, однако часть информации, которая имеет непосредственное отношение к структурному анализу, не отражается на карте и все же «теряется». Улучшить ситуацию можно за счет более детального картирования ключевых участков и обнажений, при­ влечения статистических методов обработки данных для определения закономернос­ тей ориентировок структурных элементов - все это позволяет с большей детальностью и достоверностью понять геологическое строение данного участка земной коры.

Из морфологических методов будет более или менее подробно рассмотрен только метод анализа ориентировок структурных элементов с применением стереографичес­ ких проекций [Очеретенко, Трощенко, 1978; Родыгин, 1992; Groshong, 2006; Ramsay, Huber, 1987] (см. разд. 2.2), результаты которого широко применяются в структурном анализе. К другим морфологическим методам относятся собственно геологическое картирование и используемые при картировании методы построения геологических разрезов, структурных поверхностей, оценки мощностей в косых пересечениях и проектирования на планы и разрезы, ЗБ-анализ. Морфологический анализ структур имеет широкое практическое применение при разведке месторождений полезных ис­ копаемых и в нефтяной геологии [Groshong, 2006].

Кинематический анализ изучает движения и деформации горных пород. Полный кинематический анализ предполагает знание (или возможность реконструкции) про­ странственного положения и состояния объекта до деформации. Иными словами,

нужно оценить направление перемещения, вращение и изменение формы (определить эллипсоид деформации). Исходные данные не всегда позволяют провести такой все­ объемлющий кинематический анализ, и нередко приходится иметь дело с отдельны­ ми его составляющими. Важной задачей кинематического анализа является установ­ ление направления перемещения по разрывным нарушениям, а также ориентировок осей эллипсоида и величины деформации. Определение эллипсоида деформации про­ водится методами стрейн-анализа.

Динамический анализ (или стресс-анализ) устанавливает взаимосвязи между кинематической картиной и вызвавшими ее силами, т.е. призван определить направ­ ление и (по возможности) величину действовавших сил (напряжений). Задачи дина­ мического анализа еще более сложны, и даже полное знание кинематики не всегда дает достаточную информацию для реконструкции напряженного состояния и оценки величины напряжений.

Структурный анализ и его морфологическая, кинематическая и динамическая составляющие, уточняя и углубляя знание о морфологии геологических структур, позволяют реконструировать и охарактеризовать (качественно, а в ряде случаев и ко­ личественно) процессы структурообразования. Методы структурного анализа много­ численны. Некоторые из них носят более общий характер, другие применимы только

кчастным структурам и имеют много существенных ограничений. Здесь хотелось бы обратиться только к основным методам, на которых базируются современные пред­ ставления о деформациях в геологической среде, а также определить общие методо­ логические подходы к анализу деформационных геологических структур.

Решение задач кинематического и динамического анализов основано на исследо­ вании механизмов деформации горных пород (см. гл. 4). В зависимости от термодина­ мических условий и условий нагружения в одних и тех же породах протекают разные деформационные процессы, которые могут быть установлены на основе петротектонического, или микроструктурного анализа (см. гл. 5). Широкое внедрение методов электронной микроскопии в петротектонический анализ и совершенствование экспе­ риментальной базы в опытах по деформации горных пород в последние годы привело

ксущественному прогрессу в данном направлении.

Наиболее полно и последовательно взаимосвязи между морфологией, кинемати­ кой и динамикой структурообразования изучаются тектонофизикой. Лабораторные, численные и «природные» эксперименты позволяют наблюдать и изучать эволюцию структур с заданными или известными параметрами напряжений и определять про- странственно-временные взаимосвязи кинематических и динамических параметров в процессе структурообразования.

В геологической среде нельзя искусственно вычленить какой-либо один струк­ турный элемент, вырвать его из общего контекста и рассматривать отдельно. Как правило, структурные элементы образуют сочетания (ассоциации, ансамбли, ряды) структур, отражающие эволюцию данного сегмента земной коры. Обоснованное вы­ деление таких сочетаний, или структурных парагенезов, и комплексная интерпрета­ ция стадийности и этапности их формирования, их пространственной латеральной и вертикальной изменчивости проводятся в рамках структурного парагенетического анализа (см. разд. 2.6, 3.6, гл. 9).

Задачи структурного анализа в общем случае решаются несколькими группами ме­ тодов: экспериментальными, в которых выводы об условиях образования структур и их эволюции базируются на результатах моделирования природных деформационных процессов; морфологическими, позволяющими реконструировать пространственное положение структурных элементов на основе статистического анализа, интерполяций и экстраполяций; генетическими и (или) парагенетическими, в которых совокупность данных геологических наблюдений лежит в основе кинематических, динамических и эволюционных реконструкций структурообразования. В рамках структурного анализа эти методы тесно взаимосвязаны, поскольку выводы генетического анализа опираются на экспериментальные данные, а условия экспериментов обычно задаются с целью изучения определенного процесса структурообразования (например складчатости) или определенной тектонической ситуации (например рифтогенеза). Основы этих методов рассмотрены ниже. Кроме того, к различным вариантам применения этих методов и их модификаций мы будем неоднократно обращаться в последующих главах.

2.2.Анализ ориентировок структурных элементов

сиспользованием стереографических проекций

Стереографические проекции являются простым и удобным средством геометри­ ческого анализа ориентировок структурных элементов. Использовать их в кристал­ лографии предложил Е.С. Федоров (1901), чтобы «с графической точностью изоб­ ражать на бумаге угловое пространственное положение кристаллических граней и ребер» [Родыгин, 1992]. Позднее были разработаны основные методы и приемы рабо­ ты со стереографическими сетками в структурной геологии [Очеретенко, Трощенко, 1978; Родыгин, 1992]. С появлением специализированных компьютерных программ работа со стереографическими проекциями значительно упростилась, что не отменя­ ет требований к пониманию главных принципов их построения.

Линейные и плоскостные структурные элементы ориентированы в пространстве, и для однозначной фиксации их положения измеряют элементы залегания - азимут простирания, а также азимут и угол падения (для плоскостных элементов) или погру­ жения (для линейных структур).

Для графического представления ориентировки плоскости или линии удобно ис­ пользовать сферу. Если поместить воображаемую сферу так, чтобы через ее центр проходила измеряемая линия, то точка, где эта линия «прокалывает» сферу, будет определять ее пространственное положение графически. «Сохраняя» пространствен­ ную ориентировку сферы, не вращая ее относительно горизонта и сторон света, мы сохраним информацию об ориентировке линии по положению точки «прокола». Пос­

кольку основная форма представления

висят от свойств проекции (рис. 2.1). В спроектированном виде сфера представляет собой круг, ориентировка линии на котором будет графически однозначно определена положением точки пересечения линии и сферы.

Аналогичным образом положение любой плоскости можно определить линией пересечения этой плоскости с поверхностью сферы, центр которой лежит в данной плоскости. При проектировании линия пересечения плоскости и сферы превратится в дугу (проекцию дуги большого круга). Для удобства отображения совокупности плос­ костей обычно используют точку полюса плоскости, или проекцию нормали (линии, ортогональной этой плоскости). Если вернуться к воображаемой сфере, центр которой лежит в измеряемой плоскости, то полюсом плоскости будет точка «прокола» прямой, ортогональной плоскости и проведенной через центр сферы (см. разд. 7.2).

Проекция на плоскость сферы и нанесенных на нее условных меридианов и па­ раллелей называется сеткой (рис. 2.2). В зависимости от способа проектирования сет­ ка может быть нормальной (или полярной - взгляд на сферу со стороны полюса), поперечной (экваториальной - взгляд на сферу со стороны экватора) и косой (взгляд на сферу с произвольной точки).

резокNAl9равный хорде NAV соответствующей углу 90°. Через точки Ахи А2проводится прямая до пересечения с нижним продолжением вертикального диаметра. Точка пересечения является точкой зрения проекции S.

Отображение структурных элементов в виде стереографических проекций является простым графическим спо­ собом представления их ориентировок. Если спроектировать некоторый линейный элемент (например, шарнир складки/ на обоих рисунках), проходящий через центр воображаемой сферы, точка «прокола» сферы /, спроек­ тированная на плоскость в виде точки /р, сохраняет информацию об ориентировке линии в пространстве, если зафиксирована ориентировка проекции относительно сторон света и известен способ проектирования (положе­ ние точки /р на рис. а и б неодинаково, поскольку способ проектирования различен).