Понятие об условиях деформации горных пород

Складчатые формы залегания слоев

Складчатые формы залегания слоев образуются при деформации горных пород. Складками называются волнообразные изгибы в слоистых толщах осадочных, вулканических и метаморфических пород, возникающие при пластических деформациях (рис. 15). Совокупность складок образует складчатость. Изгибы, имеющие форму складок, могут появиться в процессе образования пород, например структуры облекания неровностей поверхностей несогласия, или при движении застывающих лав.

Складчатость типична только для слоистых толщ. В породах с массивным сложением (например, интрузивных) складки не образуются, а пластические деформации реализуются в других формах.

Складкообразование невозможно без перемещения пород и вызывается, главным образом, эндогенными процессами, важнейшие среди которых – тектонические движения.

 

В земной коре на горные породы действуют различные нагрузки, которые вызывают в них появление противодействующих напряжений. При достаточной величине нагрузки в горных породах возникают деформации. Деформацией тела называется изменение формы и объема под действием внешних сил. деформации в земной коре подразделяются на упругие и остаточные. Упругой называется такая деформация, при которой твердое тело после снятия нагрузки возвращается к первоначальному состоянию. При всех деформациях существует предел упругости. Если он превышен, то возникает остаточная деформация, которая не исчезает после устранения нагрузки. Остаточная деформация подразделяется на пластическую и хрупкую. Под пластической понимается остаточная деформация, которая не нарушает сплошности (целостности) материала. Хрупкой называют такую деформацию, при которой тело разрушается.

Внутренние силы, возникающие в теле и стремящиеся уравновесить действие внешних сил, называются силами упругости. Величина этих сил, приходящихся на единицу площади поперечного сечения тела, называется напряжением. Для наглядного представления явления деформации твердых тел в структурной геологии используется вспомогательная форма – эллипсоид деформации. если за исходную идеальную форму взять шар внутри слоя или массива породы, то после деформации он превращается в трехосных эллипсоид сжатия–растяжения и сдвига (рис.16 а). Максимальные напряжения возникают в сечениях, по отношению к которым сжимающие или растягивающие усилия направлены перпендикулярно. Эти напряжения называются нормальными (рис.16 б). Кроме нормальных в телах возникает так называемые касательные (тангенциальные или скалывающие) напряжения. Максимальные тангенциальные напряжения образуются в сечениях, расположенных под углом около 45⁰ к направлению сжимающих или растягивающих усилий (рис.16 в). При непрекращающемся действии нагрузок за пределами прочности горные породы вначале пронизываются трещинами, а затем разрушаются.

При непродолжительном времени нагрузки, например в рамках опыта, горные породы способны только к разрушению. Если воздействие сил осуществляется длительное время (тысячи и миллионы лет),то породы могут испытывать вязкое течение в твердом состоянии без образования разрывов даже при небольших напряжениях. Так образуются складки, кливаж и другие виды деформаций.

При деформациях частицы породы перемещаются относительно друг друга, что может быть обусловлено силами, вызывающими в породах сжатие, растяжение, изгиб, кручение или иные виды деформации (рис. 17). Все, даже самые сложные деформации, можно свести к комбинации трех простейших видов: сжатию, растяжению и сдвигу.

В процессе деформации горные породы могут испытывать три последовательные стадии деформации: упругую, пластическую и хрупкую.

Упругая деформация. Под упругостью понимают способность тел восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после устранения сил, вызывающих деформацию. В горных породах упругая деформация незначительна, но при определенных условиях может быть весьма ощутимой. Этим видом деформации объясняется, например, «стреляние» – отделение глыб горных пород от стенок карьеров и подземных выработок.

Пластическая деформация выражается в способности тела сохранять деформацию после снятия действия нагрузки. Почти все горные породы в той или иной степени обладают свойствами пластичности.

Механизм пластической деформации заключается в закреплении упругой деформации, вызванной той или иной нагрузкой, путем распределения частиц и принятия ими нового устойчивого положения. Частицы перемещаются в направлении максимальных касательных напряжений, а напряжения в теле падают до величины, отвечающей пределу упругости. В обычных условиях пластичные материалы и горные породы (гипс, соли, лед, глины, насыщенные водой, и др.) способны выдержать значительную пластическую деформацию без разрушения. В хрупких породах непосредственно за упругой деформацией или после незначительной пластической деформации наступает разрушение. Если же деформация происходит под воздействием большого всестороннего давления и при высокой температуре, например на большой глубине под земной поверхностью, или в результате даже незначительных по величине сил, но сохраняющих свое значение на протяжении многих тысяч и миллионов лет, то даже хрупкие, на первый взгляд, породы (известняки, глинистые сланцы, песчаники и др.) могут стать высокопластичными телами. Именно этим объясняется образование складчатых деформаций в толщах осадочных горных пород.

Хрупкая деформация. Если напряжения в деформируемых горных породах достигают предела прочности, то породы начинают разрушаться. Для многих пород предел прочности может быть достигнут еще в процессе упругой деформации, а разрушение – непосредственно за упругой деформацией и может рассматриваться как хрупкое. Разрушение может наступить и в процессе пластической деформации, т.е. когда уже достигнут предел упругости. Такое разрушение, следующееза пластической деформацией, называется вязким.

И в хрупких, и в вязких горных породах в зависимости от положения разрыва в поле напряжений различают два вида разрушения: отрыв и скалывание. Отрыв вызывается нормальными растягивающимися напряжениями, поэтому тело распадается в плоскости максимальных растягивающих нормальных напряжений. Скалывание вызывается касательными напряжениями и разрушение в этом случае происходит в плоскости максимальных касательных напряжений. Отрыв обычно бывает хрупким, а скалывание – вязким.

При растяжении тела и хрупком разрушении оно распадается в направлении, поперечном оси растяжения, параллельно площадкам, на которых возникают максимальные нормальные напряжения (рис.18 а). При сжатии трещины отрыва направлены параллельно оси сжатия и нормально к оси поперечного удлинения (рис.18 6). При сдвиге процесс разрушения породы более сложен.

Сдвиг вызывается двумя силами (парой сил), действующими в противоположных параллельных направлениях и приложенных к различным точкам тела. При этом тело, подвергшееся сдвигу, не должно ни двигаться, ни вращаться. Поэтому кроме активной (действующей) пары сил к телу должна быть приложена вторая пара реактивных сил, препятствующих движению тела, которое может быть вызвано активной парой сил (рис.18 в). Сложив пары сил (активную и реактивную), как это изображено на рис. 18, получим две главные оси деформации, из которых одна является осью растяжения, а другая – сжатия. Отсюда следует, что деформация тела при сдвиге происходит одновременно по двум направлениям, одно из которых служит осью сжатия, а другое – осью растяжения. Оси расположены под углом 45° относительно направления приложенных сил.