3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Относительность некоторых базовых понятий тектонофизики

Гончаров М.А. Геологический факультет МГУ, Москва, m.a.gonch@mail.ru

Этапы развития тектонофизики

Цель статьи - анализ тех базовых понятий тектонофизики, которые трактуются неоднозначно, на фоне весьма краткого изложения истории становления тектонофизики.

Таких этапов можно выделить три. Первый этап можно условно назвать «не-физическим» (до середины 20-го века). Это было господство умозрительных построений, без собственно физической основы. В качестве примера можно привести ставший в свое время «притчей во языцех» так называемый «эллипсоид деформации Беккера» с его круговыми сечениями, параллельно которым якобы располагаются трещины скалывания. Сюда же относятся и попытки воспроизвести природные складки с помощью природных же материалов, слагающих эти складки: в экспериментах эти материалы «не желали» изгибаться, а попросту раскалывались, поскольку грубо нарушались условия физического подобия объекта и модели. Обстоятельный и до сих пор поучительный критический разбор подобных представлений содержится в работе [Гуревич, 1954, 1955].

Второй этап столь же условно можно обозначить как «сопроматный» (до 70-80-х годов 20-го века). В нашей стране, в первую очередь усилиями М.В. Гзовского, была предпринята попытка заложить «физические основы тектонофизики» (так назывались соответствующие разделы в первом сборнике статей по тектонофизике [Проблемы тектонофизики, 1960] и в классической книге [Гзовский, 1975]. Однако на деле это свелось к внедрению некоего «ликбеза» из области учения о сопротивлении материалов (давно именуемого словом «сопромат»), что само по себе в то время было огромным шагом вперед. Краеугольным камнем «сопромата» является рассмотрение тех напряжений и деформаций, которые возникают в твердых телах под воздействием приложенных к ним внешних сил. Эта триада: внешняя сила напряжение деформация, - до сих пор господствует в умонастроении большинства геологов, занимающихся тектонофизикой. Пример - представление о так называемых «компрессионных» шарьяжах, в тылу которых действует некая неведомая сила, которая почему-то приложена только к аллохтону и не воздействует на нижележащий автохтон.

Современное состояние тектонофизики

В свой третий этап тектонофизика вступила в последние десятилетия. Ее можно условно назвать «тектонофизикой сплошной среды», с выделением из нее в последние годы «тектонофизики структурированной среды». В ее основе лежит не «сопромат», или, более общо, механика твердого тела, а механика сплошных сред (в первую очередь жидкостей), в частности, конвективная гидродинамика. Здесь триада процессов выглядит несколько иначе: внутренняя сила течение вязкое напряжение. При этом течение не сводится только к одной деформации, а включает три компонента (см. ниже).

Тектоническое течение. В настоящее время этот термин понимается неоднозначно:

1. Если ориентироваться на трактовку термина «течение» в механике сплошных сред (О. Коши), восходящую к античным временам, то тектоническое течение сплошной геологической среды следует определить как сочетание поступательного перемещения, вращения и деформации элементарных объемов этой среды в координатах Эйлера, привязанных к некоторой неподвижной точке пространства; простейший пример из механики течение реки относительно неподвижного берега. Такое понимание, к которому впервые призвал А.В. Лукьянов [Лукьянов, 1991] и поддерживается нами [Гончаров и др., 2005], возвращает нас к его первоначальному смыслу, искаженному в «сопромате», где «течение» и «текучесть» стали просто синонимами пластической деформации («предел текучести» в качестве примера). Представление о трех компонентах тектонического течения позволяет строго разграничить понятия «тектоническое движение» и «тектоническая деформация», которые сплошь и рядом воспринимаются как синонимы. Например, складчатость возникает на некоторой глубине в результате деформации, приобретает асимметрию в результате вращения и поднимается к поверхности и становится доступной для наблюдения в результате поступательного перемещения. Роль вращения состоит в минимизации энергии. Так, при конвекции в центре ячейки имеет место как бы «жесткое» (без деформации) вращение элементарных объемов даже в случае жидкой среды (см. ниже рис. 1,в). А формирование складки представляет собой сочетание вращения с деформацией межслоевого сдвига на каждом из противоположных крыльев. Т. е. природа «изобрела» подобное энергосберегающее «колесо» задолго до появления человека.

2. Если же опираться на восходящее к физике твердого тела (а еще точнее к «сопромату») отождествление «течения» с пластической деформацией по достижении средой «предела текучести» в координатах Лагранжа, привязанных к деформируемому телу, то такой подход исключает фиксацию поступательного перемещения и вращения этого тела.

В настоящее время, в связи с развитием представлений о конвективном характере тектонических движений и деформаций в геосферах разного ранга (см. подробнее в [Гончаров и др., 2005]), первый из указанных подходов к трактовке термина «тектоническое течение» имеет несомненное преимущество, поскольку при конвекции вещество не просто «течет», испытывая пластическую деформацию, а «течет в определенном направлении». Однородность деформации. Этим термином обычно обозначают понятие «однородное поле деформаций». Такое общепринятое сокращенное обозначение иногда приводит к недоразумениям. Например, превращение квадрата при его двумерной деформации в прямоугольник является необходимым, но недостаточным признаком однородной деформации, поскольку при этом остается неизвестным поле деформаций внутри квадрата. Однородность этого поля может быть установлена, если внутренняя квадратная сетка, состоящая из малых квадратов, деформирована таким образом, что все малые квадраты превратились в одинаковые прямоугольники (рис. 1, аб). В качестве примера резко неоднородной деформации можно привести квадратные (в вертикальном сечении) ячейки двумерной валиковой конвекции в горизонтальном слое: периметр ячеек сохраняется неизменным, а их внутренняя квадратная сетка искривляется (рис. 1, в). Это два крайних случая. Интуитивно ясно, что здесь налицо разные масштабные ранги деформации. Попробуем разобраться с этим более детально.

3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Одновременность однородности и неоднородности деформации иерархически «вложенных» друг в друга тел. Однородность деформации как всего слоя, так и составляющих его трех крупных квадратов (а-б) и неоднородность деформации крупных квадратов (конвективных ячеек) при однородности деформации всего слоя (в-г). Критерием однородности является одинаковая деформация квадратов (крупных или мелких), составляющих эти тела.

Деформационные ранги, структурные уровни

Однородная деформация 1-го ранга. Если в приведенном примере с валиковой конвекцией немного усложнить модель, подвергнув конвектирующий горизонтальный слой дополнительному боковому сжатию, то мы обнаружим следующее (см. рис. 1, вг). Слой состоит из ряда квадратных конвективных ячеек (своеобразной крупной «квадратной сетки»), форма которых превратилась в прямоугольную. Все эти крупные квадраты деформированы одинаково, поэтому деформацию горизонтального укорочения слоя можно считать однородной.

Неоднородная компенсационная деформация 1-го ранга. В то же время, как было упомянуто, внутри каждой ячейки деформация резко неоднородна: в нижней части восходящего конвективного потока и в верхней части нисходящего потока господствует обстановка горизонтального сжатия, а в двух остальных частях ячейки (в шахматном порядке) обстановка горизонтального растяжения (см. рис. 1, вг). Эти деформации противоположного знака взаимно компенсируют друг друга, как по горизонтали, так и по вертикали, обеспечивая сохранение прямоугольной формы периметра ячейки.

Однородная деформация 2-го ранга. Если в рассмотренных ячейках область горизонтального сжатия представлена слоистой средой, то в результате деформации возникает складчатость (рис. 2). Эту деформацию можно считать однородной постольку, поскольку примерно одинакова величина горизонтального укорочения в пределах всех возникших складок.

Неоднородная компенсационная деформация 2-го ранга. Внутри каждой складки деформация резко неоднородна, так как ее крылья испытали вращение в противоположных направлениях (см. рис. 2, большой прямоугольник с центром на осевой плоскости правой антиклинали). В то же время эти деформации крыльев компенсируют друг друга, так что зеркало складчатости сохраняет такое же горизонтальное положение, как и слоистость до деформации. Однородная деформация 3-го ранга. В пределах отдельных крыльев складок пачки слоев испытывают (одновременно с упомянутым выше вращением) однородную деформацию простого сдвига, механизмом которой является смещение слоев друг относительно друга (см. рис. 2, крупный прямоугольник на левом крыле упомянутой антиклинали).

3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. «Иерархическое чередование» однородных и неоднородных деформаций (пояснения в тексте).

Неоднородная компенсационная деформация 3-го ранга. В пределах отдельных осадочных ритмов на крыльях складок более вязкие (например, песчаные) слои испытывают меньшую деформацию упомянутого простого сдвига, чем менее вязкие (например, глинистые) слои. Этот факт регистрируется по преломлению кливажа, который на предскладчатом этапе был ориентирован по нормали к слоистости (см. рис. 2, мелкий прямоугольник; его крупный план справа). В то же время так называемая «хорда кливажа» (прямая, соединяющая начало и конец преломленной поверхности кливажа в подошве и кровле осадочного ритма) во время деформации сохраняет параллельность осевой плоскости складки, обеспечивая компенсацию недостатка сдвига в более вязких слоях его избытком в менее вязких слоях. Иногда такая компенсация осуществляется взаимным проскальзыванием смежных слоев, фиксируемым по штрихам скольжения. Однородная деформация 4-го ранга. Упомянутая деформация простого сдвига осуществляется внутри каждого кливажированного слоя на крыле складки. Одним из ее механизмов является взаимное проскальзывание кливажных микролитонов, которое также иногда фиксируется по штрихам скольжения (см. рис. 2, правая часть).

Неоднородная компенсационная деформация 4-го ранга. Кливажные микролитоны, которые в начале деформации были ориентированы по нормали к слоистости («катеты»), в процессе упомянутого простого сдвига слоя уменьшают свой угол со слоистостью, становясь «гипотенузами», и поэтому неизбежно удлиняются и становятся тоньше. В то же время смежные микролитоны проскальзывают друг относительно друга вдоль разделяющей их поверхности кливажа (своеобразная «микротранспрессия», см. рис. 2, правая часть). Эти две деформации, вызывая резкую неоднородность деформационного процесса в масштабе микролитона, в то же время взаимно компенсируют друг друга, обеспечивая однородность простого сдвига всего слоя в целом.

В приведенном примере отчетливо просматривается «иерархическое чередование» геологических тел, «вложенных» одно в другое наподобие игрушечной матрешки: однородно деформированные тела чередуются с телами, деформированными резко неоднородно. В то же время неоднородная деформация последних организована компенсационно, обеспечивая однородность деформации более крупного тела. Характерным свойством однородных уровней деформации является простота ее количественного выражения. На неоднородных же уровнях возникают структурные формы: антиклинории и синклинории на уровне 1-го ранга, складки на уровне 2-го ранга, преломление кливажа на уровне 3-го ранга, сам кливаж на уровне 4-го ранга.

Пластическая и разрывная деформация

По упомянутой «сопроматной» традиции считается, что, по мере нарастания напряжений, упругая деформация тела переходит, по достижении напряжениями «предела текучести», в пластическую деформацию без разрыва сплошности тела, а затем, по достижении напряжениями «предела прочности», происходит разрывная деформация; это так называемое «вязкое разрушение»; так ведет себя, например, влажная глина. Если же оба названных предела совпадают, то имеет место так называемое «хрупкое разрушение», минуя этап пластической деформации; простой пример поведение стекла.

Однако понятие о «пределе прочности» нельзя применить в случае сыпучей среды, у которой прочность вообще отсутствует. В то же время эксперименты по растяжению слоев из песка показывают, что при увеличении скорости деформации вместо равномерного удлинения слоев и уменьшения их мощности происходит формирование сбросов. Песок даже активно используют в последнее время для воспроизведения именно разрывных деформаций. Разрывы сплошности зафиксированы также в «текучих» метаморфических толщах [Эз, 1978]. Поэтому вместо понятия о «пределе прочности» имеет смысл говорить об «энергетической выгоде» относительного перемещения более крупных участков деформируемого тела.

Пластическая деформация тела имеет два аспекта: факт деформации и механизм деформации.

Факт деформации это изменение формы тела, т. е. изменение конфигурации его внешних границ. При этом, по определению, сплошность тела не нарушается.

Механизм деформации это совокупность всех перемещений вещества внутри тела, обеспечивающая изменение его формы. И чем «грубее» эти перемещения, т. е. чем больше размер перемещаемых частей тела, тем меньше оснований говорить о сохранении сплошности тела. Например, если деформация осуществляется посредством направленной метаморфической перекристаллизации с формированием сланцеватости, то сплошность породы сохраняется даже после слабого удара молотка. А вот если зерна деформируются посредством скольжения вдоль плоскостей спайности, то сплошность зерен нарушается. Такое нарушение происходит при более грубом скольжении микролитонов вдоль поверхностей кливажа, при проскальзывании слоев друг относительно друга в процессе складкообразования, при смещении вдоль трещин отдельных «кусков» магматического массива во время его деформации.

Однако все это не означает, что следует отказаться от представления о сохранении сплошности тела при его пластической деформации. Дело в том, что нельзя говорить о деформации вообще: всегда следует сопоставлять два ее параметра размер самого деформируемого тела (L) и размер (l) тех поверхностей, вдоль которых осуществляется взаимное перемещение отдельных частей тела. Здесь возможны три варианта соотношения этих параметров (рис. 3):

3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. «Иерархическое чередование» пластической и разрывной деформаций (пояснения в тексте).

1. L ›› l. Разрывное нарушение выступает в качестве механизма пластической деформации, о чем говорилось выше. Таким нарушением сплошности тела (большого квадрата на рис. 3) можно пренебречь, подобно тому, как можно пренебречь явным нарушением сплошности воды при ее течении, которое имеет место на молекулярном уровне.

2. L ~ l. Разрывное нарушение сплошности тела (любой из средних квадратов на рис. 3) выступает в качестве альтернативы пластической деформации. В качестве примера можно привести переход вверх по разрезу и (или) по простиранию взброса во флексуру.

3. L ‹‹ l. Разрывное нарушение выступает в качестве координатора пластической деформации более мелких объемов (мелких квадратов на рис. 3) на его окончаниях. Такая деформация компенсирует убывание амплитуды разрывного нарушения вплоть до нуля.

Для такого «трехвариантного» сочетания пластической и разрывной деформации также характерно «иерархическое чередование»: однородная деформация в телах L ›› l, резко неоднородная в более мелких составляющих их телах L ~ l и снова относительно однородная в еще более мелких телах L ‹‹ l. При этом максимум деформации имеет место в зоне динамического влияния разлома, разрыва или трещины при отсутствии деформации в разделяемых ими блоках, с обеспечением умеренной деформации более крупного тела, составленного из этих блоков. Другими словами, как и в рассмотренном выше случае пластической деформации, отсутствие деформации в блоках компенсируется значительной деформацией в межблоковом пространстве.

3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Разрывная деформация как экстремальный случай неоднородности деформации (пояснения в тексте).

Еще один аспект рассматриваемой проблемы разрывная деформация как экстремальный случай неоднородности деформации. В качестве примера на рис. 4 показан переход, вверх по восстанию слоев, неоднородной пластической деформации простого сдвига в резко неоднородную разрывную деформацию межслоевого скольжения при выклинивании кливажированного слоя глинистого сланца (серый цвет). Здесь, как и в правой части рисунка 2, «хорда кливажа» (прерывистая вертикальная линия) должна быть параллельна осевой плоскости складки, поскольку она маркирует генеральную величину (в данном случае 45) простого сдвига на крыле складки. Сдвиг же верхнего слоя песчаника (белый цвет) относительно нижнего слоя песчаника обозначен величиной двух верхних стрелок. В нижней части этот сдвиг рассредоточен в слое сланца (пластическая деформация), а в верхней части сосредоточен на границе пришедших в соприкосновение слоев песчаника (разрывная деформация).

Обширную информацию о соотношении пластических и разрывных деформаций в иерархическом аспекте, по результатам как натурных наблюдений, так и физического и математического моделирования, можно почерпнуть в фундаментальных монографиях [Разломообразование…, 1991, 1992, 1994; Семинский, 2003].

Иерархическая геодинамика. Все вышесказанное об иерархическом чередовании однородных и компенсационных неоднородных деформаций побудило автора рассмотреть геодинамику с изложенных выше позиций тектонофизики. В результате была создана концепция геодинамики иерархически соподчиненных геосфер [Гончаров и др., 2005], положительно воспринятая ведущими специалистами в области геодинамики [Хаин, 2006; Пущаровский Ю.М., Пущаровский Д.Ю., 2007; Шерман, 2007] и получившая дальнейшее развитие [Гончаров, 2006; Хаин, Гончаров, 2006; Хаин, Короновский, 2007].

О соблюдении условий подобия при физическом моделировании тектонических структур. Как известно, для соблюдения этих условий необходимо иметь оценку значений параметров процесса формирования природных структур. Главными параметрами являются размер этих структур, время их формирования и деформационные свойства среды, в которой эти структуры образуются, в первую очередь вязкость (в случае пластической деформации) и предел прочности (для разрывных деформаций).

Лучше всего обстоит дело с размером структур и вмещающих их геологических тел. Даже если в процессе деформации их размер существенно изменился, то разработан комплекс методов реконструкции первоначальных размеров. Одной из последних, наиболее совершенных разработок такого рода является методика, предложенная Ф.Л. Яковлевым [Яковлев, 1997, 2002].

Менее определенной является оценка длительности формирования структур. Например, для складчатости общего смятия обычно принимается оценка в сотни тысяч и миллионы лет, основанная на разнице в абсолютном возрасте осадочных толщ, разделенных угловым несогласием. Однако нет никакой уверенности в том, что данный процесс не является значительно более, на один-два порядка, кратковременным.

Хуже всего обстоит дело с вязкостью и пределом прочности среды. Например, осадочная толща, представленная слоями песчаника с прослоями глины, состоит преимущественно из зерен кварца главного породообразующего минерала песчаников. Вязкость и прочность кварца можно определить в лаборатории, используя кристаллы горного хрусталя, хотя и в этом случае это будет оценка всего лишь «мгновенной» (в масштабе геологического времени) вязкости и прочности; «длительную» же вязкость и прочность мы оценить не в состоянии. Однако главный механизм деформации породы состоит не в деформации кварцевых зерен, а в их взаимном перемещении и сопутствующем вращении при наличии более податливого цемента. Вязкость и прочность песчаника также можно оценить в лаборатории. Однако это будет «сухая» порода, в то время как в природе она насыщена флюидами, ее зерна подвергаются растворению под давлением с образованием кливажа, вдоль поверхностей которого осуществляется взаимное проскальзывание микролитонов основной механизм деформации (см. рис. 2, правая часть). Поэтому вязкость и прочность породы (песчаника) заведомо значительно ниже, чем таковые у зерна минерала (кварца). Еще ниже значения этих деформационных параметров у пачки слоев, поскольку главным механизмом ее складчатой деформации является взаимное проскальзывание слоев (см. рис. 23). По всем вышеназванным основаниям оценка вязкости и прочности верхней мантии, основанная на оценке этих параметров у главного породообразующего минерала оливина является заведомо завышенной.

В этой ситуации неопределенности оценок главных параметров природного структурообразования остаются две возможности.

Во-первых, принятие, в первом приближении, постулата о том, что, особенно в простейших случаях тектонического моделирования, условия подобия выполняются автоматически, независимо от выбора эквивалентного материала [Белоусов, Гончаров, 1991].

Во-вторых, стремление к получению чисто качественного результата моделирования, без претензий на количественную оценку параметров процесса структурообразования. В данном случае речь идет о том, что можно было бы назвать «структурным подобием». Реально такой подход существовал всегда, хотя многие авторы при этом «прикрывались» количественными расчетами условий подобия как щитом, дающим пропуск к публикации в рецензируемый журнал. Серьезные наметки обоснования принципа «структурного подобия» содержатся в работе [Гинтов, Исай, 1988]. Думается, что, с учетом иерархической соподчиненности структур, о которой говорилось выше, такому подходу принадлежит будущее. При невозможности воспроизвести весь иерархический спектр структур имеет смысл производить селективное моделирование структур разного ранга, что рекомендовал еще М.В. Гзовский [Гзовский, 1975].

Заключение

тектонофизика геосфера деформация пластический

Главная проблема тектонофизики 21-го века - это создание собственной теоретической и понятийной базы, которая, не игнорируя и в нужной мере используя законы физики, в то же время была бы основана на свойствах именно геологической среды, с учетом ее иерархической организации и весьма длительного времени протекания процессов в этой среде. Одним из элементов этой базы может послужить описанное выше иерархическое чередование однородных и неоднородно-компенсационных деформаций и разработка соответствующих принципов их компьютерного моделирования и критериев подобия для их физического моделирования.

Литература

Белоусов В. В., Гончаров М. А. Автоматическое выполнение условий подобия в простейших случаях тектонического моделирования // Экспериментальная тектоника. Киев, Наукова думка. 1991. С. 16-20.

Гзовский М. В. Основы тектонофизики. М.: Наука, 1975. 536 с.

Гинтов О. Б., Исай В. М. Тектонофизическое исследование разломов консолидированной коры. Киев: Наук. думка, 1988. 228 с.

Гончаров М. А. Количественные соотношения геодинамических систем и геодинамических циклов разного ранга // Геотектоника. 2006. № 2. С. 323.

Гончаров М. А., Талицкий В. Г., Фролова Н. С. Введение в тектонофизику. М.: Книжный дом «Университет», 2005. 496 с. Премия им. Н.С. Шатского Президиума РАН за 2006 год.

Гуревич Г. И. О так называемом «механическом анализе» в геологической литературе // Изв. АН СССР, серия геофиз. 1954. № 3. С. 264-279.

Гуревич Г. И. О «механическом анализе вопросов тектоники» в его традиционном изложении // Тр. Геофиз. ин-та, № 31 (158). М.: Изд-во АН СССР, 1955. С. 3-106.

Лукьянов А. В. Пластическая деформация и тектоническое течение в литосфере. М.: Наука, 1991. 144 с.

Проблемы тектонофизики. М.: Гостехиздат, 1960. 364 с.

Пущаровский Ю. М., Пущаровский Д. Ю. О тектоно-геодинамической модели Земли нового поколения - обзор проблемы // Геотектоника. 2006. № 3. С. 38.

Разломообразование в литосфере. Зоны сдвига / С. И. Шерман, К. Ж. Семинский, С. А. Борняков и др. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1991. 262 с.

Разломообразование в литосфере. Зоны растяжения / С. И. Шерман, К. Ж. Семинский, С. А. Борняков и др. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1992. 228 с.

Разломообразование в литосфере. Зоны сжатия / С. И. Шерман, К. Ж. Семинский, С. А. Борняков и др. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1994. 263 с.

Семинский К. Ж. Внутренняя структура континентальных разломных зон. Тектонофизический аспект. Новосибирск: Изд-во СО РАН. Филиал «Гео», 2003. 244 с.

Хаин В. Е. Важное достижение отечественной науки (рецензия и комментарий к книге «Введение в тектонофизику») // Геотектоника. 2006. № 1. С. 9596.

Хаин В. Е., Гончаров М. А. Геодинамические циклы и геодинамические системы разного ранга: их соотношение и эволюция в истории Земли // Геотектоника. 2006. № 5. С. 324.

Хаин В. Е., Короновский Н. В. Планета Земля: от ядра до ионосферы: учеб. пособие. М.: КДУ, 2007. 244 с.

Шерман С. И. Тектонофизика как базовая научная дисциплина в современном обучении геологов и геофизиков // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. 2007. № 3. С. 6667.

Эз В. В. Структурная геология метаморфических комплексов. М.: Недра, 1978. 192 с.

Яковлев Ф. Л. Диагностика механизмов образования линейной складчатости по количественным критериям ее морфологии (на примере Большого Кавказа). М.: ОИФЗ РАН, 1997. 76 с.

Яковлев Ф. Л. Исследования процессов и механизмов развития пликативных деформаций в земной коре (обзор существующих методических подходов) // Тектонофизика сегодня. М.: ОИФЗ РАН, 2002. С. 311-332.

Размещено на Allbest.ru