Механизмы деформации горных пород

107

с общим уменьшением внутренней энергии. Таким образом, при рекристаллизации происходит структурная перестройка с образованием суперпозиционного структурно­ го парагенеза: рекристаллизационные структуры накладываются на субзерновые.

4.5.Плавление при деформации

Вдеформированных метаморфических породах установить свидетельства плав­ ления достаточно трудно. Предполагается, что индикаторами частичного плавления являются участки заостренной формы и предполагаемые расплавные резервуары с неровными, угловатыми очертаниями, которые возникли в результате роста в них кристаллов [Sawyer, 2001]. Кроме того, наличие округлых или корродированных зе­ рен, окруженных предполагаемыми расплавными пленками вдоль зерновых границ, также позволяет судить о развитии процессов плавления при деформации.

Одним из наиболее характерных высокотемпературных процессов является диф­ фузионная ползучесть. Показано, что скорость диффузионной ползучести увеличива­ ется с увеличением температуры и (или) увеличением растворимости минеральных компонентов в межзерновой флюидной составляющей, водной или расплавной. Для многих силикатных минералов (в частности, кварца и полевых шпатов) силикатные расплавы являются более эффективным растворителем, чем водный флюид. Данные экспериментальных исследований показывают, что наличие межзернового расплава значительно увеличивает скорость диффузионной ползучести и межзернового сколь­ жения. Например, для оливиновых агрегатов установлено, что скорость ползучести возрастает на порядок при наличии 7 % расплавной фазы [Hirth, Kohlstedt, 1995]. Экспериментальные данные по деформации мелкозернистого лабрадорита свиде­ тельствуют, что прочность образцов, содержащих силикатный расплав в количестве 0.1-3 %, в 5-10 раз меньше, чем у образцов с остаточными стеклами в участках трой­ ных сочленений зерен, а скорость граничной диффузии значительно возрастает при наличии расплавных пленок [Dimanov et al., 2000].

Таким образом, важнейшим следствием частичного плавления при деформации можно считать значительное увеличение скорости диффузионных процессов и, сле­ довательно, скорости деформации. Увеличение температуры вызывается как внешни­ ми факторами (общим возрастанием геотермического градиента), так и возникает в результате деформации. Предполагают, что при высоких скоростях нагружения диф­ фузионные процессы не могут релаксировать приложенные напряжения, и избыточ­ ная энергия в системе приводит к увеличению температуры. Появление в системе расплава резко увеличивает скорость диффузии, облегчает межзерновое проскальзы­ вание, выступая в роли механизма разупрочнения. Один из примеров, иллюстрирую­ щих возможность протекания таких процессов в милонитовых и ультрамилонитовых гнейсах, приведен в [Garlick, Gromet, 2004].

Подобные процессы, проявленные более локально, фиксируются в псевдотахилитах - тектонитах, слагающих относительно узкие (первые десятки сантиметров, редко до нескольких метров) зоны в метаморфических породах [Метаморфизм и тектоника, 2001] (см. разд. 5.7.5). Предполагается, что стекловатые породы, сложенные тонкими зернами и фрагментами милонитов, формируются в результате очень быстрых разрыв-

108

Глава 4

Эффект Ребиндера. Горные породы как поликристаллические тела обладают свободной поверхностной энергией границ зерен. Снижение свободной поверхностной энергии может происходить не только за счет уменьшения площади границ зерен при перекристаллизации (см. разд. 4.4.1), но и при проникновении между зернами тончайших пленок поверхностно­ активных жидкостей. Эффект Ребиндера [Ребиндер, 1979; Сальников, Траскин, 1987] заклю­ чается в облегчении деформации и разрушения твердых тел вследствие понижения свободной поверхностной энергии. Сама среда активно участвует в снижении своей прочности, «втяги­ вая» между кристаллами поверхностно-активное вещество. Процесс чувствителен к очень малым количествам активного вещества, протекает быстро и зависит от напряженного состо­ яния среды. Важным условием яркого проявления эффекта Ребиндера является правильный подбор пары среда-жидкость (устанавливаются в экспериментах в основном эмпирически), но в общем случае расплав вещества и эвтектика компонентов среды выступают в качестве хорошего поверхностно-активного вещества. Важным условием является также воздействие на среду механических напряжений, при изменении которых процесс может быть обратимым (изменение механических свойств с увеличением прочности). Основными формами эффекта Ребиндера являются «охрупчивание», «пластифицирование» и «самопроизвольное дисперги­ рование» твердых тел. Расплавы и растворы изменяют механические свойства горных пород, приводя в ряде случаев к снижению прочности в несколько раз, образованию трещин при ^сравнительно небольших напряжениях и т.д. [Лукьянов, 2002].___________________________ ^

ных деформаций в кристаллических породах. Матрикс псевдотахилитов представлен силикатным стеклом с микролитами и следами вторичной раскристаллизации, зерна несут следы коррозии. Образование разрывов при быстрых деформациях, сопровожда­ ющихся выделением тепла за счет трения, приводит к плавлению. В этом случае плав­ ление выступает как деформационный механизм, облегчающий трение.

Образование псевдотахилитов обычно рассматривают как самоограничивающий процесс. Действительно, расчетные модели показывают, что плавление за счет трения осуществимо при быстрых (сейсмических) скоростях деформации - но даже тонкие пленки расплава вдоль плоскости разлома или трещины и вызванное ими снижение сил трения должны были бы существенным образом «гасить» дальнейшее плавление. В то же время, количество расплавного вещества в псевдотахилитах во многих случаях явно превышает теоретически рассчитанное [Bjomerud, Magloughlin, 2004]. Наиболее очевидным процессом, усиливающим плавление при быстрых сейсмических смеще­ ниях, является локальная декомпрессия в областях неровностей или ступенек на по­ верхностях разрывов, которые выступают как участки разгрузки, отводящие расплав от участков плавления (аналогичным образом неровности трещины создают чередова­ ние участков сжатия и растяжения, в которых формируются стилолиты и волокнистые жилы). Импульсная (пульсирующая) разгрузка играет важную роль в динамике обра­ зования псевдотахилитов. Во-первых, при наличии существенного градиента флюид­ ного давления быстрая миграция расплава в области с пониженным напряжением вос­ станавливает трение на поверхности разрыва и провоцирует дальнейшее плавление. Во-вторых, на больших глубинах такая резкая разгрузка может приводить к декомпрес­ сионному плавлению непосредственно в областях снижения давления.

Переход от диффузионной ползучести и межзернового проскальзывания к плав­ лению при «быстрых» деформациях является частным примером динамически обус­ ловленной структурной перестройки. В свою очередь, частичное плавление приводит к резкому увеличению скорости диффузии и повышению релаксационной эффектов-

Механизмы деформации горных пород

109

ности этого процесса. Сочетание структур диффузионной ползучести, межзерново­ го проскальзывания и плавления является примером суперпозиционного парагенеза уровня зерен и агрегатов зерен.

4.6. Растворение под давлением

Процессрастворения под давлением обусловлен разной растворимостью минералов

впоровом флюиде в зависимости от величины действующего напряжения (рис. 4.24) и изучен с применением экспериментальных, микроскопических, электронно-микроско­ пических и геохимических методов исследований [Талицкий, Галкин, 1988; Теркот, Шуберт, 1985; Beach, King, 1978; Boer, 1977]. Действие процесса растворения под дав­ лением обусловлено наличием в породах неоднородностей строения, что вызывает не­ однородность распределения напряжений: появление перегруженных и недогруженных участков пород (или зон компрессии и декомпрессии). В породах с зерновой структурой зоны компрессии возникают на контактах зерен, ориентированных нормально к оси максимального сжатия (см. рис. 4.24). Зоны декомпрессии (растяжения) образуются на контактах зерен, ориентированных субпараллельно оси сжатия. Участками растяжения

впороде являются также трещины, имеющие подобную ориентировку.

Показано, что растворимость минералов в водном флюиде выше там, где кристал­ лическая решетка минералов испытывает более высокие напряжения сжатия [Knipe,

Компрессионная ползучесть. Деформация механизмом растворения под давлением на-	^
зывается компрессионной ползучестью. Существует три основных модели компрессионной
ползучести (рис. 4.25,4.26): модель тонких пленок [Rutter, 1976], модель островов и каналов
[Spiers, Schutjens, 1990] и модель микротрещиноватости [Gratz, 1991].
Модель тонких пленок говорит о том, что контакты зерен полностью обволакиваются
очень тонкими (менее 2 нанометров) флюидными пленками, которые могут передавать при­
ложенные напряжения. Флюид в этих пленках растворяет вещество и переносит в свободное
поровое пространство. В экспериментах при низких напряжениях наблюдались флюидные
пленки, но, как оказалось, они «отжимаются» из границ зерен в интервале давлений 0.1-
20 МПа. Тем не менее, для большинства горных пород отсутствие границ со свободным ин­
терстициальным флюидом является скорее теоретическим допущением [Jessel, Bons, 2002].
Модель островов и каналов предполагает существование межзерновых контактов (ос­
тровов) и заполненных флюидом полостей (каналов), Данная модель представляет собой
устойчивую структуру контактов зерен, которые передают напряжения, и расположенных
между этими нагруженными контактами флюидных резервуаров. На участках контактов
кристаллов («на островах») протекает пластическая деформация, растворение же вещества
осуществляется в свободных от давления резервуарах. При частичном растворении участ­
ков контактов или при их деформации возникают новые точки взаимодействия. Регулярная
миграция островов и каналов в процессе деформации приводит к тому, что флюид получает
доступ ко всей поверхности зерна с течением времени.
Модель микротрещиноватости предполагает образование тонкой трещиноватости, рас­
секающей контакты зерен, с последующим расширением трещин за счет растворения с фор­
мированием статичных «каналов». Проникновение флюида по каналам приводит к форми­
рованию на контакте зерен флюидной пленки, граничная диффузия в которой и определяет
в дальнейшем скорость переноса материала во флюиде. При этом разрастание таких микро­
трещин увеличивает площадь границ, а следовательно - и скорость граничной диффузии.	J
Ч_________________________________

Механизмы деформации горных пород

111

1989]. В зонах компрессии при стрессовых нагрузках пород в низко- и среднетемпе­ ратурных условиях происходит селективное растворение наиболее легкорастворимых компонентов пород. Одновременно осуществляется перенос и переотложение раство­ ренного вещества в зоны декомпрессии, где приоткрываются поры, формируются пустоты, трещины и т.п. (см. рис. 4.24).

Наиболее легкорастворимыми компонентами являются кварц, карбонатные ми­ нералы, хлорит, хуже растворяются плагиоклазы и эпидот. В зависимости от геохи­ мической обстановки при деформации пород переотложенные минералы могут отли­ чаться по составу от растворенного в зонах компрессии вещества.

Процесс растворения под давлением - переотложения вещества, является веду­ щим механизмом деформации пород при диагенезе и низких ступенях метаморфиз­ ма и приводит к формированию межзернового кливажа и кливажа плойчатости, стилолитов, бород нарастания и минеральных жил (подробнее см. разд. 5.1.2, 5.1.3, 5.2-5.5). Эти процессы очень характерны для обломочных пород с резко неоднород­ ным строением на зерновом уровне, при этом растворению подвергается как вещест­ во зерен, так и цемент пород. Структуры растворения под давлением широко распро­ странены также в карбонатных породах, реже в вулканитах.

Открытость или закрытость системы при деформации приводит к различным объ­ емным эффектам, определяющимся привносом или выносом вещества флюидом. Та­ кой пример приведен в [Canole et al., 1997], где оценки изменения объема проводились на основе определения количества кальцита во флишевых отложениях в висячем и лежачем крыле сброса. Было показано, что в висячем крыле произошло уменьшение объема при растворении и выносе кальцита, в самой зоне разлома - увеличение объема за счет отложения кальцита, а в лежачем крыле сброса объем остался неизменным.

Процесс растворения под давлением обусловлен наличием точечных концентра­ торов сжатия на контактах обломков и объемных концентраторов растяжения в их те­ нях давления - ассоциация структур сжатия и растяжения на контактах зерен является компенсационным деформационно-химическим структурным парагенезом [Гончаров

идр., 1995]. При этом более детальное рассмотрение процессов, протекающих на на­ груженных контактах зерен (см. рис. 4.25), свидетельствует о подобных компенсаци­ онных эффектах непосредственно на этих компрессионных границах.

Процессы растворения под давлением могут инициировать изменение минерально­ го состава породы только за счет локального перераспределения вещества. Так, вынос кремнезема из контактовых частей кварцевых порфирокластов в слюдистых кварцитах приводит к уменьшению общего количества Si02 с 83 до 49-58 % на расстоянии не­ скольких миллиметров от порфирокласта. Это приводит к образованию глиноземистого минерала ставролита, обычно на контактах включений и матрикса. Таким образом, рост ставролита обусловлен в данном случае перераспределением кремнезема и относитель­ ным увеличением количества глинозема в отдельных участках породы [Selverstone, Hyatt, 2003]. При метаморфизме процессы растворения под давлением приводят к рас­ творению минеральных зерен, контакты которых ориентированы ортогонально сжатию,

ипереотложению растворенного вещества в тенях давления зерен [Imon et al., 2004]. На скорость растворения под давлением влияет ориентировка кристаллической

решетки отдельных зерен. Наблюдениями [Becker, 1995] и экспериментальными дан­