Сгруктурообразование в неоднородной геологической среде

75

траторов напряжений, обусловливающих, в свою очередь, характер деформации гео­ логической среды.

3.3. Модель среды со структурой и мезомеханика

Любой физический процесс может быть изучен, описан математически, смодели­ рован. С точки зрения механики твердого тела, процесс пластической деформации и разрушения твердых тел можно описать на основе двух подходов: механики сплошной среды и теории дислокаций. В механике сплошной среды (см. разд. 1.1) поведение ма­ териала под нагрузкой объясняется с помощью интегральных характеристик среды: внутренняя структура материала не учитывается, тензоры напряжений и деформаций являются симметричными. Модели механики сплошных сред успешно применяются для решения ряда тектонических задач (например [Теркот, Шуберт, 1985]), ограничи­ вая круг таких задач гипотезами, положенными в основу модели.

Теория дислокаций в кристаллофизике описывает микроскопическое поведение твердого тела: на основе изучения элементарных пластических деформаций опреде­ ляются механизмы зарождения пластических трещин, объясняется поведение дисло­ кационных ансамблей и дается физическая интерпретация феноменологических зако­ номерностей механики сплошной среды. Полученные закономерности используются

вструктурном анализе для интерпретации внутрикристаллических дислокационных структур (см. гл. 4).

Впоследние годы возникло новое направление - физическая мезомеханика струк­ турно-неоднородных сред, в основе которой лежит концепция структурных уровней деформации твердых тел (журнал «Физическая мезомеханика» издается с 1998 г.). Фактически физическая мезомеханика является связующим звеном между механикой сплошной среды и физикой дислокационной пластичности. Предметом физической мезомеханики является рассмотрение нагруженного твердого тела как многоуров­ невой самоорганизующейся системы, уровни которой (микро-, мезо- и макро-) ор­ ганически взаимосвязаны [Панин и др., 1990, 1995]. В такой синергетической моде­ ли пластическая деформация рассматривается как многоуровневый релаксационный процесс, в котором самоорганизация локальных структурных превращений обуслов­ ливает формирование диссипативных структур, эволюция которых определяет харак­ тер пластического течения и разрушения материала.

Врамках физической мезомеханики пластическая деформация твердого тела связа­ на с потерей телом сдвиговой устойчивости и протекает как многоуровневый релакса­ ционный процесс. Вначале потеря сдвиговой устойчивости происходит на микроуровне

влокальных зонах кристаллической решетки. Возникающие на структурных неодно­ родностях микроконцентраторы напряжений вызывают локальную перестройку крис­ таллической решетки в определенных кристаллографических направлениях. В ходе де­ формации плотность дислокаций возрастает, и при некотором ее критическом значении теряется сдвиговая устойчивость в протяженных областях решетки. Согласно мезомеханике [Панин и др., 1990,1995], это и есть мезоуровень. На мезоуровне становятся воз­ можными перестроения на большие расстояния в произвольных кристаллографических

76 Глава 3

направлениях, возникают новые типы дефектов (мезодефекты - дисклинации, полосо­ вые текстуры, кинкбанды, микродвойники, ламели и др.), зарождающиеся на мезоконцентраторах напряжений и распространяющиеся на большие расстояния через многие структурные элементы независимо от их кристаллографической ориентации. Мезоде­ фекты, содержащие как сдвиговую, так и поворотную компоненту деформации, делают возможным перемещение в деформируемом твердом теле объемных структурных эле­ ментов различного масштаба: субзерен, зерен, их агрегатов, протяженных фрагментов материала (субблоков). На мезоуровне движение структурных элементов различного масштаба как целого становится определяющим механизмом деформации.

Когда мезодефекты пронизывают все сечение образца, наступает потеря сдвиго­ вой устойчивости на макроуровне: сдвигонеустойчивым становится весь образец в целом. В определенном сечении образца формируется сильный макроконцентратор напряжений, который локализует макродеформацию и инициирует самосогласован­ ное развитие всей системы мезодефектов в данном сечении. Это приводит к возник­ новению в зоне локализации деформации несплошностей, фрагментации материала и его разрушению [Панин и др., 1995].

Таким образом, в модели мезомеханики структурно неоднородной среды рассмат­ ривается деформация некоторого кристаллического образца. В каждом недеформированном «идеальном» кристалле новая структура приобретается за счет формирова­ ния и упорядочения (скопления) дислокаций, что приводит к дефектности кристалла за счет появления ослабленных, переполненных упорядоченными дислокациями по­ верхностей. Фактически, с этого момента более энергетически выгодной становится дальнейшая деформация кристаллов за счет сдвига вдоль этих поверхностей. Иными словами, деформация перешла на следующий, вновь сформированный структурный уровень - кристаллы «разбились» плоскостными неоднородностями. На этом новом уровне смещение отдельных достаточно больших фрагментов кристаллической ре­ шетки друг относительно друга приводит к формированию новых более крупных дефектов (кинкбандов, двойников, ламелей), которые, зарождаясь на мезоконцентраторах нового структурного уровня, распространяются в образце, выходя за пре­ делы отдельных кристаллов: формируются новые субзерна (домены разбитых неод­ нородностями кристаллов), которые вместе с кристаллами образуют совокупность (агрегат), разбитый мезодефектами. После того как вновь образованные дефекты пронизывают все сечение образца, в некоторых зонах, ориентировка мезодефектов в которых наиболее «благоприятна» для образования макротрещины, происходит фор­ мирование сколовых трещин, и образец разрушается. Образование упорядоченной системы мезодефектов предвосхищает переход деформации на новый уровень, на котором наступает фрагментация образца с формированием новой макроструктуры (сколовой трещины), перемещение по которой оказывается более энергетически вы­ годным.

Физическая мезомеханика рассматривает процесс деформации твердого тела как многоуровневый релаксационный процесс. Напомним, что релаксацией (см. рис. 1.20) называется снятие упругих напряжений в теле за счет пластической деформации. С точки зрения мезомеханики, пластическая деформация осуществляется за счет релак­ сационной работы в концентраторах напряжений.

Сгруктурообразование в неоднородной геологической среде

77

Конечно, принципы физической мезомеханики напрямую неприменимы к геоло­ гическим объектам, которые являются более сложно построенной системой по срав­ нению с образцом кристаллического вещества. Интуитивно понятно, что основные закономерности деформации в геологической среде должны быть тесно связаны с ос­ новными закономерностями физической мезомеханики. В строении любого геологи­ ческого объекта существует значительное число неоднородностей, которые при его на­ гружении выступают в качестве концентраторов напряжений. Фактически, в отличие от идеальной модели деформируемого кристаллического образца геологическая среда изначально разбита на ряд уровней структурной организации (зерна, слои, блоки), каж­ дый из которых в любой момент своего развития уже перенасыщен неоднородностями, которые при нагружении данного объема могут выступать в качестве концентраторов напряжений [Пономарев, 1987; Родионов и др., 1986; Садовский, 1989].

Именно неоднородности, как внутренние (неоднородности строения и состава), так и внешние (неоднородности РТ-условий деформирования и др.), являются основ­ ным фактором структурообразования. В рамках такого подхода геологическая среда представляется неоднородной иерархически построенной системой разномасштаб­ ных структурных элементов, а подобные модели объединяются под названием моде­ лей среды со структурой, или моделей структурированных сред. Модели геологичес­ кой среды и особенности структурообразования с точки зрения такого подхода были детально разработаны В.Г. Талицким и В.А. Галкиным [Талицкий, 1991, 1992, 19946; Талицкий, Галкин, 1989, 1997а и др.].

3.4.Модель среды со структурой применительно

кгеологической среде

Осуществляемое в процессе тектонических деформаций структурообразование зависит не от осредненных полей напряжений, а от их концентраторов, распределение которых, в свою очередь, определяется детальной структурой геологической среды [Талицкий, 1991, 19946; Талицкий, Галкин, 1989, 1997а и др.]. В рамках такого под­ хода геологическая среда представляется неоднородной иерархически построенной системой разномасштабных структурных элементов.

В простейшем виде изначально неоднородная иерархически построенная геоло­ гическая среда состоит из внутризернового уровня, уровней зерен и агрегатов зерен, слоев и пачек слоев, блоков и ансамблей блоков. Каждый из последующих уровней включает в себя предыдущие (см. рис. 3.4).

Распределение напряжений контролируется внутренней иерархической структу­ рой системы, концентрируясь на неоднородностях разных структурных уровней, так что соответствующие им поля напряжений, накладываясь одно на другое, образуют единое интегральное резко неоднородное поле напряжений с концентраторами раз­ ного масштаба и интенсивности и, таким образом, иерархия структурных уровней порождает иерархию полей напряжений.

Остаточные деформации в нагружаемой геологической среде возникают при до­ стижении предельных значений напряжений в концентраторах и необратимых дефор­

78

Глава 3

мационных процессах. Эти процессы могут осуществляться как механическим, так и физико-химическим путем, но все они в конечном итоге ведут к релаксации (снятию) напряжений в концентраторах. Естественно, что концентраторы любого уровня обла­ дают собственными механизмами и временами релаксации, поэтому деформационные процессы происходят не хаотически, а закономерно и упорядоченно, последовательно переходя с уровня на уровень [Талицкий, 1991, 19946; Талицкий, Галкин, 1997а]. Эта «программа» деформационного процесса зависит от внешних термодинамических ус­ ловий, типа нагружения и от внутреннего строения самой среды.

В работе [Талицкий, Галкин, 1997а] приводится один из примеров действия кон­ центраторов и структурных перестроек при деформации (рис. 3.6). Предположим, что некоторый объем геологической среды, состоящий из минеральных зерен, объеди­ ненных в слои, сжимается в направлении, параллельном слоистости. При этом в кон­ центраторах напряжений зернового уровня (на контактах зерен) быстрее достигается предел упругости, после чего зерна испытывают пластическую деформацию, ско­ рость которой зависит от уровня напряжений. При такой деформации зерна начинают сплющиваться, формируя перпендикулярную оси сжатия текстуру. При этом точеч­ ные контакты зерен (точечные концентраторы) вдоль границ постепенно заменяют­ ся плоскостными с постоянно увеличивающейся площадью. Уровень напряжений в концентраторах падает и, следовательно, для поддержания той же скорости деформа­ ции в системе требуется увеличить внешние усилия. Если к такой системе приложить силу, при которой напряжения на контактах зерен превысят предел упругости, но не достигнут предела прочности, и оставить систему в нагруженном состоянии на неко­ торое время, в ней начнется формирование текстуры с изменением точечных контак­ тов на плоскостные (как это происходит при формировании межзернового кливажа, см. разд. 4.6, 5.1.2) с постепенной релаксацией напряжений.

модель среды с исходной структурой

У Р О В Е Н Ь Б Л О К О В

у п р о ч н е н и е

У Р О В Е Н Ь З Е Р Е Н

структурный результат деформации

Рис. 3.6. Принципиальная схема перестроек исходной структуры геологической среды при складкообразовании в терригенной толще [Талицкий, Галкин, 1997а].

Сгруктурообразование в неоднородной геологической среде

79

Замена точечных концентраторов на плоскостные - это не единовременный акт,

асогласованное действие множества концентраторов, более или менее равномерно распределенных по объему среды. При деформации с образованием плоскостных кон­ тактов деформационные процессы могут мигрировать из областей концентраторов, преобразованных в плоскостные, в области точечных концентраторов, и так до тех пор, пока подавляющая часть концентраторов не станет плоскостными - сформирует­ ся новая текстура породы.

Поскольку смена точечных концентраторов плоскостными сопровождается сни­ жением напряжений в них, то и скорость деформации снижается, и для поддержания скорости деформации на том же уровне требуется увеличить внешние действующие напряжения. Такой тип пластической деформации, для увеличения которой требуется дальнейшее увеличение нагрузки (и, соответственно, напряжений), называется де­ формационным упрочнением - тело начинает оказывать большее сопротивление де­ формации. Деформационное упрочнение постепенно ведет к исчерпанию механизмов деформации, связанных с уровнем зерен, так как происходит перестройка структуры и вслед за ним - поля напряжений.

При продолжающемся нагружении того же плана деформация перейдет на другой структурный уровень - уровень слоев (см. рис. 3.6). Если при деформации на уровне зерен слои лишь испытывали небольшое укорочение и увеличение мощности, то при потере устойчивости слои начинают изгибаться в складки. Самоорганизация складко­ образования проявляется в пропорциональной зависимости длины волны складок от мощности слоев (см. разд. 7.4.1) при заполнении складками всего геологического про­ странства, в котором развивается складчатая деформация. При переходе деформации на уровень слоев при неизменной ориентировке внешних сил происходит перерасп­ ределение ориентировок внутренних сил, действующих в различных частях складки и вызывающих деформацию ранее образованных структур.

После формирования складок, релаксационные возможности которых также ис­ черпываются за счет увеличения трения между слоями на крыльях растущих складок, образуются тектонические разрывы и деформация переходит на новый структурный уровень - уровень блоков. Крылья складок, повернутые под углом к действующим силам, являются элементами структуры, наиболее подготовленными для «срывов» по ним и формированию син- и позднескладчатых разрывов. При переходе деформа­ ции на уровень блоков изменяются масштабы и механизмы релаксации напряжений,

атакже резко перестраивается характер деформационного процесса. На этой стадии деформация системы в целом происходит путем перемещения и поворотов новообра­ зованных блоков, а деформация внутри системы локализуется (концентрируется) на границах блоков в зонах тектонических разрывов. В условиях сдвигового нагружения на границах блоков образуются структуры и их сочетания, кинематический анализ которых позволяет восстанавливать направление перемещения блоков по разрывам и как результат - ориентировку внешних сил.

Можно считать, что закономерности взаимодействия деформационных механиз­ мов разных структурных уровней контролируются соотношением скоростей двух процессов: скорости нагружения системы (К) и скорости релаксации напряжений ( F ) механизмами того или иного структурного уровня. В любой момент времени мож­

80

Глава 3

но выделить доминирующий механизм, вносящий наибольший вклад в деформацию объема на том уровне, в концентраторах которого напряжения быстрее достигают пре­ дельных значений. Возникновение деформаций в этих областях ведет к перестройке структуры (при F7F = 1), что вызывает перераспределение напряжений в системе и переход деформации с уровня на уровень. Когда структура в системе перестроится таким образом, что ни один из структурных уровней уже не может эффективно релаксировать напряжения, последние начинают возрастать (К/К > 1), что приводит к формированию зон локального разрушения, вязких разрывов, разбивающих объем на блоки, то есть появляется новый уровень структурной организации, способный эффективно релаксировать напряжения перемещением и поворотами блоков друг от­ носительно друга по разрывам [Талицкий, 19946].

В момент структурной перестройки релаксационные процессы на новом струк­ турном уровне протекают наиболее эффективно с увеличением скорости деформации.

Вэтот момент времени скорость релаксации превышает скорость нагружения (F /F >

1)и происходит деформация с разупрочнением, когда увеличение деформации может осуществляться на фоне существенно более низких напряжений, чем те, которые су­ ществовали до этого (рис. 3.7).

Возможно, что свойства горных пород наиболее близки реологической модели Максвелла (см. разд. 1.6, рис. 1.22, М), в которой упругая и пластическая деформации развиваются одновременно с момента приложения нагрузки. По крайней мере, имен­ но в модели Максвелла учитываются свойства релаксации напряжений, наблюдаемые при тектонических деформациях [Белоусов, 1986; Талицкий, 2002]. Если предполо­ жить, что деформация в теле Максвелла в какой-то момент прекращается (остановим растяжение модели, закрепив ее концы и не позволяя им приблизиться, см. рис. 1.22, М) - пружина будет постепенно сокращаться за счет перемещения поршня в элементе N, т.е. происходит снятие упругой составляющей напряжений за счет пластической деформации. Так можно представить себе единичный акт релаксации напряжений в геологической среде.

Приведенный выше теоретический пример развития деформации в среде со струк­

	а	турой [Талицкий, Галкин, 1997а]
		наиболее близок складчатым зонам
		терригенных флишевых синклино-
		риев. Очевидно, что в зависимости

Рис. 3.7. Фрагмент гипотетической кривой остаточной деформации геологической среды [Талицкий, 19946]. На каждом уровне дефор­ мация с упрочнением сопровождается увели­ чением напряжения и протекает за счет релак­ сации множественных концентраторов. В мо­ мент структурной перестройки при переходе деформации с уровня на уровень деформация сопровождается разупрочнением за счет более эффективного начального действия концентра­ торов следующего уровня.