М.А. Гончаров, В.Г. Талицкий
Зарождаются ли "трещины скалывания" путем скалывания?
Вестник МГУ. сер.4. Геология, 1998, №3 стр.18-22
УДК 551.254 Работа выполнена в соответствии с программой "Университеты России".
Вестник МГУ. сер.4. Геология, 1998, №3 стр.18-22
УДК 551.254 Работа выполнена в соответствии с программой "Университеты России".
В тектонофизике уже давно утвердились понятия о трещинах отрыва и скалывания. Принято считать, и это подтверждено экспериментально, что трещины отрыва возникают тогда, когда максимальное растягивающее напряжение достигает предела прочности на отрыв, а трещины скалывания – при достижении касательными напряжениями предела прочности на скалывание. Установлено, что в последнем случае трещины скалывания образуют с осью максимального сжатия угол, получивший название "угол скалывания"; величина этого угла зависит от многих факторов и при зарождении трещин (до их возможного поворота при нарастающей деформации трещиноватого массива) не превышает 45°. Принято считать, что среднее значение угла скалывания составляет 30°. Другими словами, в большинстве случаев плоскость зарождающейся трещины не совпадает с плоскостью действия максимальных касательных напряжений.
Любая трещина представляет собой нарушение сплошности среды, которое происходит вследствие разрушения связей между элементами (ионами, частицами и пр. в зависимости от ранга трещины), расположенными на ее противоположных берегах. Это разрушение связей сопровождается относительным смещением названных элементов. В случае трещины отрыва такие элементы-соседи "расходятся" в противоположных направлениях, по нормали к плоскости трещины. В случае трещины скалывания считается, что такое "расхождение" происходит в направлении, параллельном плоскости трещины.
Два обстоятельства, связанные с зарождением и развитием трещиноватости в твердом теле, ставят понимание кинематики трещинообразования в явно неравные условия при отдельном рассмотрении трещин отрыва и скалывания. Это, во-первых, ограниченная длина трещин, а во-вторых, дилатансия (увеличение объема) при формировании трещин. По отношению к этим двум факторам кинематика трещин отрыва предельно проста: максимальная амплитуда раздвига берегов трещины в ее центре и минимальная (нулевая) амплитуда на окончаниях. В результате раздвига происходит формирование избыточного объема в полости трещины, а как следствие – общее увеличение объема тела, подвергающегося трещинообразованию.
С трещинами скалывания дело обстоит сложнее. Как и у трещин отрыва, амплитуда относительного смещения берегов трещины на ее окончаниях равна нулю, здесь оба берега как бы жестко закреплены, таким образом, встает проблема об относительном смещении берегов на всех остальных участках трещины. Кроме того, смещение, направленное вдоль плоскости трещины, не должно сопровождаться ее приоткрыванием, поэтому объем тела, подвергающегося трещинообразованию, должен оставаться неизменным, что противоречит экспериментальным данным. А эти данные таковы, что при снятии нагрузки, при которой возникли трещины, в направлении максимального сжатия первоначальный размер тела восстанавливается, а в направлении максимального растяжения он оказывается увеличенным, что и свидетельствует об общем увеличении объема тела (дилатансии) при трещинообразовании [1].
Такая неопределенность в отношении трещин скалывания привела некоторых исследователей к выводу, что четкое разделение типов разрушения на отрыв и скалывание возможно лишь на определенном уровне макроскопичности [3]. А.Надаи [5] приводил примеры, когда макроскопически отчетливый гладкий скол под микроскопом состоит из мелких шероховатых поверхностей отрыва, и наоборот, трещина отрыва представлена микроскопическими площадками скалывания. А.Н. Ставрогин и А.Г. Петросеня [8] предлагают рассматривать макроскопический скол, расположенный под упомянутым выше углом скалывания к оси максимального сжатия, как состоящий из микроскопических трещин скалывания, наклоненных к названной оси под углом 45°, и трещин отрыва, параллельных этой оси (рис. 1). С помощью этой модели удается объяснить следующие факты: 1) величину угла скалывания, которая, как правило, меньше 45°; 2) дилатансию трещиноватого тела; 3) возможность относительного смещения берега микроскопической трещины скалывания, поскольку тыл этого берега уже не является жестко закрепленным – на этом участке раскрывается сопряженная микротрещина отрыва. Однако фронт этого берега остается жестко закрепленным, поэтому "проблема пространства" для относительного смещения берегов микротрещин скалывания оказывается решенной лишь наполовину, т.е. по существу по-прежнему нерешенной.
Недостаток названной модели состоит, на наш взгляд, в том, что в ней сохраняется идея зарождения трещин скалывания путем скалывания если не на макроскопическом, то по крайней мере на микроскопическом уровне, в сочетании с микротрещинами отрыва. Между тем, в природных зонах сдвигания довольно часто наблюдаются макроскопические полосы, состоящие из кулисно расположенных трещин отрыва, часто выполненных кварцем или кальцитом, при отсутствии соединяющих эти трещины одноранговых трещин скалывания. Все изложенное заставляет сильно усомниться в том, что трещины скалывания любых иерархических уровней зарождаются именно путем скалывания.
Гипотеза. Трещины и разрывы скалывания (в совокупности именуемые ниже сколами) зарождаются в виде зон кулисообразно расположенных трещин отрыва более высокого ранга (т.е. более мелких по сравнению с образуемыми ими зонами скола). Дальнейшее развитие сколов в обстановке сдвига, параллельного зоне скола, ведет к увеличению их длины, амплитуды и ширины зоны дробления. В результате трещины отрыва не только вращаются и S-образно искривляются (эта стадия развития кулис трещин отрыва также часто наблюдается в природе), но в конце концов "поглощаются" зонами дробления, а сами сколы приобретают прямолинейность. Мелкие трещины отрыва, из которых состоит зона скола, обеспечивают обязательный при деформации дилатансионный эффект. Размеры же трещин отрыва – в смысле их различимости или неразличимости на фоне сколов – зависят от величины дилатансии, возможной в конкретной природной ситуации. Эта величина, в частности, может быть пониженной на больших глубинах, где высокое литостатическое давление препятствует дилатансии, например, в условиях амфиболитовой фации метаморфизма, где видимые трещины отрыва практически отсутствуют [1]. Повышенной же она может быть в условиях свервысокого флюидного давления.
Эксперименты. Для проверки последнего предположения о зависимости размера трещин отрыва от флюидного фактора в лаборатории геотектоники и тектонофизики им. В.В. Белоусова (МГУ) была проведена серия экспериментов на мягкой глине. Слой глины момещали на твердое основание, состоящее из двух половин, соприкасающихся по вертикальной поверхности. Вдоль этой поверхности осуществлялось горизонтальное смещение одной половины относительно другой, чо приводило к образованию сдвиговой зоны в слое глины.
В контрольных опытах без "флюидной нагрузки", у нас как и у многих предшественников, в сдвиговой зоне, после стадии пластической деформации, сначала возникали кулисы R-сколов, а затем магистральный разрыв.
В следующей серии экспериментов слой глины был перекрыт слоем воды. Поверхностная активность воды обусловила начало разрывного процесса в виде кулис трещин отрыва, видимых макроскопически (рис. 2, 1).
В следующей серии опытов вместо воды сверху был залит глицерин, обладающий большей поверхностной активностью, т.е. более значительным "расклинивающим эффектом". В результате трещины отрыва в зоне будущего магистрального разрыва оказались крупнее, чем при наличии воды, а оперяющие R-сколы также зарождались в виде кулис более мелких трещин отрыва (рис. 2, 2).
Во всех описанных экспериментах сдвигание осуществлялось параллельно длинной стороне прямоугольного в плане образца; если смотреть сверху, то этот сдвиг можно квалифицировать как правый. Назовем направление сдвига, для удобства изложения, "широтным". В этой условной системе координат ось максимального сжатия была ориентирована под углом 45° к направлению сдвигания, в северо-западном направлении. Ось максимального растяжения была также ориентирована под углом 45° к направлению сдвигания, но в перпендикулярном, северо-восточном направлении. Трещины отрыва при возникновении были ориентированы по нормали к оси растяжения и параллельно оси сжатия, а в процессе дальнейшего сдвигания вращались по часовой стрелке. Сдвиговая зона располагалась субширотно в центральной части образца, т.е. примерно над сдвиговым разломом жесткого "фундамента". Такое соответствие было обеспечено относительно малой мощностью (1 см) образца.
В следующей серии экспериментов (рис. 2, 3) были повторены все условия предыдущей серии, только мощность образца была увеличена втрое и составляла 3 см. В этой обстановке разлом в "фундаменте" не влиял столь определенно на ориентировку сдвиговой зоны. Последняя оказалась достаточно широкой и осложненной трещинами отрыва разного размера, ориентированными, как и в предыдущих сериях экспериментов, параллельно оси максимального сжатия в северо-западном направлении. Однако осевая линия сдвиговой зоны на этот раз оказалась не параллельной широтному направлению сдвигания, а ориентированной косо по отношению к последнему, образуя с ним угол около 25°, т.е. по азимуту северо-запад, 295°. (Эта осевая линия намечается по наиболее крупным трещинам отрыва). Другими словами, эта сдвиговая зона представляет собой как бы огромный и единый скол Риделя, образуя с осью максимального сжатия (северо-запад, 315°) угол около 20°. Напомним, что в предыдущей серии экспериментов оперяющие сдвиговую зону сколы Риделя также зарождались в виде кулис более мелких трещин отрыва.
Описанные эксперименты однозначно подтверждают выдвинутую гипотезу о зарождении трещин скалывания различного ранга в виде зоны, образованной кулисами более мелких трещин отрыва. Однако в этом утверждении имеется одно ограничение – все эти эксперименты проводились в механической обстановке горизонтального сдвигания в вертикальной плоскости, которая предопределяет формирование сначала сколов Риделя, а затем магистрального разрыва. В этой обстановке сначала возникают трещины отрыва, ориентированные под углом 45° к направлению сдвигания и параллельно оси максимального сжатия. Эти трещины отрыва группируются в виде кулисных зон – зародышей будущих сколов Риделя и магистрального разрыва.
Однако, как известно, и трещины отрыва, и сколы формируются и в иной механической обстановке – обстановке сжатия-растяжения. При этом обычно отмечают, что макроскопические трещины отрыва шероховатые и извилистые, а сколы значительно более прямолинейные. Казалось бы, в нашей модели все обстоит наоборот – трещины отрыва при своем зарождении прямолинейны, а образуемые ими кулисные зоны будущих сколов обречены на извилистость. Чтобы разобраться в этом вопросе, мы провели еще одну серию экспериментов – на этот раз – обстановке сжатия-растяжения. – качестве модельного материала использовалась та же глина, – также смесь мелкозернистого песка – солидолом.
Подошва образцов подвергалась равномерному растяжению в "меридиональном" направлении и сжатию – в "широтном". При этом, как и следовало ожидать, на поверхности возникли мелкие трещины отрыва, ориентированные по нормали к оси растяжения, в "широтном" направлении (рис. 3). Однако и в этом случае они не рассеяны равномерно по поверхности образца – они либо сгруппированы в цепочки, также ориентированные "широтно", либо образуют кулисные зоны под углом к "широтной" оси максимального сжатия, всегда меньшим 45°, т.е. по существу под "углом скалывания". Можно предполагать, что в процессе дальнейшей деформации (это пока не воспроизводилось) будет преобладать одна из двух тенденций: либо последовательное соединение правых кулис "широтных" цепочек и левых кулис в единую макроскопическую трещину отрыва – шероховатую, извилистую и в общем ориентированную "широтно"; либо преобладающее развитие прямолинейных кулисных зон, с последующим превращением в макроскопические сколы, ориентированные под "углом скалывания" к оси максимального сжатия. В экспериментах на песке (рис. 3, 2) удалось получить сочетание таких макроскопически выраженных трещин отрыва и скалывания, сформировавшихся путем объединения мелких трещин отрыва. Угол скалывания составил при этом около 25°. Однако выяснение условий, при которых преобладают макротрещины либо отрыва, либо скалывания, и соотнесение этих условий с понятиями прочности на отрыв и прочности на скалывание – это дело будущего.
Обсуждение результатов. Положительный результат проверки выдвинутой гипотезы о зарождении трещин скалывания позволяет трактовать процесс трещинообразования с единых позиций. Тот факт, что при трещинообразовании (как и при любой остаточной деформации) происходит дилатансия (увеличение объема) деформируемого тела, реализуемая вначале путем увеличения размера тела вдоль оси максимального растяжения, при сохранении первоначального размера вдоль оси максимального сжатия, позволяет рассматривать трещину отрыва как "элементарную ячейку" процесса трещинообразования. Трещины отрыва как раз формируются нормально к оси максимального растяжения и параллельно оси максимального сжатия, что и обеспечивает названный дилатансионный эффект. При медленном нарастании нагрузки и сохранении ее невысокого уровня трещины отрыва распределены в деформируемом теле относительно равномерно и растут медленно, в соответствии с моделью Гриффитса-Орована-Ирвина, не оказывая друг на друга существенного влияния до тех пор, пока они достаточно малы и удалены одна от другой [7]. Общую деформацию тела можно при этом квалифицировать как квазиоднородную.
При повышении нагрузки и увеличении скорости роста трещины отрыва начинают "взаимодействовать" друг с другом в том смысле, что их распределение в деформируемом теле перестает быть равномерным и они группируются в цепочки или кулисы. Сочетание цепочек с разнонаправленными короткими кулисами приводит при дальнейшей деформации к объединению этих групп трещин в извилистые более крупные трещины или разрывы более низкого ранга, ориентированные в общем по нормали к оси максимального растяжения и обладающие шероховатостью и извилистостью, т.е. возникают макротрещины отрыва или раздвиги.
Если же с самого начала трещины отрыва группируются в достаточно длинные прямолинейные кулисные зоны, то при последующей деформации трещины отрыва поворачиваются и S-образно искривляются. При дальнейшем смещении берегов названные зоны превращаются в зоны дробления, макроскопически выраженные как сколовые трещины и разрывы, иногда со следами скольжения. Их первичная прямолинейность никак не нарушается при последующем процессе.
Для характеристики кулисных зон – зарождающихся трещин скалывания – можно использовать следующие параметры:
1. Угол между направлением кулисной зоны и направлением составляющих ее трещин отрыва. Поскольку последнее параллельно оси максимального сжатия, то названный угол численно равен углу скалывания. Зависимость величины этого угла от различных факторов еще подлежит выяснению, с учетом всего того, что уже известно об угле скалывания в "макроскопическом" аспекте.
2. Размер трещин отрыва, составляющих кулисную зону. Как уже говорилось выше, он уменьшается при увеличении всестороннего давления и увеличивается с увеличение флюидного давления. Оба названных фактора дают противоположный эффект при стремлении деформируемого тела к дилатансии. Как известно, флюидное сверхдавление может приводить к гидроразрыву, что существенно облегчает формирование трещин отрыва. Поэтому жильную минерализацию последних можно рассматривать не как пассивное заполнение пустот, а как активное расклинивание высоконапорными флюидами. А "наведенную сейсмичность", возникающую в результате заполнения горных водохранилищ, можно трактовать как следствие повышения флюидного давления и активизации кулис трещин отрыва.
3. Длина кулисной зоны. При постоянном размере составляющих ее трещин отрыва, этот параметр определяется количеством названных трещин. Чем больше таких трещин, тем больше вероятность последующего превращения кулисной зоны в прямолинейный макроскол. Чем их меньше, тем больше вероятность сопряжения кулисной зоны с соседними цепочками трещин отрыва и с аналогичными кулисными зонами обратного знака смещения, с формированием шероховатых и извилистых макротрещин отрыва или раздвигов.
4. Ширина кулисной зоны. Она зависит от размера составляющих ее трещин отрыва (ср. рис. 2, 1–3), а также от первого из упомянутых параметров – угла скалывания.
Следует оговорить, что все, о чем говорилось выше, справедливо в первую очередь применительно к квазиоднородным и изотрпным телам, поскольку речь шла только о зарождении трещин скалывания. Дальнейшее их развитие связано со смещение берегов этаих трещин. В неоднородных и анизотропных телах развитие таких трещин может сразу начаться со смещения по ослабленным зонам.
В заключение хотелось бы отметить, что рассмотренный вопрос в некоторой степени перекликается с проблемой зарождения кливажа в складчатых толщах. В свое время Г.Беккер предложил рассматривать поверхности кливажа как микротрещины скалывания. Это представление до сих пор имеет своих сторонников [6]. На наш же взгляд, в настоящее время можно считать доказанным, что кливаж зарождается по нормали к оси максимального сжатия [2, 4, 9 и многие другие] и лишь в процессе последующей деформации вдоль его поверхностей могут происходить относительные смещения смежных микролитонов. Другими словами, как трещины скалывания, так и поверхности кливажа первоначально зарождаются не в результате скалывания, а под действием иного механизма. Скалывание начинается лишь тогда, когда ослабленные поверхности или зоны, по которым происходят сдвиговые смещения, уже подготовлены деформационной предысторией.
Список литературы
1. Гинтов О.Б., Исай В.М. Тектонофизические исследования разломов консолидированной коры. Киев, 1988.
2. Гончаров М.А. Кливаж // Очерки структурной геологии сложнодислоцированных толщ. Изд. 2-е. М., 1977. С.93–119.
3. Костров Б.В. Механика очага тектонического землетрясения. М., 1975.
4. Лебедева Н.Б. Роль неоднородностей горных пород в процессе образования кливажа // Геотектоника. 1976. №2. С.31–43.
5. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. М., 1954. Т.1.
6. Паталаха Е.И. Тектонофациальный анализ складчатых сооружений фанерозоя (обоснование, методика, приложение). М., 1985.
7. Райс Дж. Механика очага землетрясений. М., 1982.
8. Ставрогин А.Н., Петросеня А.Г. Пластичность горных пород. М.,1979.
9. Талицкий В.Г., Галкин В.А. Морфологические и генетические различия сланцеватости и кливажа горных пород // Геотектоника. 1988. №5. С.15–24.
В опытах без "флюидной нагрузки" в сдвиговой зоне, после стадии пластической деформации, сначала возникают L- и R-сколы, а затем магистральный разрыв.
(Шерман и др., 1991)
