§ 28. Вводные замечания

Вопросы, рассматриваемые в этом разделе, относятся по су­ществу к структурной геологии и к учению о метаморфизме. Здесь они излагаются в качестве иллюстрации к изложенному в предыдущем разделе. Взято два примера: тектонические струк­туры (в широком смысле этого термина) и вторичные структу­ры и текстуры, получаемые в г результате динамометаморфизма.

Относительное mJmJ * " ^Пе£^{ВЫЙ ПрИМ6р показывает}> ^чт0

деформация горных пород, охва-

Фиг. 29. Опыты Кармана над мраморными тывающая значительные области цилиндрами. литосферы в условиях объемно­

го напряженного состояния и протекающая весьма медленно, носит типичный пластический характер. То же относится и к образованию вторичных структур и текстур при метаморфизме, когда минеральный состав пород существенно не меняется

§ 29. О действующих силах

Формирование тектонических структур представляет собою меха­нический процесс, обязанный эндогенным силам или движениям. По воззрениям сонременной геологии, эндогенные движения являются следствием расширения и сжатия отдельных участков литосферы. Однако вопрос о характере действия и направлении имеющих место при этом сил остается во многом не выясненным.

Эндогенные силы совместно с силой тяжести вызывают деформа­ции участков земной коры. Если ограничиться механической стороной вопроса, то можно представить себе два типичных случая: 1) эндо­генные силы S имеют радиальное направление, противоположное действию силы тяжести G, и б) направление действия эндогенных сил S составляет угол с направлением действия силы тяжести О.

В первом случае породы на некотором определенном уровне под­вергаются действию разности сил (S — G), направленной кверху, ра-

дяальяо. Во втором случае проявляются две составляющие андогеяной силы: нормальная и тангенциальная, В зависимости от величины угла наибольшее значение приобретает нормальная или тангенциальная составляющая. В связи с этим формируются соответствующие струк­турные типы.

§ 30. Напряженное состояние массива

Напряженное состояние участка литосферы, находящегося под действием сил S и G, можно охарактеризовать на основе той или иной схемы лишь качественно. Это состояние является объемным и при том неоднородным. Длительное действие сил способствует пла­стической деформации. Можно впрочем теоретически показать, что при некоторых упрощениях задачи и при отсутствии эндогенных сил, при действии только одной силы тяжести, в массиве создаются усло­вия пластического состояния.

Примем свободную поверхность рассматриваемого массива гори­зонтальной (оси прямоугольных координат х и у), а действие силы тяжести вертикальным (ось z). При этом, ограничиваясь сравнительно небольшими значениями z, будем считать, что плотность пород явля­ется постоянной, а предел текучести a_s—существенно не зависящим от геотермического градиента

Прн этих условиях в массиве можно выделить две области: упру­гую и пластическую. Ниже последней на значительной глубине расположена область гидростатического давления. Границы между этими областями можно определить простейшими расчетными приемами.

В области, примыкающей непосредственно к дневной поверхности, объемное напряженное состояние массива можно считать упругим. Для его оценки могут служить следующие известные формулы, связыва­ющие главные нормальные напряжения о_1т о₂ и о₃, совпадающие по направлению с осями прямоугольных координат г, у ах:

"i—TZ. = = (1,30)

Условия (1,30) действительны, конечно, при изотропии и однородно­сти пород.

С увеличением z увеличивается разность (о_х— o_s) и все больше создаются условия для постоянства этой разности, т. е. условия пла­стического напряженного состояния. На основании гипотезы главных касательных напряжений последнее будет иметь место при условии^-

^ai — a_t — 2k — a_s. (а)

Внося (1,30) в (а), получим:

1 — ₀,

(2,30)

= =

откуда

_z—In»*. Л».

Формула (2,30) опредетяет глубину, на которой упругое состояние пород сменяется пластическим. Из (а) имеем:

С увеличением z возрастают o_s и = и числовое значение пре­дела текучести a_s, вообще довольно низкого для горных пород и к тому же уменьшающегося (вследствие повышения температуры) с

увеличением глубины, становится все меньшим. Другими словами, с увеличением глубины имеет место постепенное выравнивание напряжений о₁, о₂ и о„ т. е, постепенное приближение к гидроста­тическому состоянию. Теоретически полностью последнее будет иметь место при т. е. при температуре плавления пород,

что отвечает весьма большой глубине.

Однако уже на сравнительно небольших глубинах состояние по­род можно считать весьма близким к гидростатическому. Так, напри­мер, при: y = 2,5 /га/ж⁸, ц=0,20 и 3^ = 100 т\м^г напряжения Oj ив, на глубине z=1000, 2000, 5000 и 10000 м вычисляются соответственно равными:

— т\м* 2 500 5 000 12 500 25000

а, — т\ж² 2 400 4 900 12 400 24 900

— • 100 96% 98% 99,2% 99,6%

Для взятого примера глубина, определяющая границу между уп­ругой и пластической областями, согласно (2,30) равна около 53 м, что значительно меньше средней глубины современных подземных разработок.

Фиг. 30 иллюстрирует формулы (1,30) и (2,30). Угловой коэфициент прямой OA в упругой области равен frr^-T» а в пластической и в об­ласти гидростатического давления — Y 0* = 0,50).

В упругой области естественного массива, конечно, могут суще­ствовать отдельные участки пластического состояния, обязанные раз-

личиям в физико-механйческих свойствах пород, условиям залега­ния последних и т. п. Аналогичное положение вещей может иметь место и в пластической области, где могут быть отдельные участки упругого состояния. Таким образом, в реальных условиях напряжен­ное состояние массива может быть весьма неоднородным.

При действии эндогенных сил условия равновесия отдельных участков литосферы нарушаются, что при преобладании в верхних слоях пластического состояния пород дает начало пластической де­формации их.