8. РАЗРЫВНЫЕ НАРУШЕНИЯ

...Если бы только наблюдатель мог, опускаясь с неба, раздвинуть розова­ тые облака и взглянуть на открывающуюся под ним Землю...

Э. Зюсс. «Лик Земли» (1885 г.)

Разрывы как структуры с нарушением сплошности горных пород занимают на масштабной шкале транзитное положение - это и микроскопические трещины в ми­ неральных зернах, и наиболее крупные структуры, протягивающиеся на сотни и даже тысячи километров (см. рис. 3.5). Это наиболее явный структурный каркас, грубо и в общих чертах намечающий строение любого фрагмента геологической среды. В процессе деформации именно формирование разрывов обычно воспринимается как финальная стадия разрушения.

Процессы образования трещин и разрывов в разном контексте упоминались в предыдущих разделах: критерии разрушения (см. разд. 1.7.2), анализ трещиноватости (см. разд. 2.5), катакластическое течение (см. разд. 4.7), образование трещин отрыва и минеральных жил (см. разд. 5.4), тектониты и их вертикальная зональность (см. разд. 5.7), кинематические индикаторы и кинематический анализ зон разрывных на­ рушений (см. разд. 5.7.4), системы трещиноватости, сопряженные со складчатостью (см. разд. 7.4.3.2, рис. 7.37). Фактически в различных аспектах мы уже обсудили мно­ гие вопросы, касающиеся образования разрывов, и необходимо систематизировать и обобщить эти данные.

8.1. Трещины отдельности

Трещинами отдельности называют поверхности разрыва сплошности в горных породах без признаков смещения (фиг. 8.1, вклейка). Эти трещины часто заполняются минеральным веществом, образуя жилы, но при образовании в приповерхностных условиях они могут быть не минерализованы. Механизмы формирования трещин отдельности связаны со снятием внутренних напряжений в объеме горной породы после ее образования или деформации. Фактически каждая трещина отдельности представляет собой трещину растяжения (отрыв). Закономерное пространственное размещение таких трещин в объеме горной породы образует своеобразный рисунок, выраженный в различных типах отдельности.

Классическим примером является призматическая столбчатая отдельность в ла­ вовых потоках базальтов, возникающая при остывании лавового потока в результате уменьшения объема горной породы при охлаждении (фиг. 8.2, вклейка). Отдельность отслаивания, ориентированная вдоль контактов, встречается в приконтактовой части массивов гранитоидов и формируется за счет центростремительного (по направлению

кмагматическому очагу) остывания массивов (рис. 8.1).

Восадочных горных породах наряду с субпослойной отдельностью развиты две (или более) системы трещин, ортогональные слоистости. Такие трещины отдельное-

264

Глава 8

частой трещиноватости, обусловленной избирательным выветриванием в поверхнос­ тных условиях слюдистых минералов на плоскостях сланцеватости и материала вы­ полнения кливажных зон. Данный тип отдельности противопоставляется трещинам отдельности, формирующимся при релаксационном растрескивании массивов горных пород при снятии напряжений, хотя и этот механизм оказывает влияние на формиро­ вание текстурной отдельности, плоскости которой охотно используются при релак­ сационном растрескивании. Пересекающиеся поверхности текстурных отдельностей формируют карандашную (см. рис. 5.7) и брусовидную (см. рис. 5.33) отдельности.

8.3. Трещины и разрывы растяжения (отрывы)

Минеральные жилы (жилы выполнения) и дайки образуются при заполнении трещин отрыва (растяжения). В случае жил выполнением трещин является отложен­ ное из флюида минеральное вещество (кварц, кальцит, хлорит, полевые шпаты, реже другие минералы). Дайки сложены застывшим в трещинных каналах магматическим расплавом.

8.3.1. Минеральные жилы

Кинематический анализ жил показывает, что раскрытие трещин отрыва происходит ортогонально стенкам или под некоторым небольшим углом к ним (см. рис. 5.22, 5.26 и др.), иногда отмечается сдвиговая составляющая (см. рис. 5.32), в некоторых случаях она преобладает, и жилы представлены ромбовидными декомпрессионными структу­ рами вдоль поверхностей сколовых трещин (см. рис. 5.16, 5.27). Для трещин отрыва характерно так называемое кулисное расположение (см. рис. 5.34-5.36), нередко на­ блюдается сопряженный характер таких кулисных систем (см. рис. 5.37-5.39).

Из экспериментальных исследований следует, что образование неминерализован­ ных трещин растяжения возможно только в близповерхностных условиях. Наличие флюида может выступать причиной разрушения с формированием трещин на любой глубине [Николя, 1992] (см. разд. 5.4, рис. 5.29). Это подтверждается синкинематическим первичным характером выполнения таких трещин. Минеральные жилы мар­ кируют декомпрессионные области растяжения, в которых при превышении прочнос­ ти породы происходит образование трещин отрыва и их выполнение. Ориентировка минеральных жил и их структурный рисунок, соотношение с другими структурами позволяют восстановить кинематическую картину деформаций.

В эволюции жил выделяют стадию зарождения и стадию роста (см. рис. 5.28). В общем случае зарождение жил в породах с изотропной структурой можно объяснить с использованием модели Гриффитса (см. разд. 1.7.2), согласно которой при образо­ вании трещин используются микронеоднородности, рост которых осуществляется за счет действия концентраторов напряжений у их окончаний. Возникая в узком коридо­ ре, структуры пластического «предразрушения», предшествующие образованию жил в породах, и отдельные микротрещины отрыва, растущие по механизму Гриффитса, соединяются в единую магистральную трещину отрыва.

266 Глава 8

два, реже три главных доминирующих направления даек, соответствующих ориенти­ ровке сопряженных и (или) оперяющих сколов. Кроме того, выделяют радиальные системы даек, расходящихся от какого-либо магматического очага или вулканичес­ кого центра, и концентрические дайки, выполняющие системы кольцевых или кон­ центрических разломов вокруг них. Гигантские докембрийские дайковые радиаль­ ные системы достигают размеров в тысячи километров, предположительно маркируя крупные плюмовые структуры растяжения, предшествующие распаду континентов. Дайки в большинстве своем имеют магматическую природу. В случае, если в трещину в литифицированных осадочных породах происходит инъекция нелитифицированного осадка (песка, алеврита, глины, карбонатного ила или даже галечников), - говорят о нептунических (осадочных, кластических) дайках.

Обычно внедрение даек происходит в направлении, ортогональном растяжению (наименьшему напряжению о3) [Anderson, 1951], и они часто используются как ки­ нематические индикаторы при палеотектонических реконструкциях. В большинстве случаев дайки не обнаруживают таких простых соотношений с динамическими об­ становками при их внедрении [Balagansky et al., 2001; Glazner et al., 1999; Hanmer et al., 1997; Ryan, 1995 и др.]. Так, дайки могут внедряться по плоскостям более ранних разрывов и трещин и их систем с косым раскрытием стенок трещин [Delaney et al., 1986]. Косое раскрытие характерно и для систем даек, формирующихся в сдвиговых зонах [Glazner et al., 1999 и др.], в которых рисунок дайковых роев и кинематика рас­ крытия во многом схожи с эшелонированными системами минеральных жил (см. разд. 5.4, рис. 5.34).

Динамическая обстановка в субстрате оказывает сильное влияние на прораста­ ние даек. Во-первых, ориентировка поля напряжений определяет ориентировку плос­ кости раскрывающейся трещины, которая стремится занять положение ортогонально максимальному растягивающему (минимальному сжимающему) напряжению. Вовторых, вдоль трещины может существовать градиент нормальных напряжений, вы­ ступающий как движущая сила для дальнейшего прорастания даек.

Основным свойством даек является способность менять направление, отклоняясь при прорастании таким образом, чтобы ориентировка дайки имела ортогональное рас­ тягивающему напряжению положение. Подобный процесс был воспроизведен в анало­ говой модели [Watanabe et al., 2002]. Степень отклонения прорастающей дайки зависит от отношения скалывающих напряжений на плоскости трещины (т), по которой проис­ ходит прорастание дайки, и избыточному давлению в магматической камере (рт). Со­ гласно экспериментальным данным, при отношении г /р т< 0.2 (относительно неболь­ ших скалывающих напряжениях) существенного отклонения траекторий прорастания не возникает. При значительных скалывающих напряжениях на плоскости трещины фиксируется закономерное «подворачивание» дайки при ее прорастании (рис. 8.3).

Изучение поведения двух одновременно прорастающих даек показало, что от­ клонение второй («ведомой», рис. 8.4) модельной дайки происходит в случае, если отношение скалывающих напряжений, вызванных первой дайкой, к среднему избы­ точному давлению во второй дайке больше 0.2. Если вторая дайка достигает первой, взаимодействие между ними может приводить к их слиянию. Этот процесс имеет на­ правленность, и область слияния распространяется в направлении, перпендикуляр­

Разрывные нарушения

267

Рис. 8.3. Аналоговый эксперимент с применением желатина (вмещающая среда) и силиконового масла («расплав»). В верх­ ней части желатиновой модели помещен груз, создающий напря­ жения во вмещающей среде. При прорастании дайки наблюдает­ ся ее отклонение по направлению к нагруженной части модели так, что дайка стремится занять ориентировку, ортогональную растягивающему напряжению (<73). Для отклонения траектории прорастания дайки скалывающие напряжения на плоскости тре­ щины (т) должны быть высокими, так чтобы г/рт> 0.2 {рт- из­

быточное давление в магматической камере). Цифрами показаны стадии эксперимента и время (10 и 90 минут). Рисунок по фото­ графии из работы [Watanabe et al., 2002] с упрощениями.

Рис. 8.4. Слияние даек: если при прорастании дайки подходят до­ статочно близко, происходит их объединение. Отношение скалы­ вающих напряжений, вызванных первой дайкой, к среднему из­ быточному давлению во второй дайке должно быть больше 0.2 (1-4 - стадии аналогового экспе­ римента. По [Watanabe et al., 2002] с упрощениями).

ном первой дайке, отражая поле напряжений вокруг ее окончания. Иными словами, при прорастании даек более мелкие, подходя достаточно близко к крупным, «обрече­ ны» на слияние с ними (см. рис. 8.4).

Направление внедрения базитовых даек в континентальной литосфере. Поскольку внедрение даек происходит ортогонально к растяжению, то вертикальные дайки формируются только в условиях субгоризонтального растяжения. Кроме того, для внедрения даек должно соблюдаться условие, согласно которому давление в магматической камере или канале (.P J превышает минимальное внешнее напряже­ ние (а3), т.е. существует «движущее» (напорное) давление АР = (Рта3) > 0.

Дайки продвигаются преимущественно в направлении увеличивающегося движущего давления АР, градиент которого возникает в результате различных причин. Во-первых, градиент АР возникает из-за

градиента тектонических напряжений. Во-вторых, этому способствует различие между градиентом ли­ тостатического давления во вмещающих породах и градиентом гидростатического давления в магме, т.е. контраст плотности между магмой и вмещающими породами. В отсутствие градиента тектонического давления локальный контраст плотности между магмой и вмещающими породами определяет направле­ ние перемещения. Можно сказать, что направление движения (прорастания) дайки определяется дина­ мическими условиями, вызывающими перераспределение, «выдавливание» и продвижение магматичес­ кого расплава в декомпрессионные зоны.

В условиях континентальной литосферы существуют три главных случая внедрения мафических даек [Hoek, Seitz, 1995]. Пусть плотность магмы и вмещающих пород составляет соответственно ртирг В первом случае при относительно более легкой магме с положительной плавучестью (рт< р), верти­ кальный градиент гидростатического давления в магме (dPJd2) уменьшается медленнее, чем градиент корового литостатического давления (<dPJdz). В этом случае движущее давление возрастает по вертика­

ли, выражаясь в прорастании дайки вверх - «легкие» дайки охотно прорастают к поверхности (рис. 8.5, а). Во втором случае, для магмы с нейтральной плавучестью (рт=р) в условиях равенства градиентов гидростатического и литостатического давления прорастание происходит радиально (рис. 8.5, б). В тре­

тьем случае достижение магмой определенного уровня, на котором ее плотность имеет промежуточное значение между более плотными нижележащими и менее плотными вышележащими породами (уровня ^ нейтральной плавучести), определяет латеральное прорастание даек на этом уровне (рис. 8.5, в).______

схема (по [Delaney et al., 1986] из работы [Weinberger et al., 2000] с изменениями),

	Разрывные нарушения		269
влияния неоднородностей (границы слоев, другие
структуры). В случаях расщепления единой дайки
сегменты поворачиваются относительно первона­
чальной плоскости дайки под действием некоторой
сдвиговой составляющей вдоль плоскости разрыва
[Delaney, Pollard* 1981] (см. рис. 8.7).
Влияние неоднородностей заключается в том,
что они способны локально изменить поле напря­
жений, вызывая растяжение с кручением. Подобные
же условия могут реализоваться при пространствен-
но-временных вариациях регионального поля на­
пряжений.
При картировании дайки часто показывают
внемасштабными символами, отражающими их		Рис. 8.7. Трехмерная морфология сег-
о	~
простирание (см. рис. 8.2).	Очень часто детальность	ментированной дайки>	принципиаЛьная

наблюдений определяется обнаженностью территории. В областях С широким развитием перекрываю-

щих отложений только магнитные съемки позволя­ ют достаточно точно определить, насколько масштабно распространение даек (фиг.

8.3, вклейка). Детальное картирование в пределах достаточно хорошо обнаженных территорий показывает, что дайковые поля имеют довольно сложную внутреннюю структуру.

На рис. 8.8 и 8.9, приведены детально откартированные фрагменты базитового дайкового пояса Мак-Кензи (1.27 млрд лет) в области сочленения кратона Слэйв и орогена Вормпэй [Pell, 1998; Wilkinson et al., 2001]. Хорошо видно, что при выдер­ жанных в целом простираниях, дайки нередко испытывают изломы по простиранию с формированием многочисленных структур сегментации. Фактически можно сказать, что самое интересное наблюдается в областях окончаний даек и на участках их сег­ ментации (т.е. на участках концентраторов напряжений). Наблюдая эти соотношения в пределах единого дайкового поля, можно считать, что многие варианты таких соот­ ношений выступают членами единого эволюционного ряда, отражающего различные стадии прорастания даек.

Можно наблюдать расщепление даек у их окончания (см. рис. 8.8, А, 5, Г), под­ готовку к слиянию с формированием сколов (см. рис. 8.8, Б), слияние равнозначных даек (см. рис. 8.9, В, Г), слияние (поглощение) мелких даек с более крупными с релик­ тами ранних эшелонированных систем (см. рис. 8.8, Д, Е, 8.9, Д) и характерные коле­ нообразные изгибы со структурами прорастания вдоль общего простирания, имею­ щие морфологическое сходство со сдвиговыми дуплексами растяжения (см. рис. 8.8, Ж; 8.9, А, Г), трансформные сколы (см. рис. 8.9, Б,Д) с прорастанием мелких даек от тупых окончаний (см. рис. 8.9, Б, Е).

Трудно доказать достаточно строго, ноХ-образные структуры (см. рис. 8.9,3), веро­ ятнее всего, являются «перемычками», сформировавшимися при локальном перерасп­ ределении напряжений (переиндексации) при раскрытии даек. Если гидростатическое давление было достаточно высоким, при прорастании даек междайковое пространс-