Геология / 4 курс / Структурный анализ / Казаков_Заика-Новаций
.pdfВ.С. ЗАИКА-НОВАЦКИЙ А.Н. КАЗАКОВ_______________
Структурный
АНАЛИЗ
иОСНОВЫ
структурной
ГЕОЛОГИИ
Допущено Министерством высшего
и среднего специального образования УССР
вкачестве учебного пособия для студентов геологических специальностей университетов
КИЕВ
ГОЛОВНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ИЗДАТЕЛЬСКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ «ВЫЩА ШКОЛА»
1989
ББК 26.3я73 3-17
УДК 551.1/4(07)
Р е ц е н з е н т ы : кандидаты геолого-минералогических наук В. П . Камышан и Ю. И. Кац (Харьковский госуниверситет), М. И. Трипольская (Ин ститут геологических наук АН УССР)
Редакция литературы по биологии и географии Редактор А. Ф. Трегуб
Заика-Новацкий В. С., Казаков А. Н.
3-17 Структурный анализ и основы структурной геологии: Учеб. пособие.— К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989.— 279 с.: ил.
ISBN 5-11-001203-2.
Описаны формации и деформации как результат геологических процес сов. Охарактеризованы складки и разрывы в широком диапазоне их мор фологии и размеров. Значительное внимание уделено структурной петроло
гии. Приведены примеры вулкано-тектонических структур и |
астроблем. |
||
|
Структурный, в частности, геометрический, анализ рассматривается н реко |
||
|
мендуется для использования при крупномасштабном геологическом карти |
||
|
ровании. Широко представлены данные по метаморфическим комплексам |
||
|
докембрия и структурам Украины. |
|
|
|
Для студентов геологических |
специальностей университетов. М ожет |
|
|
использоваться аспирантами и как методическое руководство специалис |
||
|
тами. |
|
|
1804030000—145 |
|
ББК 26.3я73 |
|
3 |
144—89 |
|
|
М211(04)—89 |
|
|
|
ISBN |
5-11-001203-2 |
© Издательское |
объединение |
«Выща школа», 1989 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Роль структурной геологии и возможность обучения структур ному анализу в системе высшего геологического образования до сих пор относительно невелики. Причины следующие: недостаток специалистов, некоторая неопределенность содержания норматив ного курса «Структурная геология, геологическое картирование и дистанционные методы исследования» и значительное дублирова ние в программах родственных курсов, отсутствие учебной практи ки по специальности «Геологическая съемка, поиски и разведка полезных ископаемых». Создавшееся положение оказывает нега тивное влияние на уровень подготовки специалистов, что автомати чески сказывается на качестве выполнения новой программы гео логического изучения территории СССР (Госгеолкарта-50 и новые виды региональных работ).
Остановимся на актуальных вопросах собственно структурной геологии и структурного анализа, решение которых призвано ока зать существенное влияние на модернизацию названного выше нор мативного курса.
1. Назрела необходимость четко определить рамки структурной геологии на основе определения ее предмета и методики. Кажется логичным привычное выделение трех основных дисциплин — гео тектоники, региональной тектоники и структурной геологии, каж дая из которых оперирует своими структурно-аналитическими ме тодиками, направленными на познание соответствующих уровней структурной организации земной коры.
Глобальный структурный анализ — методика геотектоники — при выделении своих предметов в значительной мере опирается на достижения геофизики, петрологии («глобальной петрологии») и сравнительной планетологии. Результаты синтезированы в виде «новой глобальной тектоники».
Региональный структурный анализ — методика тектоники — со средоточен на структурах, выделяемых при мелко- и среднемас штабном картировании. Описание методов находим в многочислен ных работах по геологии СССР. Одновременно тектоника служит основой и критерием истины геотектоники и фоном для структур- но-геологических исследований.
Локальный структурный анализ — методика структурной геоло гии — рассматривает структуры на уровне крупномасштабного кар-*
3
тирования и малые структурные формы, целиком наблюдаемые в обнажениях и даже в штуфах. В познании механизма их образова ния ведущее значение принадлежит тектонофизике, включая гео метрический и микроструктурный анализы, и эксперименту.
2.Учение о структурных парагенезисах, наложенной складча-> тости, структурной эволюции, тектонофациях должно занять до стойное место в тематике курса структурной геологии. В свете этого учения хорошо известные, казалось бы разрозненные структурные элементы предстают в виде единой взаимосвязанной и взаимообус ловленной системы, способной под воздействием меняющихся по интенсивности и направленности полей тектонических напряжений развиваться во времени и объединяться в пространстве в законо мерные сочетания, образуя структурную зональность. Пространст- венно-временные связи структур конкретизируются в виде профилей тектонофаций и структурно-возрастных шкал.
3.Применение структурного анализа позволило с небывалой точностью определять возраст различных эндогенных процессов по их отношению к разновозрастным структурным элементам камен ной ткани породы. Нанизывая на пространственно-временную струк турно-текстурную канву эндогенные явления, исследователь созда ет впечатляющую картину, объективно отражающую результаты региональной и местной геологической кинематики.
Достижения регионального и локального структурного анализа пока не нашли должного отражения в изданных учебных пособиях
ивключены в программы курса структурной геологии лишь неко торых вузов. Предлагаемое пособие восполняет этот пробел, в силу чего может быть рекомендовано не только студентам, но и специа листам.
Глава 1. СОДЕРЖАНИЕ, ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ И ИСТОРИЯ СТРУКТУРНОЙ ГЕОЛОГИИ
Структурная геология является основой тектонических иссле дований. Ее объекты — складки, разрывы, магматогенные тела. Теоретическая основа — учение о деформациях горных пород. Еще 10—20 лет тому назад главнейшей задачей структурной геологии считалось изучение формы залегания горных пород (Г. Д. Ажгирей, В. В. Белоусов, Г. Н. Сапфиров). В настоящее время этого недо статочно. Ныне в структурной геологии рассматриваются такж е вопросы напряженного состояния геологических тел, эволюции складчатых и разрывных структур, генезис структурных форм и закономерности их пространственного размещения.
Методами структурной геологии изучаются в основном объекты среднего масштаба, видимые в обнажении или группе обнажений. Микрообъекты, которые можно наблюдать в образцах и шлифах, входят в сферу микроструктурного анализа. Крупные структуры, выявленные на геологических картах, рассматриваются тектоникой. Вместе с тем нельзя провести резких границ между структурной геологией и микроструктурным анализом, между структурной гео логией и тектоникой. При изучении структур приходится обращать ся к таким микрообъектам, как линейность, планарность, мелкие структуры и т. п. Границы структурной геологии и тектоники очень расплывчаты, так как складчатые структуры по своим размерам составляют непрерывный ряд.
Структурная геология имеет большое значение для геологосъемочных, поисковых и резведочно-эксплуатационных работ, так как залежи полезных ископаемых связаны с определенными типа ми структурных форм. Наш выдающийся исследователь рудных месторождений академик С. С. Смирнов говорил, что прикладная геология (т. е. геология, непосредственно выявляющая полезные ископаемые) — это структурная геология.
Структурная геология возникла, как и другие отрасли геоло гических знаний, из запросов горной практики. Тектонические структуры вполне определенно были известны уже в XVIII в. В частности, в известных трудах М. В. Ломоносова «О слоях зем ных» и «Первые основания металлургии или рудных тел» описаны условия залегания жил и приведена их классификация по «горизон ту» и «в рассуждении вертикальной линии», различалась «навис шая и лежачая» стороны жил; отмечалась роль разрывных смеще
5
ний — «простенков» при эксплуатации месторождений полезных ископаемых пластового и жильного типов. М. В. Ломоносов отчет ливо различает первичное и вторичное залегания горных пород: «Наклонное положение камней диких к горизонту показывает, что оные слои сворочены с прежнего своего положения, которое по ме ханическим и гидростатическим правилам должно б быть горизон тально...»
Однако потребовалось более столетия, прежде чем структурная геология стала обособливаться как самостоятельная ветвь геологи ческой науки, приобретая только ей присущие черты. С тех пор как структурная геология определилась в самостоятельную дисципли ну, что можно, вероятно, отнести к середине прошлого века, в ней различаются три направления: 1) изучение структурного состояния горных пород и участков коры, что достигается посредством рас смотрения геологических разрезов и структурного анализа геоло гических карт, позволяющих устанавливать пространственные соот ношения дислокаций; 2) механизм деформаций; 3) история дефор маций. Первое направление хорошо известно, поскольку учебные пособия по структурной геологии представляют в своем большин стве изложение достижений и применяемых методов именно в этой области. Нет также недостатка в убедительных примерах регио нального структурного анализа, основывающегося на материалах региональной, крупно- и среднемасштабной геологической съемки и тектонических исследований. Второе направление методически оказалось более сложным, в связи с чем лишь в последние годы возникли условия для систематического изложения последователь ности, механизма (кинематики и динамики) деформаций, в первую очередь, складчатых.
В начале XIX в. «вопросы геометрии дислокаций получили боль шое развитие. Было понято, что основной формой залегания слоев в горных местностях является складка, и тщательное изучение рас пределения складок составило на долгое время едва ли не главную задачу региональных геологических исследований» (В. В. Белоусов, 1954).
В XX в., главным образом во второй его половине, доминанта складчатости в структурной геологии перешла к разломам и раз рывам, что связано с возникновением учения о глубинных разло мах, с новыми данными о блоковом строении земной коры и пла нетарной системе трещиноватости (регматическая сеть), а начиная с 60-х годов — с идеями новой глобальной тектоники.
Вместе с тем нужно отчетливо представлять, что рассматривае мое направление структурной геологии формировалось преимуще ственно на материале тектоники осадочных комплексов складчатых областей и платформ, древних и молодых. Тектоника метаморфи ческих и плутонических образований, а также изучение вулкано- и плутоно-тектонических структур, сравнительно с тектоникой оса дочных комплексов, явно и существенно отставали в связи со сла бым теоретическим и методическим обоснованием этих разделов структурной геологии.
6
Изучение механизма деформаций включает распознавание фи зического напряжения, изменяющего первоначальную внешнюю форму геологического тела (например, изгиб) и способы внутрен него перераспределения вещества. В конце XIX в. было установле но, что главнейшим внутренним процессом является пластическое течение, которое приводит к изменению формы тела без изменения его сплошности.
Одновременно с теорией появился эксперимент с целью воспро изведения деформаций в геологических условиях. Особенно интен сивно экспериментальные исследования развернулись, начиная с середины 50-х годов, когда региональные геологосъемочные рабо ты активно стимулировали как изучение морфологии структур и разработку морфологических классификаций, так и выяснение ме ханизма структурообразования, благодаря чему закладываются ос новы новой отрасли структурной геологии и геотектоники — тектонофизики, физической теории тектонических процессов.
Третье направление — история деформаций — наиболее интен сивно развивается за последние десятилетия. Структурная геология и ее методика пополнились новыми перспективными разделами, среди которых, в первую очередь, следует назвать тесно связанные между собой исследования наложенных структур, установление структурной эволюции и учение о структурных парагенезисах.
Современная структурная геология приобрела большую само стоятельность в системе геологических знаний. Используя регио нальные и локальные материалы геологического картирования, с одной стороны, классические и новейшие достижения соответствую щих разделов физики, с другой, структурная геология, при помоши универсального метода структурного анализа, все глубже прони кает в детали разнопорядковых тектонических структур, а также в механизм (кинематику и динамику) их образования.
Контрольные вопросы, задания. 1. Укажите различия предметов и методов структурного анализа при изучении структурной геологии, тектоники и геотекто ники. 2. Какие основные этапы становления структурной геологии как самостоя тельной отрасли геологической науки? 3. Определите содержание структурного анализа.
Глава 2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ
Первопричиной всех геологических преобразований, происходя щих в земной коре, являются процессы, протекающие во внутрен них оболочках Земли. Из этих процессов наиболее важна конвек ция, сущность которой заключается в потоках тепла и вещества, образующих конвективные ячейки внутри Земли. Конвекционные движения захватывают мантию и ядро. Конвективный теплоперенос является самым главным глубинным процессом, так как он до ставляет энергию, необходимую для протекания всех геологических процессов в наружных оболочках Земли — в земной коре и верхней мантии.
7
Притоки и оттоки глубинного тепла и вещества в тангенциаль ном направлении (параллельно поверхности Земли) непосредствен-, но под земной корой вызывают разрывы в ней и образование про гибов, которые, заполняясь осадками, формируют геосинклинальные зоны. Встречные или неравномерные движения тепла и вещества приводят к тектоническим процессам в земной коре — к образова нию складчатых зон, разрывных нарушений. Притоки тепла в зем ную кору вызывают в ней метаморфические процессы, магматичес кую (плутоническую) и вулканическую деятельность.
Главнейшими структурообразующими процессами в земной коре являются тектонические процессы. Метаморфизм и магматизм при некоторых условиях генерируют складчатые и разрывные струк туры, но чаще находятся в парагенетических отношениях с тектони ческими процессами (одновременны, но независимы).
2.1. Тектонические процессы
Протяженные складчатые и разломные зоны, в строении кото рых принимают участие огромные объемы горных пород, возника ют как следствие приложения эндогенных сил. Складчатый процесс генерирует многочисленные и разнообразные структуры и тексту ры. В зависимости от характера и направления приложения сил в местных полях напряжений образуются складки различного раз мера и формы, которые пространственно группируются в скучивания, ансамбли и цепи. Нередко складчатые структуры одного раз мера и одной морфологии покрывают большие площади (голоморф ная складчатость). Одновременно со складчатостью образуется плоскостной элемент — кливаж. Складчатость периодически повто ряется, образуя складчатые наложения. Совокупность складчатых этапов составляет деформационный цикл.
В условиях метаморфизма складчатость сопровождается глубо кой необратимой перестройкой и перекристаллизацией горных по род. Одновременно появляется комплекс минеральных новообразо ваний, закономерно и симметрично ориентированных относительно геометрических элементов складки (структурно-метаморфический парагенезис).
Образование разрывов, особенно крупных и крупнейших, глу бинных, коровых и мантийных, длительно развивающихся, в конеч ном итоге формирует новые структурно-вещественные тела, протя гивающиеся подчас на тысячи километров при мощности в несколь ко и даже в первые десятки километров. В случае относительно слабой перестройки горных пород разрывы проявляются в виде систем трещиноватости и смещений — закономерных кинематичес ки взаимообусловленных структурных парагенезисов. Складчатость и образование разрывов теснейшим образом взаимосвязаны, но на разных этапах развития той или иной тектонической зоны, склад чатой, например, ведущая роль принадлежит либо складкам, либо разрывам. Образование складчатой структуры в предельном слу чае завершается разрывами, закономерно ориентированными отно
8
сительно координат складки. С другой стороны, складчатые струк туры выступают как производные разрывов при движении текто нических покровов и при смещениях по сдвигам. При достижении предела прочности вещества складки вспарываются вдоль осевых плоскостей или продолжающееся расплющивание разрешается в виде системы наклонных или вертикальных взбросов — слайдов.
2.2. Метаморфизм
Главным фактором, вызывающим метаморфизм горных пород, является глубинный тепловой поток. Если он распространяется на большие -объемы коры и равномерно, то это приводит к региональ ному метаморфизму. Если же тепловой поток локализован в какихто более узких границах, то на его периферии температура посте пенно понижается, что фиксируется в одновременно возникших зонах с минералами разной температуры кристаллизации — зо нальный метаморфизм. Глубинное тепловое метаморфогенное воз действие может быть неоднократным.
Состав минеральных ассоциаций зависит от температуры теп лового потока. В прогрессивном температурном ряду есть важней ший рубеж, при котором за счет селективного плавления появляется иное фазовое состояние вещества — расплав. Этот переход означа ет начало ультраметаморфизма. Расплав в мелких порциях раз мещается внутри метаморфизованной толщи, давая такие, напри мер, породы как мигматиты, или может внедряться в более верхние
горизонты в виде мелких интрузий. |
|
||
Условия |
образования |
метаморфических пород |
отличаются в |
первую очередь, высокими значениями температуры |
(свыше 300 °С) |
||
и давления |
(свыше 1200 |
кг/см2). Как следствие, |
формирование |
структур метаморфических толщ происходит при пониженной вяз кости («размягченности») и повышенной механической и химичес кой неустойчивости и подвижности вещества горных пород. Поэто му, хотя структуры метаморфических толщ по своей морфологии (геометрии) принципиально не отличаются от структур, присущих осадочным толщам, морфологическая контрастность метаморфи ческой тектоники исключительно высока и проявляется даже в ма лых объемах (образцах) горной породы. Метаморфические про цессы способны ликвидировать исходную слоистость или иные пер вичные неоднородности, которые заменяются принципиально новой текстурой, генетически обусловленной метаморфической дифферен циацией и перекристаллизацией вещества горных пород. Такая псевдослоистая полосчатая толща является одновозрастной во всех своих частях, в целом соответствуя по времени создавшей ее эпохе метаморфизма. Понятно, если метаморфическая толща не содер жит реликтовые признаки исходных пород и их слоистой анизотро пии и, следовательно, невозможно также восстановить исходную, дометаморфическую структуру, геолог во время съемки создает принципально новую геологическую карту, цвета которой обуслов лены не возрастом пород, а отражают лишь петрографический со
9