Фізичні умови деформації гірських порід

 

Гірські породи в земній корі знаходяться під дією різних сил, які викликають в них протидію. При досить значній величині навантаження в гірських породах з’являються деформації, тобто зміни форми і рельєфу в результаті силової і термічної дії. При безперервній дії навантаження за межами міцності в гірських породах спочатку утворюються тріщини, а потім відбувається їх руйнування.

При деформаціях частинки породи переміщаються одна відносно одної. При цьому породи можуть піддаватися розтягуванню, стискуванню, зсуву, згину, крученню та іншим видам деформації (рис. 6.1).

 

Рисунок 6.1 - Головні види навантажень і деформацій тіла:1 – розтягування; 2 – стискування; 3 – зсув механічний; 4 – пружний згин; 5- кручення

 

Розрізняють однорідну і неоднорідну деформації. Якщо всі частинки породи переміщуються з однією і тією ж величиною і в одному напрямку, деформація називається однорідною. При неоднорідній деформації частинки породи зазнають різної деформації або переміщуються в різних напрямках; наприклад, згин бруска, скручування циліндра. В геології ми маємо справу тільки з результатами неоднорідної деформації.

Всі, навіть дуже складні, деформації можна віднести до комбінації трьох простих видів:

- стискування;

- розтягування;

- зсуву

Деформації стискування і розтягування визначаються відношенням зміни довжини тіла в обраному напрямку до його первинної довжини в тому ж напрямку. Слід зауважити, що в геології стискування найчастіше супроводжуються не зменшенням довжини, а утворенням згинів (складок, флексур).

Зсув викликається двома силами, які діють в різних напрямках паралельно одна до одної. В геології цей вид деформації приводить до утворень розривів зі зміщенням.

Дія навантаження в тілах викликає внутрішню пружність – внутрішні сили, які з’являються в тілах (в нашому випадку – гірських породах) під дією зовнішніх сил.

 

Види деформації

 

У процесі деформації гірські породи можуть зазнавати три послідовні стадії – пружна і пластична деформації і руйнування. Під пружністю розуміють здатність тіл відновлювати свою першопочаткову форму і розміри після зняття сил, що викликають деформацію.

Всі положення теорії пружності базуються на законі Гука про пряму пропорційність між напругою і деформацією. Якщо деформація залишається після зняття навантаження, вона називається залишковою.

Пластичністю називається здатність тіла отримувати під дією навантаження залишкові деформації; тіла, які характеризуються такою здатністю називаються пластичними. Майже всі гірські породи в тій чи іншій ступені володіють пластичністю; при великих тисках і тривалому впливі можуть пластично деформуватись чи текти навіть такі породи, які за звичайних умов вважаються крихкими.

Механізм пластичної деформації полягає в тому, що пружна деформація, викликана тим чи іншим навантаженням, закріпляється шляхом перерозподілу частинок і прийняттям ними нового стійкого положення. При цьому напруги падають до величини, яка відповідає межі пружності.

Різні за складом гірські породи з глибиною ведуть себе по-різному. Так, основна маса осадових порід пластично деформується вже в умовах порівняно малих глибин (декілька кілометрів), тоді, як метаморфічні і магматичні породи навіть при тисках 500 Мпа і температурі 500⁰С, тобто на глибині коло 20км, ще не деформуються. Швидкість пластичної деформації визначається в’язкістю тіла. Остання являє собою властивість тіла виявляти опір при переміщенні однієї частини тіла відносно іншої, викликану внутрішнім тертям. Чим більша в’язкість, тим більший опір чинить тіло пластичній деформації. Здатність тіла до пластичної деформації і її швидкість обернено пропорційна в’язкості.

Пластичні матеріали і породи здатні витримати значну пластичну деформацію без руйнування. В крихких тілах, які мають малу швидкість і незначну ступінь залишкової деформації, безпосередньо за пружною деформацією настає руйнування. Таким чином, для пластичних тіл між межею пружності і межею міцності існує широкий інтервал, тоді як для крихких тіл обидві ці межі цілком або майже цілком співпадають. Важливими факторами деформації є повзучість і релаксація.

Повзучість – здатність гірських тіл (всіх без винятку гірських порід) пластично деформуватись при напругах нижче межі пружності на протязі певного часу. Якщо прикласти до тіла навантаження на межі пружності і зберігати його на протязі певного часу, деформація в тілах буде безперервно зростати, причому наростаюча частина деформації буде залишковою. Із повзучістю пов’язане утворення багатьох складок в гірських породах.

Релаксація виражається в самовільному послабленні пружності в тілі, яке знаходиться під навантаженням. Це явище пов’язується з розвитком в тілі повзучості, внаслідок чого знижується величина пружної деформації. Релаксація призводить до того, що концентрація напруг з часом слабне, розподіл напруг в тілі стає більш рівномірним і максимум напруг знижується.

При релаксації частинки тіла, зміщуючись у процесі пластичної деформації, будуть знаходити нові стійкі положення і напруги, які викликали переміщення частинок, при досягненні ними стійкого положення будуть зникати.

Таким чином, релаксація призводить до закріплення деформації, до поступового перетворення пружної деформації в залишкову і пластичну.

Механічні властивості твердих тіл залежать як від їх будови, так і від зовнішніх умов. Серед останніх велике значення мають температура, розчинники і адсорбуючі рідини, всебічний тиск, швидкість деформації, характер пружного стану тіла.

Так, підвищення температури веде до зростання пластичності твердих тіл. Зіткнення тіла з розчинником теж підвищує здатність пластично деформуватися.

Вплив всебічного тиску на пластичні деформації двоякий. З одного боку він підвищує опір тіла пластичній деформації, а з другого сильно підвищує границі пружності і міцності. У зв’язку з цим тіла, які є крихкими за нормальних умов, можуть стати пластичними при високому всебічному тиску.

Швидкість деформації є одним із основних факторів, які впливають на пластичні властивості гірських порід. Цей вплив полягає в тому, що підвищення швидкості деформації веде до збільшення опору тіла деформації і пониженню його пластичності; навпаки, відносно повільна деформація підвищує його пластичність. Тому тіло, яке при швидкій механічній дії веде себе як крихке, при повільній дії малих напруг повільно, але сильно деформується. Залежність пластичності від пружного стану твердих тіл виражається таким чином, що найбільш сприятливим для підвищення пластичності є стискування, а найменш сприятливим – розтягування. Це пояснюється тим, що стискування зменшує об’єм тіла і підвищує його пластичність, а розтягування навпаки, підвищує крихкість тіла і послаблює його здатність до незворотньої деформації без розриву.

 

Руйнування гірських порід.

Якщо напруга в деформованих гірських породах досягає межі міцності, породи починають руйнуватися. Для різних гірських порід межа міцності коливається в широких межах; якщо руйнування наступає одразу за пружною деформацією, то порода називається крихкою, якщо за пластичною деформацією – в’язкою.

М.В. Гзовський поділяє всі гірські породи на 4 категорії:

І категорія – породи з малою в’язкістю: глини, солі, гіпси, тонкошаруваті алевроліто-глинисті товщі.

ІІ категорія – тонкошаруваті вапняки, мергелі і піщано-глинисті товщі.

ІІІ категорія – слабошаруваті піщані, конгломератові і вулканогенні товщі.

ІV категорія – граніти, інші інтрузивні породи, гнейси і кристалічні сланці.

Розрізняють два види руйнування: відрив і сколювання.

Відрив або розрив відбувається під впливом сили, прикладеної перпендикулярно до поверхні відриву (рис. 6.2). Сколювання - це поділ тіла шляхом переміщення частин вздовж поверхні під впливом сили, дотичної до поверхні сколювання У випадку вигинання шару на зовнішній (опуклій) поверхні виникають розтягуючі зусилля, які приводять до утворення тріщин відриву, а на внутрішній поверхні (ввігнутій) виникають стискуючі зусилля, що, в свою чергу, приводить до утворення тріщин сколювання.

Розрізняють два види меж міцності: один для відриву, другий для сколювання. Руйнування при зростанні напруг відбувається по тому типу, для якого в даних умовах межа міцності нижче і досягається раніше.

 

Рисунок 6.2 - Схема крихкої руйнації при відриві (а) і сколюванні (б)

 

На характер руйнування впливають не тільки властивості матеріалу, але і зовнішні умови, від яких залежать ці властивості: температури, всебічний тиск, внутрішньопоровий тиск, швидкість деформацій.

Експериментальні і теоретичні дані фізичних умов деформації руйнування гірських порід і виникнення розривів можна узагальнити у вигляді наступних висновків:

1 У кожній породі можливий прояв двох типів руйнування – відриву і сколювання і відповідних їм двох міцностей – міцності на відрив і міцності на сколювання.

У гірських породах міцність на відрив як правило у 5-8 раз менше міцності на сколювання.

Головним фактором деформації є напруги, час і в’язкість порід. Деформація прямо пропорційна напрузі, часу її дії і обернено пропорційна в’язкості порід.

2 Величини напруг, які призводять до руйнування гірських порід, залежать від температури, тиску, циркулюючих і порових розчинів, складу парів і газів, тривалості деформації, а також від розмірів блоків порід, які піддаються деформації.

Із скороченням тривалості дії руйнуючих напруг, з ростом всебічного стискування і пониженням температури міцність порід збільшується.

3 Міцність порід може змінюватись в широких межах, в залежності від їх складу, структури, текстури, пористості, а також від особливостей історії їх формування.

4 Складний процес утворення тектонічних розривів розвивається у часі довго і нерівномірно, разом із пружною і пластичними деформаціями.

Поверхня розриву виникає не миттєво, а розвивається тривалий час, об’єднуючи дрібніші тріщини і порушення суцільності порід. Цей процес можна розділити на три етапи. Перший етап полягає у закладанні численних дрібних розривів, які розростаючись об’єднуються у тектонічні зони. На другому етапі починається швидка руйнація порід у проміжках між раніше утвореними дрібними розривами. В результаті формується крупний, складно побудований розрив. Якщо масштаби його значні, то розвантаження напруженого стану може проявитися в землетрусі. На третьому етапі розростання крупного розриву поступово уповільнюється.

 

Контрольні запитання

 

1 Що таке деформація гірських порід?

2 Які є види деформацій?

3 Які деформації виникають у гірських породах?

4 Що таке напруга? Види напруг, які виникають у гірських породах.

5 Поняття про пружну, пластичну та крихку деформації.

6 Зв"язок між пластичністю і в"язкістю.

7 Які є фактори деформації7

8 Що таке повзучість?

9 Що таке релаксація?

10 Від чого залежать механічні властивості гірських порід?

11 Руйнування гірських порід.

12 Класифікація гірських порід за в"язкістю.

13 Механізм утворення відриву і сколювання.

СКЛАДЧАСТІ ФОРМИ ЗАЛЯГАННЯ

 

Складчасті форми залягання є найбільш поширеними у земній корі і характерні для шаруватих товщ осадових і метаморфічних порід.

Складками називаються хвилеподібні згини в шаруватих товщах порід без порушення їх суцільності, які виникають при пластичних деформаціях. Сукупність складок в просторі називається складчастістю. Складкоутворення супроводжується переміщенням порід (плікативними дислокаціями) і викликається головним чином ендогенними процесами, які проявляють себе в тектонічних рухах.

Виділяють два основні види складок: антиклінальні і синклінальні (рис. 7.1).

 

 

Рисунок 7.1 - Антиклінальна і синклінальна складки та їх елементи

 

Антиклінальні складки (антикліналі) – це згини, в центральних частинах яких знаходяться найбільш древні породи відносно периферійних частин. Найчастіше це складки, в яких пласти падають в протилежні сторони.

Синклінальні складки (синкліналі) – це складки, внутрішня частина яких виповнена більш молодими породами, ніж крайові частини. Найчастіше пласти в синклінальних складках падають на зустріч один до одному.

В природі антикліналі і синкліналі утворюють сполучення.

Візуально в складках виділяються такі елементи: ядро, крила і замок. Оскільки в операціях із складками необхідна однотипність понять, а в літературі зі структурної геології існують суттєві розбіжності у тлумаченні тих чи інших елементів складки, наводяться найбільш поширені їх визначення.

Ядро – внутрішня частина складки; застосовується для характеристики порід, які складають центральні частини складок.

Крила – бокові частини складки. В суміжних синклінальної і антиклінальних складок одне крило спільне.

Замок – місце перегину шарів, або ділянка, де одне крило переходить в друге.

Інші елементи складок встановлюються при певних побудовах.

Осьова поверхня – це поверхня, яка проходить через точки перегину шарів, які складають складку і поділяє складку навпіл.

Осьова лінія – лінія перетину осьової поверхні з горизонтальною площиною. Цей елемент використовується для визначення орієнтації складки в плані (на геологічній карті). На карті ці лінії позначаються: для антиклінальних складок «, для синклінальних складок ®.

Вісь складки – це бісектриса кута складки. Цей елемент використовується для побудови геологічних розрізів

Кут складки – це кут, утворений продовженням крил складки до перетину.

Вершина складки – точка максимуму перегину шару; вона лежить на перетині осі складки з поверхнею нашарування (рис.7.2).

Шарнір складки – лінія перетину осьової поверхні з поверхнею одного з шарів (покрівлею чи підошвою) складки; являє собою лінію, яка вигинається від найбільш піднятої (або зануреної) вздовж осьової поверхні частини складки до місць її замикання. Шарнірів у складці можна провести стільки, скільки шарів у складці. Кут, утворений нахиленою ділянкою шарніру з його проекцією на горизонтальну площину, називається кутом занурення чи кутом здимання складки. Занурення шарніру антикліналі приводить до появи так званого периклінального замикання; в місці з’єднання крил синкліналі виділяють центриклінальне замикання.

 

Рисунок 7.2 - Вершина і гребінь складки

 

У деяких складках шарнір являє собою хвилясту лінію; багаторазове занурення і здимання шарніру вздовж складки називають ундуляцією (рис. 7.3).

Для більшості складок при зображенні їх на карті, враховуючи ступінь зменшення природних розмірів, шарнір суміщається з осьовою лінією, а напрямок і кут занурення чи здимання можуть бути показані безпосередньо на осьовій лінії. Проте в складках із сильно нахиленою або горизонтальною осьовою поверхнею положення шарніру і осьової лінії будуть відрізнятися.

 

  

Рисунок 7.3 - Ундуляція шарніру в об’ємі (а) і в розрізі (б)

 

Гребенева поверхня проходить через гіпсометрично найвищі місця зім’ятих шарів антиклінальних складок (рис. 7.2).

При перетині гребеневої поверхні з підошвою або покрівлею будь-якого шару утворюється гребінь складки. В симетричних складках гребінь співпадає з шарніром складки.

Найбільша відмінність в положенні шарніру і гребеня складки буде для перекинутих і пірнаючих складок.

Склепіння – ділянка складки, яка прилягає до замка антикліналі і є найвищою частиною складки.

Мульда – ділянка складки, яка прилягає до замка синкліналі і є найбільш низькою частиною складки. Терміни “склепіння”, “мульда” і “замок” застосовуються для описання форми перегину шарів.

Розміри складок характеризуються довжиною (рис. 7.4), шириною (рис. 7.5) та висотою (рис. 7.6).

Довжина складки – це відстань вздовж осьової лінії між суміжними перегинами шарніру, заміряна всередині будь-якого замкнутого шару.

Ширина складки – відстань між осьовими лініями двох сусідніх антикліналей і синкліналей.

 

Рисунок 7.4 - Елементи ундульованих складок першого порядку: п,Оп’ – осьові поверхні; Уш – шарніри; А,С – осьові лінії; Пп – площини перегинів шарнірів; Лп – лінії поперечних перегинів шарнірів; абсолютна довжина складок другого порядку: антикліналь (а) і синкліналь (с)

 

 

 

 

Рисунок 7.5 - Схематична геологічна карта, отримана в результаті дешифрування аерофотознімку (р. Алдан, Східна Сибір). За М.Н.Петрусевичем

 

Висота складки – відстань по вертикалі між замком антиклінальної і замком суміжної синклінальної складок, заміряна на поверхні певного шару.

 

 

 

Рисунок 7.6 - Висота складки (h)

 

У практичній роботі геолога і при класифікації складок в плані більше значення мають відносні лінійні розміри складок (в певному горизонтальному зрізі). Ці розміри, взяті для одного певного шару, можуть мінятися в залежності від глибини денудаційного зрізу, але відношення між довжиною і шириною складки залишається постійною величиною.

Надзвичайна різноманітність природних складок вимагає їх чіткої систематизації. Серед численних класифікацій в першу чергу слід зазначити морфологічну, яка вивчає форми складок і співвідношення їх елементів.