ГЛАВА IV
Механизм развития дислокаций в слоистой толще, сжимаемой вдоль напластования, это сложный процесс. Составными элементами этого процесса являются многие из описанных в механике и структурной геологии виды напряженного состояния, перемещения и разрушения материалов и горных пород (упругая и пластическая деформация, продольный и поперечный изгиб, кручение, сдвиг, разрывы и т.п.). Выяснить механические условия совместного и взаимосвязанного во времени развития элементарных деформаций в пределах единой толщи и при постоянной ориентировке внешних сил — задача довольно трудная, так как некоторые исходные положения неопределенны, структурно-механические свойства горных пород в ходе деформации непостоянны, к тому же количество наблюдений и результатов экспериментальных исследований в этом направлении очень ограниченно.
Общие проблемы деформации слоистых толщ продольным сжатием наиболее полно рассмотрены В.В. Белоусовым (1947, 1970), В.В. Бронгулеевым (1967), Ю.А. Косыгиным (1969) при исследовании особенностей механизма тектонических деформаций и условий образования складок различных генетических типов. Частные вопросы этой проблемы освещаются в работах Г.Д. Ажгирея (1956, 1960), касающихся деформации расслоенных пород, М.В. Гзовского (1963), направленных на изучение складок продольного расплющивания, и Е. И. Паталахи (1967, 1969, 1970), посвященных механизму образования деформационных структур при продольном сжатии в зонах смятия. Краткие сведения по итогам экспериментального исследования продольного изгиба слоя были опубликованы также автором совместно с И.В. Лучицким (1969).
Специальным вопросам деформации отдельных слоев и их групп при продольном сжатии в зависимости от вязкости этих слоев и вмещающей их среды посвящены современные экспериментальные и теоретические работы зарубежных авторов (Biot, 1961; Currie e.a., 1962; Hubbert, 1951; Ode, 1960; Ramberg, 1967; Ramsay, 1967), а также работы отечественных ученых, связанные с механико-математической интерпретацией процесса складкообразования при продольном изгибе (Ержанов, Егоров, 1968; Ержанов, Гарагаш, 1969).
В последующем изложении наряду с общими вопросами моделирования сколовых дислокаций, возникающих при продольном сжатии слоистых толщ, приводятся данные по двум группам экспериментов, выполненные автором в Лаборатории экспериментальной тектоники Института геологии и геофизики Сибирского отделения АН СССР, руководимой И.В. Лучицким.
В первой группе экспериментов использованы традиционные методы моделирования геологических структур на эквивалентных материалах. Моделировались надвиговые сколы, возникающие в условиях, приближенных к предполагаемой обстановке формирования Акташского надвига при продольном сжатии многослойных толщ. Главной особенностью этих экспериментов является то, что они опираются на разработанную автором методику моделирования конседиментационных структур в процессе непрерывного возрастания нагрузки сверху, обусловленной весом перекрывающих пород. Условия, созданные при моделировании, позволили значительно расширить возможности наблюдения над начальными стадиями развития структурных форм при продольном сжатии слоистых толщ. В результате экспериментов была доказана физическая реальность совместного развития большинства элементарных структур в слоях, близких по механическим свойствам, а также впервые получены отчетливо выраженные поверхности скалывания надвигового типа в высокопластичных, в сущности, неконсолидированных («несвязных») осадках при медленной их деформации.
Во второй группе экспериментов вопрос о природе Акташского надвига рассмотрен в более общей постановке. В соответствии с предполагаемым механизмом этого надвига как дизъюнктива, возникшего вследствие продольного сжатия и изгиба слоистых толщ, были привлечены результаты изучения напряжений в складках, образующихся при продольном изгибе (Бондаренко, Лучицкий, 1969). Для решения этого вопроса был применен поляризационно-оптический метод исследования напряжений в моделях геологических структур.
Общие особенности развития дислокаций в слоистых толщах
Своеобразие дислокаций, возникающих при продольном сжатии слоистой толщи как сложного тела, определяется в первую очередь неоднородным ее строением в направлении, перпендикулярном слоистости. В отличие от неупорядоченной гетерогенности составных тел неодинакового происхождения (глыбовые толщи, конгломераты, «хаотические» структуры, меланж) степень неоднородности слоистой толщи, характеризуемая количеством слоев, различным их составом, мощностью и ритмом переслаивания, сохраняется постоянной вдоль оси сжатия.
Известно, что при сжатии твердых однородных тел деформационные структуры морфологически однотипны и проявляются, например, в виде трещин скалывания или отрыва, располагающихся под определенным углом к оси сжатия в зависимости от механических свойств материала. Значительные изменения в расположении и форме трещин скалывания при постоянной ориентировке оси сжатия отмечаются лишь в процессе пластической деформации.
При выяснении способа зарождения и развития сколовых нарушений надвигового типа и их взаимоотношений с другими типами деформаций, возникающих при продольном сжатии слоистой толщи, необходимо опираться не только на сведения о конечных деформациях, с которыми мы обычно сталкиваемся в поле; они, в общем, отражают деформационные особенности «усредненного» по механическим свойствам грубооднородного материала деформированной толщи. Решающее значение приобретают данные о начальных и промежуточных стадиях процесса деформации, в течение которых взаимодействуют главные элементы внутреннего механизма деформации слоистой толщи: межслоевое скольжение, скалывание, а также всевозможные виды изгиба, приводящие к переориентировке осей напряжения в ходе деформации. Значительное участие в механизме деформации слоистой толщи принимают гравитационные силы. Их влияние особенно заметно во время пластового скольжения (увеличение силы трения) и продольного изгиба (задержка роста антиклинальных складок), а также в условиях различного наклона слоистости и осей деформации к горизонту.
Несмотря на широкое распространение сколовых нарушений среди испытавших складчатость слоистых толщ, данные о конкретных формах связи сколовых нарушений с развитием изгиба слоев остаются весьма предположительными. Главными источниками сведений о возможном ходе внутреннего механизма деформации слоистых толщ являются теоретические построения, механико-математические расчеты, результаты моделирования складок, а также экспериментальные исследования физико-механических свойств горных пород и материалов в различных термодинамических условиях (Воларович, 1960; Лучицкий и др., 1967; Ребиндер, 1960; Розанов, 1962; Фридман, 1960; и др.). Результаты этих исследований позволяют глубже представить механическую обстановку деформации слоистой толщи и полнее учесть многочисленные факторы (время, действие растворов, температуру, всестороннее давление и др.), определяющие ход деформации. Эти факторы влияют не непосредственно, а путем изменения структурно-механических свойств горных пород, слагающих слои, вследствие чего изменяется и сопротивляемость этих слоев деформации. Проведенные в таком направлении в Лаборатории экспериментальной тектоники Института геологии и геофизики Сибирского отделения АН СССР эксперименты по совместной деформации слоев глинистых и карбонатных пород показали, что их прочностные свойства изменяются в широких пределах (Лучицкий и др., 1967). В частности, получены новые данные об условиях перехода высокопластичных пород (влажные глины) в относительно жесткие разности (аргиллиты), а также об увеличении пластических свойств карбонатных пород, считавшихся более хрупкими и жесткими по сравнению с глинистыми породами, которые, напротив, в обычных условиях представляются менее компетентными. Сведения об изменении структурно-механических свойств пород в процессе деформации дают богатый материал для более строгого соблюдения условий подобия при моделировании деформаций слоистых толщ и при подборе эквивалентных материалов, а также при сравнении и оценке известных экспериментальных работ по моделированию тектонических процессов в слоистых толщах.
С целью выбора данных, характеризующих деформацию слоистой толщи, приведем краткий обзор некоторых результатов экспериментальных и теоретических работ, касающихся различных стадий единого процесса деформации слоистой толщи при продольном сжатии.
Наиболее простыми формами проявления продольного сжатия в слоистой толще служат приведенные Ж. Гогелем (1969) примеры компенсации сжатия слоев прямым увеличением их мощности (гомогенное сдавливание) или при наличии проскальзывания между слоями — смятием в пологие складки. Развитие деформаций исключительно в виде сколовых нарушений в слоях из хрупкого материала и образование сложных складок, переходящих в надвиги и шарьяжи при продольном сжатии пластических слоев, показано Б. Виллис и Р. Виллис (Willis В., Willis R., 1934) на моделях аппалачских и шотландских структур. Этими же авторами дано теоретическое обоснование закономерностей размещения плоскостей срезывания, возникающих в результате сжатия однородных толщ, а также соотношения срезывающих деформаций в прочных и упругих «компетентных» слоях.
Моделирование продольного сжатия слоев и механизма образования складок различных генетических типов (складки продольного изгиба, продольного сжатия, продольного расплющивания, по М.В. Гзовскому, 1963) в широком диапазоне условий (упругие, пластичные материалы, всестороннее давление, длительность действия нагрузки и т.п.) выполнено М.В. Гзовским совместно с В.С. Волковым, И.М. Кузнецовой, О.М. Алыповой. Им же изучены механические причины возникновения послойного перемещения, влияющего на способ и место образования, величину и число складок продольного сжатия.
Распределение деформаций в пластичных слоях, подвергнутых продольному сжатию, показано В.В. Белоусовм и Т.М. Гептнер на модели слоистой толщи из петролатума (Белоусов, 1970). При этом установлено значительное расхождение между ориентировкой внутрислоевых напряжений и направлением осей общей деформации.
Динамические условия образования складок в слоистых комплексам при воздействии горизонтальных сжимающих усилий и генеральная ориентировка главных осей деформации в складчатом комплексе при местном изменении осей деформации в единичных складках в результате межслоевого скольжения рассмотрены также Г.Д. Ажгиреем (1966). Наконец, схема механизма образования структур течения вдоль плоскостей, перпендикулярных осям сжатия, представлена в последнее время Е.И. Паталахой (1970) на примере развития структур Успенской зоны смятия.
Образование структур продольного сжатия, отмеченных в первом и последнем из приведенных примеров, происходит, как видно, при крайних условиях. Эти условия определяются прежде всего ведущим значением механических свойств материала, обеспечивающих его перетекание вдоль слоя при различной величине сжатия (слабоконсолидированные, илоподобные осадки). Кроме того, они зависит от степени сжатия, вызывающего напряжения, превышающие прочность любых, слагающих слои пород. Интересующую нас группу нарушений, связанных с продольным сжатием слоистых толщ, составляют разнообразные формы изгиба и скалывания, возникающие при промежуточных у овиях, определяемых механическими свойствами пород и степенью сжатия
Моделирование дислокаций, возникающих в слоистой толще при продольном сжатии. Взаимосвязь складчатых разрывных дислокаций
Физическая реальность совместного развития большинства элементарных структур и дислокаций в слоях, близких по механическим свойствам, иллюстрируется проведенным нами опытом по деформации продольным сжатием серии слоев в процессе непрерывного возрастания нагрузки сверху, обусловленной весом перекрывающих толщ (рис. 15). Такие условия достигнуты последовательным наращиванием моделей новыми слоями, состоящими из мелкозернистых, порошкообразных и глинистых материалов (буровые шламы), осаждаемых в водной среде. Таким образом, кроме выделенной группы слоев, продольному сжатию в каждый момент подвергались различные по «возрасту» и степени предшествующей деформации слои, что позволяло значительно расширить возможности наблюдения над начальными стадиями развития структурных форм в различных условиях.
Близкие к воспроизведенным в опыте условия деформации могут, по-видимому, иметь место при равномерном сжатии толщ и продолжающемся накоплении осадков, что приводит к одновременному образованию конседиментационных и постседиментационных складок (Косыгин, 1969, с, 229), когда «более верхним горизонтам может быть свойственна первая форма проявления складчатости, а более нижним — вторая форма ее проявления». Аналогичная обстановка возникает также при равномерном сжатии разновозрастных комплексов, разделенных поверхностями несогласия или, напротив, когда близкие по возрасту параллельные слои подвергнуты сжатию, возрастающему с глубиной. Натуральная обстановка опыта соответствует условиям деформации рыхлых неконсолидированных осадков в конседиментационную и раннюю стадии формирования слоистых толщ (Кириллова, 1970; Шрок, 1945; Kuenen, 1958; Rettger, 1935).
Соотношения между полученными в эксперименте моделями элементарных структур выявляют общие взаимосвязи в развитии складок, возникающих при продольном сжатии и поверхностей скалывания, осложняющих эти складки. Начальные стадии деформации серии слоев при относительно, небольшой нагрузке сверху характеризуются, как видно на рис. 16, а, общим увеличением мощности этих слоев и возникновением складок в более жестких слоях. Они появляются над участками концентрации пластического материала нижележащих слоев. Впоследствии на крыльях этих складок возникают сколы, растущие от их ядер и постепенно охватывающие верхние слои. В последующем усложнении складчатой структуры в нижних слоях ведущая роль принадлежит уже не изгибу слоев, а их перемещению вдоль сколовых поверхностей при продолжающемся увеличении мощности слоев в результате перетекания материала, особенно заметного в тонкослоистых глинистых пластах по мелкой дисгармоничной складчатости.
Массовое появление сколов приостанавливает в самом начале рост складок изгиба в средней группе слоев (см. рис. 16, Д) и не допускает зарождения новых складок в верхней группе слоев, сохраняющих горизонтальное залегание. Деформации в последних разрешаются исключительно путем скалывания, если не считать изгибов в окончаниях слоев, вызванных отставанием краевых частей модели от резко поднимающейся при сжатии срединной ее части.
Нетрудно видеть, что в конечной стадии проведенного опыта (рис. 16, Б) при наиболее сильном сжатии слоистость толщи, обеспечивающая в начале опыта развитие локальных напряжений, выраженных в образовании складок и осложняющих их разрывов, утрачивает это свойство, обозначая лишь направление смещения блоков. Наступает своего рода «гомогенизация» толщи, причем распределение сколовых поверхностей соответствует известным случаям деформации однородных тел при сжатии. Крайней степенью «гомогенизации» слоистой модели является переориентировка прежних структурных направлений под влиянием пластической деформации и течения в плоскости, перпендикулярной к оси сжатия.
Тенденция к этому намечается выполаживанием нарушений в верхней части модели в результате роста центральной антиклинали, а также образованием в ее ядре субвертикальных направлений скалывания, вдоль которых ориентируются удлиненные обломки жестких прослоев, взвешенные в текущем вверх материале (рис. 17).
На основании изложенного можно заключить, что развитие деформации изгиба как определенной ступени процесса, ведущего к постепенному выравниванию напряжений внутри сжимаемой толщи, заканчивается возникновением первых трещин скалывания в складке продольного изгиба. При дальнейшем сжатии прежние сколы наряду с новообразованными служат для разрядки вновь накапливающихся напряжений, в то время как ранее возникшие складчатые структуры приобретают пассивную роль различных по величиде и форме участков с неоднородным внутренним строением, задерживающих или облегчающих развитие деформаций в новом плане («кусковая» деформация, Белоусов, 1970).
Следовательно, появление множества рассекающих складку трещин скола, сходных по типу с первыми сколами, обусловлено уже иным полем напряжения, не связанным с формированием такой складки. Только этим можно объяснить затруднения при определении генетического типа сколовых нарушений в природных складках по морфологическим признакам и по расположению этих нарушений относительно геометрических элементов складки.
