Тектонічні деформації та елементи залягання гірських порід

Тектонічні деформації (лат. deformatio – викривлення) – зміна форм і об’ємів геологічних порід в окремих частинах земної кори під дією тектонічних сил. Деформації поділяються на пружні, пластичні та розривні. При пружних деформаціях після зняття навантаження форма тіла відновлюється. Пластичні й розривні деформації гірських порід є незворотними. Більшість з них при підвищенні навантажень зазнають усіх трьох видів деформації. Деформація гірських порід відбувається внаслідок дії статичних (гірничий тиск) чи динамічних (тектонічні рухи) навантажень.

Пластичні деформації особливого значення набувають у глибоких зонах земної кори. Вони відбуваються шляхом тектонічних рухів у певних напрямках без розриву шарів порід. Розривні деформації супроводжуються розривом пластів унаслідок перевищення зусиль, що викликають пластичні деформації.

Гірські породи, що утворюють земну кору, займають у ній певне просторове положення, маючи форму і розміри. У магматичних порід форма залягання найчастіше буває неправильних форм (батоліти, штоки, жили), а в осадових вона переважно є витриманою за розповсюдженням та товщиною. Форма залягання гірських порід, набута ними при формуванні, називається первинною, або непорушеною формою.

Найпоширенішою формою залягання осадових порід є шар чи пласт – геологічне тіло, що складене однорідною осадовою породою. У його будові виділяють покрівлю – верхню обмежуючу поверхню і підошву. Найкоротша відстань між ними – товщина шару. Інколи осадові породи залягають у вигляді лінзи – геологічного тіла, що виклинюється в усіх напрямках. Положення шару в просторі визначається елементами залягання: простиранням, падінням, кутом падіння (рис. 5. 1).

Простягання шару або його протяжність у просторі виражається лінією простягання, що утворюється перетином горизонтальної площини з поверхнею шару, падіння – лінією падіння, яка лежить у площині шару і є перпендикулярною лінії простягання. Просторове положення цих ліній вимірюється азимутами.

 

Рисунок 5.1 – Елементи залягання гірських порід:

 

а-а – простягання; б-б – лінія падіння;α – кут падіння

Азимут простягання – це правий вертикальний кут, утворений магнітним меридіаном та лінією простягання; азимут падіння (на відміну від азимуту простягання) як напрямку вимірювання має лінію падіння; кут падіння – кут, що утворюється між лінією падіння і її проекцією на горизонтальну площину. Елементи залягання визначаються за допомогою гірничого компаса (рис. 5.2).

 

 

Рисунок 5.2 – Гірничий (геологічний) компас:

1 – основа компаса; 2 – лімб; 3 – висок; 4 – гальмовий пристрій для виска; 5 – магнітна стрілка; 6 – гальмовий пристрій для магнітної стрілки

 

Гірничий компас – магнітний прилад, що використовується у геологічній практиці для орієнтування на місцевості, візуальних зйомок та визначення елементів залягання гірських порід.

Різноманітні за формою та напрямком тектонічні рухи є причиною порушення первинного залягання гірських порід.

Під дією коливальних, складкоутворюючих, брилових або зсувних рухів магматичні тіла, метаморфічні й осадові товщі змінюють положення у просторі. Шари пластичних осадових порід під впливом горизонтально і вертикально спрямованих деформуючих зусиль вигинаються, набуваючи форму складок. Жорсткіші породи (типу пісковиків), вигинаючись, укриваються тріщинами.

Зміну первинного залягання гірських порід називають тектонічним порушенням. Тектонічні порушення поділяються на складчасті, або плікативні (лат. plikatys – складчастий) та розривні, або диз’юнктивні (лат. disjucto – розділяю). Вид порушень дозволяє відтворювати історію рухів земної кори на цій ділянці у далекий геологічний час, а також установити – були це гороутворюючі рухи або рухи, що спричинені вулканізмом та іншими процесами.

Сформовані внаслідок тектонічних рухів структури зазвичай сприяють утворенню умов для нагромадження скупчень нафти й газу, а також формуванню інших родовищ корисних копалин. Так, у розривних структурах рудоносні розчини відкладають гідротермальні мінерали свинцю, міді, ртуті, золота, срібла і т. ін. А складчасті структури є свого роду пастками для накопичення гідротермальної мінералізації вуглеводнів. У той же час тектонічні порушення інколи руйнують родовища, що утворились раніше. Тому вивчення тектонічних порушень та динаміки їх утворення дозволяє геологам орієнтуватися при пошуках і розвідці родовищ корисних копалин.

Дослідженнями тектонічних порушень займається наука геотектоніка, а геологічними формами, які утворилися внаслідок тектонічних рухів, – структурна геологія.

Складчасті тектонічні порушення

Основним видом складчастих порушень є складка. Складкою називають хвилястий вигин у шарі гірських порід, що утворився в процесі їх пластичних деформацій.

Складки бувають опуклими – антиклінальними й увігнутими – синклінальними (рис. 5.3). У їхній будові розрізняють: крила, замок, ядро.

а б

Рисунок 5.3 – Антиклінальний (а) і синклінальний (б) типи складок

Крила – бокові частини складки. Місце їхнього замикання (найбільшого вигину) називають замком. Частина складки, що знаходиться між крилами та замком, утворює її ядро. У ядрах антиклінальних складок залягають породи давнішого віку, ніж на крилах, а у синклінальних – молодші породи.

Для вивчення складок та визначення положення їх у просторі існують поняття про геометричні елементи складки – осьові поверхні, шарніри, осі та кути складки.

Осьова площина (поверхня) – це уявна площина, що проходить через замок складки й поділяє її приблизно на дві симетричні частини. Розрізаючи складку вздовж, осьова площина утворює лінію перетину з поверхнею кожного шару гірських порід – шарнір складки. Скільки у складці шарів, стільки ж і шарнірів. Шарнір поводить себе у просторі так, як і складка. Якщо складка занурюється на глибину або відхиляється вбік, то шарнір вимальовує у просторі хвилясту лінію.

Подовжуючи осьову поверхню до перетину із земною поверхнею, отримаємо нову лінію перетину – вісь складки, яка збігається з її простяганням. Якщо продовжити у просторі крила аж до їхнього перетину, отримаємо кут складки α (рис. 5.4).

 

Рисунок 5.4 – Елементи залягання складки:

а – кут складки; абвг – вісьова площина; де – вісь складки; є – шарніри складки;

д – насув; ж – замок (склепіння); з – ядро складки

Більшість складок має лінійно-витягнуту форму. Їх протяжність – від десятків метрів до сотень кілометрів. Розміри складок визначаються висотою, шириною та довжиною. Довжина має лінійні виміри від одного замкнення (у плані) до іншого. Оскільки складчасті структури зазвичай є чергуванням антикліналей і синкліналей, за висоту складки приймають відстань між найвищою точкою антиклінальної й найнижчою – суміжної синклінальної складки, яка вимірюється по покрівлі або підошві одного і того ж шару порід. Ширина складки визначається відстанню між двома сусідніми антиклінальними або синклінальними складками.

Окремі складки у природі трапляються рідко. Частіше вони спостерігаються у вигляді цілих комплексів різних за морфологією та походженням структур.

За положенням у просторі осьової площини та крил виділяють складки: прямі, косі, перевернуті, лежачі, перекинуті. Своєрідні сходчасті складки (у яких одне крило вертикальне, а інше субгоризонтальне) називають флексурами (рис. 5.5).

За морфологічними особливостями замка виділяють гребенеподібні, сундучні, віялоподібні та ізоклінальні складки.

 

Рисунок 5.5 – Складка-флексура

Найрозповсюдженішими є замкнені структури – брахіскладки (грецьк. брахіс – короткий) – відносно невеликої довжини складчасті структури, у яких довжина співвідноситься з шириною не більш ніж 5:1, а шарнір є дугоподібно вигнутим. Серед них виділяються брахіантикліналі та брахісинкліналі. Брахіантиклінальні структури часто служать пастками нафти і газу у різних регіонах світу, включно з Україною. Якщо співвідношення довжини й ширини складок є близьким до 1:1, то антиклінальні складки мають назву куполів, а синклінальні – мульд. Куполи, що формуються внаслідок віджимання з глибин пластичних порід (солей, глин), дістали назву діапірових структур (рис. 5.6).

Рисунок 5.6 – Діапірові структури

 

Характер складок визначається властивостями гірських порід і ступенем тектонічної активності земної кори. У регіонах з відносно спокійним тектонічним режимом земної кори розповсюджені окремі складки з похилим падінням крил. Там, де відбувалися активні тектонічні рухи, утворюються групи лінійно-витягнутих складок з крутим падінням крил. Пластичні породи утворюють складки складніших форм.

Група складок має назву складчастості.

У переважній більшості випадків складки у земній корі утворюються внаслідок магматичних, метаморфічних і тектонічних процесів. Особливе місце займають тектонічні рухи, які створюють найкрупніші складчасті структури.

Коливальні рухи спричиняють утворення крутих, похилих, замкнених у плані груп складок, що мають назву антекліз (антиклінальні структури) і синекліз (синклінальні структури).

Більш складну форму і значну довжину мають структури гірських районів – антиклінорії й синклінорії.

Антиклінорії – складні антиклінальні структури протяжністю у сотні кілометрів, що утворюються внаслідок підйому земної кори. На крилах вони ускладнюються дрібнішою складчастістю (передові хребти гір).

Синклінорії – великі за площею ділянки занурення, що заповнені зім’ятими у складки і молодшими, ніж у сусідніх регіонах, відкладами.

Вивчення геологічної будови земної кори свідчить, що зім’ятими у складки стають не лише окремі пласти, але й цілі товщі гірських порід. Складчастість нижніх товщ часто відрізняється від складчастості порід, які залягають вище. Межа, котра ділить товщі різного віку з різними кутами залягання порід дістала назву кутового неузгодження.

Розривні тектонічні порушення.

Тектонічні порушення з розривом пластів гірських порід мають назву розривних. Розрив має вигляд тріщини, що ділить монолітну породу на частини або блоки. Залежно від напрямку діючих сил блоки гірських порід після розриву або залишаються у попередньому стані, або зміщуються відносно один одного. Тому всі розривні порушення поділяють на дві групи: розриви без зміщення і розриви зі зміщенням.

Розриви без зміщення (тріщини). Тріщини існують у будь-яких гірських породах. Вони вирізняються за розмірами, положенням у просторі та походженням. Тріщини, що є непомітними для неозброєного ока, мають назву мікротріщин. Тріщини, які видно, зазвичай мають ширину від декількох міліметрів до десятків метрів. Більшість із них заповнені мінеральною речовиною. Мінеральні тіла, що заповнюють тріщини, мають назву жил. Тріщини бувають відкритими, закритими та сліпими. Сліпі тріщини не мають виходу на поверхню.

За положенням у геологічному просторі розрізняють тріщини горизонтальні (кут падіння 0 – 10^о), похилопадаючі (10 – 50^о) та крутопадаючі (50 – 90^о). Найчастіше тріщини утворюють системи, які мають назву тріщинуватість.

Глибина тріщин визначається природою їх утворення. Екзогенні тріщини, пов’язані з процесами фізичного вивітрювання, мають глибину до перших десятків метрів. Ендогенні тріщини простежуються геофізичними приладами на глибини від сотень метрів до десятків кілометрів.

Утворення таких тектонічних форм пов’язане головним чином з дією ендогенних сил, спрямованих на стискання або розтягнення гірських порід.

У розривному порушенні зі зміщенням розрізняють зміщувач, крила або блоки та амплітуду зміщення. Зміщувач (С) – тріщина, вздовж якої відбувається зміщення розірваних ділянок земної кори. Поверхня стінок зміщувача звичайно згладжена, а у твердих порід – відполірована. Іноді на стінках спостерігаються подряпини, залишені уламками твердих мінералів. За напрямком подряпин визначають і напрямок переміщення блоків. Блоки або крила (А, Б) – це ділянки земної кори (шару, товщі ), що знаходяться по обидва боки від зміщувача (рис. 5.7).

 

 

Рисунок 5.7 – Елементи розривного порушення:

А – лежаче крило (занурене), В – висяче крило (здійняте), С – зміщувач, r – амплітуда справжня, r₁ – амплітуда вертикальна, r₂ – амплітуда горизонтальна

По відношенню одне до одного крила бувають здійнятими, зануреними, пересунутими. Зануреним називають блок або крило, що зміщене відносно іншого вниз. Здійнятим – крило, що переміщене вгору. За похилого положення зміщувача крила, які знаходяться вище від зміщувача, називають висячими, а під ним – лежачими. Відстань, на котру зміщено крила відносно одне одного, є амплітудою зміщення. Вона буває вертикальною, горизонтальною та істинною. Вертикальна амплітуда – відстань між кровлею (підошвою) крила здійнятого і покрівлею (підошвою) крила зануреного. Точно так, але за зміщувачем визначається й істинна амплітуда.

Горизонтальна амплітуда вказує, наскільки крила розірваного пласта розсунуті по горизонталі. За напрямком переміщення блоків, просторовим положенням зміщувача та деякими іншими особливостями виокремлюють такі типи розривних порушень, як скиди, підкиди, зсуви, насуви (рис. 5.8).

Скид – розривне порушення, у якого зміщувач нахилений у бік зануреного крила, а висяче крило зміщене вниз відносно лежачого. Вважається, що скиди утворюються при розтягуванні ділянок земної кори.

При стисканні земної кори висяче крило переміщується вгору по зміщувачу, утворюючи розривне порушення – підкид. У підкидів зміщувач нахилений у бік здійнятого крила, а висяче крило розташоване вище від лежачого.

Насув морфологічно нагадує підкид. Відрізняється від нього похилішим положенням зміщувача: у підкидів зміщувач нахилений під кутом більше ніж 45^о, у насувів – до 45^о. Інша відмінна риса насувів – значні амплітуди, що вимірюються сотнями метрів, а іноді й десятками кілометрів.

 

 

Рисунок 5.8 – Розривні тектонічні порушення

а – скид, б – підкид, в – зсув, г – розсув, д – насув, е – покрив (шаряж); 1 – алохтон,

2 – автохтон, 3 – поверхня волочіння

Зсув формується при горизонтальних переміщеннях блоків земної кори вздовж похилого або круто падаючого зміщувача. Іноді зсуви співіснують зі скидами або підкидами, утворюючи структури комбінованого типу – підкидозсуви, або скидозсуви. Для них характерним є зміщення блоків як у вертикальному, так і у горизонтальному напрямках. До складних розривних порушень належать східчасті скиди та підкиди, горсти і грабени.

Східчастий скид – система паралельних змішувачів, відносно якої спостерігається східчасте занурення блоків.

Східчастий підкид утворюється у випадку, коли між паралельними зміщувачами знаходяться східці підкиду.

Горст (нім. horst – височина, пагорб) – здійнята блокова ділянка земної кори, що обмежена розривними порушеннями (скидами або підкидами).

Грабен (нім. graben – рів) – провалля або западина, що утворена при зануренні блока ділянки земної кори по скиду або підкиду.

Розломи – велетенські розриви в літосфері, що своїми корінями сягають мантії (глибинні розломи). На поверхні Землі розломи визначаються за зонами сліпих та відкритих тріщин. Вони добре прослідковуються з космосу. Ширина зон розломів 1 – 2 км, іноді – десятки кілометрів. Довжина розломів – сотні й тисячі кілометрів. Уздовж розломів відбувається переміщення блоків земної кори.

Геологічна роль розломів дуже велика. Вони є каналами, по яких глибокі зони Землі сполучаються з верхніми шарами земної кори і її поверхнею. По них укорінюється магма, надходять гарячі флюїди та гідротермальні розчини, здійснюється сучасний тепломасоперенос. З розломами часто пов’язані родовища нафти й газу та інших корисних копалин.

Глибинні розломи відокремлюють окремі літосферні плити. Пов’язані вони як із сучасними, так і з давніми тектонічними рухами земної кори. На океанічному дні вздовж глибинних розломів, які часто є межею океанічних літосферних плит різних порядків, протягуються серединно-океанічні хребти.