Трещины, разломы и поля напряжений

Внутренняя структура горных пород и осадочных толщ, слагающих земную кору, на отдельных участках часто бывает так или иначе нарушена. К таким структурным нарушениям относятся первичные нарушения, возникшие во время образования горных пород и осадочных толщ, и вторичные, обусловленные наложенными тектоническими процессами. Последние, в свою очередь, делят на непрерывные нарушения, к которым относят складчатость, и нарушения, связанные с возникновением поверхностей дискретности, например, разломы и трещины. Вторичные поверхности дискретности, наблюдаемые в геологических телах, в общем называются расколами (fracture) или плоскостями расколов (fracture plane). Существуют многочисленные типы расколов, например трещины, разломы, кливаж и т. д., которые можно более детально классифицировать по их происхождению, форме и характеру развития.

Явление, при котором тело разделяется на две или более частей под действием напряжения, называется разрывом (failure), а способность деформироваться без раскалывания — пластичностью (ductility). Образование расколов — это разрывы, происходящие в области относительно низкой пластичности, однако по мере увеличения пластичности существует переход к непрерывной деформации (течению) через образование так называемых сланцеватых структур (foliated structures), например кливажа или рассланцевания. Трещиноватость — это обычный структурный элемент большинства геологических тел, независимо от времени их образования, расположения, размеров или типа. Понимание механизма образования расколов, таким образом, приобретает огромное значение при любом обсуждении проблем, связанных с геологическими структурами. Кроме того, образовавшись, плоскость раскола проявляет сильную анизотропию, являясь плоскостью наименьшего сопротивления, и может стать местом внедрения дайки или аккумуляции минеральных месторождений. Древнее разрывное нарушение, которое служит плоскостью раздела внутри породы, также может быть первопричиной обрушения склона — обвала или оползня. Разрывные нарушения, помимо всего прочего, наиболее серьезно осложняют геологическую оценку оснований для сооружения дорог, мостов, туннелей и фундаментов зданий.

Когда к твердому телу приложена внешняя сила, в нем возникает специфическое состояние напряжения. Если деформация превысит определенные пределы, то тело расколется. В этом случае результатом может быть как хрупкий раскол, так и пластичный разрыв по форме графика зависимости деформации от напряжения и положению точки образования разрыва на этой кривой. Характеристики напряжения, вызывающего раскол, можно также использовать для определения трещин растяжения (tension fractures) и трещин скола (shear fractures). Григгс и Хэндин (1960) применили термины «трещины расширения» (extension fractures) и «разломы» (faults) для явлений, соответствующих трещинам растяжения и трещинам скола соответственно. Поскольку сдвиг характеризуется некоторым смещением вдоль плоскости сдвига неважно, на сколь малое расстояние, то они, по-видимому, предположили, что трещина скола должна быть разломом с самого начала ее образования. В общем, возможно установить различие между трещинами, обусловленными простой потерей сцепления, и разломами, сформировавшимися при постепенном смещении. Под трещинами растяжения мы понимаем трещины, возникшие при напряженном состоянии абсолютного растяжения (т. е. когда главное сжимающее напряжение положительно: σ₁, σ₂, σ₃. берутся в порядке убывания σ₁>σ₂>σ₃). Однако аналогичный результат может получиться при напряженном состоянии относительного расширения (т. е. σ₁>σ₂>>σ₃>0), поэтому и те и другие трещины могут рассматриваться как трещины расширения, но только первые называются трещинами растяжения (Нагумо, 1968). В этой главе в основном рассматриваются проблемы, связанные с теми полями напряжений, в которых образуются разломы или трещины. Следует подчеркнуть, что в большинстве случаев, даже если поле напряжений можно определить по разрыву, внешнюю силу невозможно однозначно определить по полю напряжений. Обычно для внешней силы возможно несколько вероятных математических решений. В таких случаях для восстановления тектонической истории необходимо изучить в целом по территории геологические структуры, содержащие предполагаемые трещины и разломы. Лишь когда серия внешних сил в соответствий с этим условием установлена, можно надеяться на получение правильного решения.