Изгиб и складки. Особенности строения геологической среды на уровне слоев

Особенности строения геологической среды на уровне слоев.

На прошлой лекции мы рассмотрели внутрислойные деформации. Процессы здесь происходят на уровне зерен и агрегатов зерен. При этом образуются такие структуры, как кливаж, сланцеватость, тени давления и бороды нарастания, макрокливажные швы, муллион-структуры, минеральные жилы и др. Все они (кроме сланцеватости) возникают вследствие того, что на указанном уровне среда неоднородна. Например, некоторый объем сложен зернами с разными деформационными и химическими свойствами.

Сегодня мы рассмотрим более высокий уровень – уровень пачек слоев. Верхние части земной коры имеют преимущественно слоистое строение. Что такое слой? Это плоское тело, отличающееся по каким-либо параметрам от смежных тел. С точки зрения деформаций важно, что контакты между слоями, даже в случае практически одинаковых слоев, являются в той или иной степени ослабленными поверхностями. Каждый отдельный слой какого-либо объема геологической среды состоит из минеральных зерен, являющихся структурными элементами слоя. В то же время сами слои также являются структурными элементами выделенного объема. Деформационные свойства каждого из слоев, при одних и тех же внешних условиях, зависят от свойств слагающих слои минеральных зерен: их формы, состава, размеров, способа упаковки, прочности связей на границах и т.п., т.е. от структурных и вещественных неоднородностей зернового уровня. Деформационные свойства всего выделенного слоистого объема определяются механическими свойствами каждого из слоев, распределением слоев в этом объеме и характером связей на их границах. Деформационные свойства слоев могут меняться в зависимости от условий деформирования (например, степени метаморфизма). Для анализа механизма образования складок важно, что в складчатых областях слоистость часто бывает ритмичной. Ритм начинается с вязкого слоя, а заканчивается маловязким (рис….). Примечание: рисунки см. в Презентации

Сегодня мы с вами говорим о складках. Видели их все, но не все задумывались о том, как они образуются. Что же такое складки? Это волнообразное очертание (форма) неких тел, первоначально имеющих вид пластины или бруска. Если вам в руки дать такое тело, предположим лист бумаги или линейку, и попросить привести его из плоского в складчатое состояние, вы, наверняка, его просто изогнете (рис….). И будете совершенно правы. Действительно, в образовании складок ведущая роль принадлежит изгибу. Это поняли уже давно и подкрепили экспериментами. Хотя имеются и другие взгляды на образование складок, однако они не выдерживают тщательного анализа.

Деформацию будем называть изгибом, если плоские параллельные поверхности, проведенные в теле до деформации, превращаются в кривые поверхности, расстояния между которыми остаются всюду неизменными (рис….). Изгиб – очень распространенный вид деформации слоистых толщ, но часто он осложнен и другими видами деформации, например, удлинением-укорочением и простым сдвигом. Изгиб может представлять собой и трехмерную деформацию (рис. …), но мы ограничимся рассмотрением изгиба в условиях плоской деформации.

Особенно легко подвергаются изгибу длинные и тонкие тела. Плоские тела могут образовать серию чередующихся изгибов с выпуклостями в разные стороны (рис. …), что и составляет основу складчатой структуры.

Кажется, все ясно. Мы с вами изогнули бумагу или линейку, поняли, что так же образуются и складки в слоистых толщах, о чем же еще можно говорить? Но дело в том, что природные сладки сильно отличаются от «бумажных». Изгибаются не пластины в воздухе, а толщи; каждый слой окружен другими слоями, следовательно, деформация будет идти как-то иначе. Складки пачки листов бумаги у вас получились не такими, как складки линеек, что же тогда говорить о природных слоях и пачках слоев, свойства которых сильно отличаются друг от друга. Изгибая линейку, вы получаете одну складку, в природе, однако, вы наблюдаете всегда серии складок (хотя одну складку получить вроде бы легче). В складке из линейки мощность «слоя» у вас остается неизменной. В природе в большинстве случаев мощность слоев сильно меняется – почему и как? С веществом линейки ничего не произошло, в реальных складках мы очень часто наблюдаем кардинальные перестройки внутренней структуры слоев, что не может не сказываться на ходе деформаций. Я перечислила еще не все проблемы, связанные со складками.

Давайте вначале рассмотрим некоторые особенности изгиба, изученные механиками. Эти сведения не могут исчерпать проблему образования складок, но их нужно обязательно учитывать.

1. Изгиб – это неоднородная деформация.

2. Плоскости, проведенные до деформации перпендикулярно оси бруска, остаются плоскостями, нормальными к оси бруска (рис. …), но перестают быть взаимно параллельными.

3. Расстояния между этими сечениями на одной стороне изогнутого бруска становятся короче, а на другой – длиннее

4. Есть некоторая поверхность, вдоль которой расстояния остаются после деформации неизменными. Это так называемая нейтральная поверхность, которая отделяет растянутую зону бруска от сжатой (штрих-пунктир на рис. …).

Способность бруска сопротивляться изгибу зависит от размеров и формы сечения и от свойств материала. Для геологов важна огромная роль мощности слоя: чем толще слой, тем больше радиус кривизны образуемых им складок (иными словами, формируются более крупные складки).

То, что говорилось выше об изгибе, относится к так называемому чистому изгибу, который не осуществляется в геологической обстановке. В последней на тела, изгибаемые в складки, действуют, кроме изгибающих моментов, еще так или иначе направленные силы. По способу приложения этих сил – поперек или вдоль длинных осей изгибающихся тел – разделяют два принципиально различных вида изгиба: поперечный и продольный. Поперечный изгиб мы рассматривать не будем. Скажем лишь, что при его участии образуются так называемые складки поперечного воздействия, их называют еще штамповыми складками (рис….). Они встречаются реже, чем складки, связанные с продольным изгибом, которые наиболее характерны для складчатых поясов.