Роль неоднородности геологической среды в образовании структурных парагенезов разных масштабных уровней

До недавнего времени для описания геологических процессов использовалась механика деформируемого твердого тела (механика сплошной среды). Внимание исследователей было направлено, главным образом, на поиск однозначных связей между деформациями и напряжениями. При этом назначались начальные и граничные условия. Все это предполагает детерминированное поведение тела. Однако природный объект благодаря структуре (имеющейся изначально или приобретенной) обладает своей собственной приспособительной реакцией. В нем протекают структурные изменения, имеющие определенную направленность, стремящиеся ослабить действие внешних сил. И эти перестройки исходной структуры геологической среды зависят не от осредненного поля напряжений, а от наличия и распределения концентраторов напряжений. Такие концентраторы связаны с тем, что среда неоднородна. Простейший пример – песчаник, состоящий из жестких зерен и цемента.

Геологическая среда дискретна (она не сплошная) в том смысле, что она состоит из элементов определенной формы и размеров, определенным образом связанных между собой в единое целое.

А.А. Наймарк (2009) пишет, что одна из самых основных черт структуры природной геосреды — надежно установленная и тщательно исследованная в последние годы естественная грубодискретная фрактальность. «Под этим понимается, в частности, самоподобие блоковой делимости: в некотором отношении «кусковатая» геосреда на разных масштабных уровнях устроена одинаково». В структуре реальных породных массивов «по данным многочисленных натурных наблюдений и экспериментов, в широком диапазоне (несколько порядков) выдерживается в среднем небольшое (3,5: 1) соотношение линейных размеров блоков на смежных рангах». Со ссылкой на М.А.Садовского и В.Ф. Писаренко, А.А. Наймарк указывает, что «иерархическая самоподобная структура образующих среду дискретностей (неоднородностей) основное отличительное свойство принятой сейчас модели геофизической среды»

А.А.Наймарк (2009) подчеркивает, что грубодискретная фрактальность — не абсолютно фундаментальное свойство породных массивов. Это состояние именно сильно неравновесной, интенсивно нагружаемой среды, что находит отражение в концепции ее самоорганизации. Самоподобие естественно. Оно возникает спонтанно в силу особенностей внутренних связей диссипативной системы литосферы. По М.А. Садовскому и В.Ф. Писаренко: «...система дискретностей (неоднородностей) литосферы сама выбирает ту структуру, которая обеспечивает максимальную степень диссипации упругой энергии...»

Рассмотрим структуру геологической среды. Например, она может быть представлена так, как это показано на рис.3. Очевидно, что в ней можно выделить структурные элементы разных масштабов. Мы также видим, что одни элементы являются составной частью других. Таким образом, геологическая среда может описываться моделью среды со структурой. В ней имеется несколько структурных уровней организации элементов. Один уровень вложен в другой.

Итак, существуют структурные уровни геологической среды высшего и низшего порядка. С процессами, происходящими на низших уровнях, связано возникновение тектонических напряжений. Они в геологической среде распределяются неравномерно, концентрируясь на структурных неоднородностях высших порядков. Те места, где напряжения концентрируются, называются концентраторами напряжений. В связи с неоднородностью поля напряжений, деформация также является неоднородной и развивается локализовано в концентраторах, т.к. напряжения в этих областях раньше, чем в других частях системы, достигают предельных значений.

При описании тектонических деформаций сейчас принято использовать релаксационный подход. Он предполагает, что деформация осуществляется путем самосогласованных структурных перестроек, происходящих на разных структурных уровнях, целью которых является стремление нагружаемого тела снизить уровень напряжений (вызванное нагрузкой упругое изменение формы тела со временем преобразуется в остаточное – это и есть релаксация).

Релаксация напряжений может осуществляться разными механизмами на разных уровнях. Включение конкретных механизмов зависит от целого ряда условий, в том числе внешних. Релаксация, происходящая на каком-то структурном уровне, вызывает перестройку структуры, так что возможности релаксации на этом уровне в конце концов могут исчерпаться. Перестройка структуры влечет за собой перестройку поля напряжений. И тогда релаксация начинает осуществляться на других концентраторах, которые могут быть связаны с другими структурными уровнями.

В релаксационной работе деформируемой геологической среды принимают участие как уровни структур, имеющихся в системе изначально (зерна, слои), так и приобретенные в процессе деформации (кливаж, полосчатость и т.п.). Новообразованные уровни структурной организации среды могут формироваться как посредством пластической деформации, так и путем локальных разрушений концентраторов.

Таким образом, релаксируя возникающие напряжения, накапливающиеся в концентраторах, последовательно переходя с уровня на уровень, структурно перестраиваясь, система постепенно накапливает большие остаточные деформации, запечатленные в ее современной структуре.

Разберем простой пример, изображенный на рис. 4. Имеется пачка градационно-слоистых песчаников. Эта пачка подвергается горизонтальному сжатию. Следовательно, в ней возникают напряжения, которые должны релаксироваться. Каким образом это может произойти? Вероятно, для этого есть три возможности (не забудем, что пачка должна сократить горизонтальные размеры):

а) может произойти релаксация напряжений на зерновом уровне, т.е. путем образования кливажа. Растворяются боковые части зерен, материал откладывается на их торцах. Таким путем объем сокращается по горизонтали и удлиняется по вертикали (рис. 3а);

б) второй путь – образование складок (деформация осуществляется на уровне слоев). Объем сминается в складки тогда, когда, во-первых, существует большой контраст вязкости слоев (в этом случае они быстро теряют устойчивость) и, во-вторых, когда есть хорошая способность проскальзывания слоев друг по другу (рис. 3б); при этом в слоях, сминающихся в складки, может существовать зачаточный кливаж, либо он может образоваться в локальных участках во время процесса складкообразования, а иногда кливаж накладывается на сформированную складчатую структуру;

в) третий путь – нарушение целостности объема – он разбивается на блоки, разделенные сколовыми разрывами (рис. 3в). Важнейшим фактором, от которого зависит развитие деформации на уровне блоков, является строение деформируемого объема (массивный или слоистый). Другим фактором являются рТ-условия, например, температура: при невысоких температурах в приповерхностных условиях скорее образуются хрупкие разрушения. Влияет также скорость нагружения.

С течением времени деформация может переходит с одного уровня на другой. Так, если будут исчерпаны возможности релаксации напряжений путем растворения под давлением при образовании кливажа, слои начнут изгибаться в складки (что обычно и происходит). Очень часто после образования складок в объеме начинают формироваться разрывы.

Итак, необходимо представлять себе, что существуют различные структурные уровни деформации, что эти уровни взаимодействуют между собой, что деформация может переходить с уровня на уровень. На каком из уровней будут происходить наиболее интенсивные деформации (какой из уровней будет «работать») зависит от множества условий.