■3. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В НЕОДНОРОДНОЙ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ

.. .Так и природа, доведя До совершенства всякое свое,

Искусное подчас, сооруженье, Вмиг начинает разрушать его, Швыряя вкруг разрозненные части.

Дж. Леопарди. Песни (1831 г.)

Основным свойством геологической среды является неоднородность ее строения. В отличие от сплошной среды, свойства которой в физических моделях равномерно распределены по всему объему, геологическая среда по своей природе является резко неоднородной. В любой горной породе физические свойства меняются от зерна к зер­ ну и от слоя к слою. Физическая модель сплошной среды позволяет математически непротиворечиво описать деформацию некоторого объема среды только в том слу­ чае, если рассматриваемый объем значительно (на несколько порядков) превосходит размер неоднородностей среды. Прямые и множественные наблюдения свидетельс­ твуют о том, что наблюдаемые геологические структуры сформированы собственно неоднородностями и благодаря им, иначе структурный результат был бы неразличим. С точки зрения структурного анализа (см. разд. 2.1) нас интересуют прежде всего неоднородности и их роль при деформации, а не абстрактная физическая модель де­ формации некоторого объема.

3.1. Концентраторы напряжений и их типы

При нагружении неоднородно построенного объема распределение в нем напря­ жений также будет неоднородным. Концентраторами напряжений называют участки среды, в которых напряжения благодаря присутствию неоднородностей превышают средние напряжения в данном объеме. В реальной геологической среде величина и нормальных, и касательных напряжений изменяется от точки к точке благодаря слож­ ному распределению действующих сил в деформируемом объеме, определяющемуся концентраторами напряжений.

В физике понятие концентраторов напряжений было предсказано теоретически в начале XX в. на примере отверстий в конструкционных материалах и впоследствии было подтверждено экспериментально. Так, при растяжении металлической пластин­ ки вблизи контура отверстия уровень напряжений в несколько раз выше, чем вдали от него (рис. 3.1). Таким образом, резкое изменение формы поверхности упругого тела приводит к появлению концентраторов напряжений в непосредственной близости от такого места. Явление возникновения локального пика напряжений получило назва­ ние концентрации напряжений [Партон, 1990]. Бытовой и общепонятный смысл кон-

	Структурообразование в неоднородной геологической среде							71
Рис. 3.1. Концентратор напряжений вбли­			т	1т	тт 1	Т	Т 1	Т	t
зи	контура эллиптического	отверстия
в	металлической пластинке.	Решение
Колосова-Инглиса: для эллипса с соот­					А	К
ношением полуосей а/Ь = 3 напряжения
в концентраторе (<тк) превышаются в 1 +
2{alb) = 7 раз [Партон, 1990].			т Т Г				tH m = :
					2а

I I I I 1 I I 1 I I I

центрации напряжений и последующего разрушения в области концентраторов очень емко выражен в пословице «где тонко, там и рвется».

Вгеологических объемах концентраторы распределены по всему объему, пос­ кольку резкие изменения поверхностей (границы зерен, шарниры складок, разрывы) распространены повсеместно [Талицкий, 1991,19946; Талицкий, Галкин, 1989,1997а

идр.]. Для иллюстрации достаточно привести примеры концентрации напряжений

уокончаний трещин, а также вокруг жестких включений (например зерен пирита) в матриксе (см. разд. 4.6, 5.1.2, 5.5). Как в конструкционных материалах, так и в горных породах напряжения вблизи концентраторов могут расти не бесконечно, а лишь до некоторых определенных пределов. Самое важное, что именно в областях концентра­ ции напряжений активизируются необратимые процессы пластической деформации, направленные на снижение этой концентрации, и именно в областях концентраторов начинается разрушение путем образования трещин скола или отрыва.

Вобластях концентраторов напряжений и скорость, и величина деформации должна быть выше, чем в целом по объему породы, и, таким образом, наличие кон­ центраторов напряжений приводит к неравномерному распределению деформаций (часто говорят об областях концентраторов деформаций, или областях сконцентри­ рованных деформаций). Результатом деформации в областях концентраторов напря­ жений является образование различных геологических структур. В зависимости от доминирующих механизмов деформации это могут быть как структуры сжатия, так и структуры растяжения. В соответствии с этим можно говорить о концентраторах на­ пряжений сжатия и растяжения. Несмотря на многообразие геологических структур, морфологические типы неоднородностей, которые они образуют, а следовательно и типы концентраторов напряжений, немногочисленны.

Пространственный тип концентратора характеризует морфологию участка повы­ шенных напряжений. В геометрическом смысле можно говорить о точечно-объемных (точечных), линейно-объемных (линейных), уплощенно-объемных (плоскостных) и собственно объемных концентраторах (рис. 3.2).

Кточечным концентраторам относятся, например, участки соприкосновения жестких зерен (см. рис. 3.2, а). В общем случае участок соприкосновения зерен может

74

Глава 3

(103-105 м). Масштабные уровни соответствуют размерам неоднородностей в кристал­ лах, горных породах, толщах, регионах [Лукьянов, 1997]. Такой масштабный подход в целом оправдывает себя, так как отражает наиболее статистически вероятные размеры неоднородностей геологической среды.

Вместе с тем, наличие расслоенности приводит к формированию как километро­ вых складок (103-104 м), так и микроскладчатости, кливажа плойчатости и кинкбандов (1СИ-10-2 м), в том числе внутрикристаллических (< 10~5 м). Зерновой уровень также может выходить за отведенный для него масштабный интервал (10_3—10° м), как для ультрамилонитов (10^-10-5 м), так и для валунных конгломератов и глыбовых брекчий (10°-102 м). В то же время, обломки в тектонических брекчиях могут рассмат­ риваться как блоки с уменьшением размера блоковых структур до 10-2 (микроблоки). Поэтому, хотя общая структурная организация геологической среды должна рассмат­ риваться в общей последовательности уровней (блоков и ансамблей блоков - слоев и пачек слоев - зерен и агрегатов зерен - внутризернового), их масштабная шкала не может трактоваться строго, а определяется размером различных типов структурных неоднородностей (рис. 3.5).

Наиболее важным следствием уровневой организации является способность структурных неоднородностей разного уровня формировать различные типы концен-

10"

КГ8

10^

10-3

10-2

101

10°

101

102

1 03

1 04

1 06

1 0е

* даик

И минеральные

,I | ....

-и муллионы

кинкбанды I

сланцеватость

SC-тектониты

Рис. 3.5. Масштабная шкала основ­

межэерновой

ных деформационных структур.

кливаж

плойчатости

нарастания^

структуры теней давления

И порфиробласгы

порфирокласты

В -

внутризерновые

структуры

10*

10-“

10^

10-3

10*

101

10*и

101

102

1 03

ю411

ю*

10е • м

микроуровень

■ —миниуровень

макроуровень-*-!-— мегауровень-----