Рост геологических структур, обусловленный течением горных пород, означает развитие пластичных течений в поле тектонических напряжений. Следовательно, ключ к решению этой задачи заключается в измерении коэффициентов вязкости горных пород в условиях высоких всесторонних давлений. Почти единственную возможность сделать это предоставляют испытания ползучести. Для этой цели удобно использовать так называемый стабилометр — устройство для трехосного испытания с равным давлением по двум осям (σ1 ≠ = σ2 = σ3). В этом приборе всестороннее давление в камере высокого давления контролируется изменениями объема жидкости, а дифференциальное напряжение σ1—σ2 создается приложением осевой нагрузки в одном направлении. Это также и модельное испытание для тектонического течения. В качестве образца используется реальная горная порода. Поле напряжений, при котором происходит тектоническое течение, задается по условиям эксперимента всесторонним давлением и дифференциальным напряжением (если необходимо, включается и температура). Эксперимент продолжается до тех пор, пока не подтвердится состояние равномерной ползучести, а затем коэффициент вязкости получают по наклону кривой ползучести. Таким способом получают коэффициент вязкости λ для нормальной деформации, а не η для деформации сдвига, например для ламинарного течения. Если образец несжимаемый, то существует зависимость λ = 3η, и, если дифференциальное напряжение принять как σ1—σ2, то
Впервые такие эксперименты были выполнены Григгсом (1937, 1939) на известняках Соленхофен и др. Например, он рассчитал эквивалентную вязкость, равную 1,29·1014 Па·с, при дифференциальном напряжении 546 МПа и всестороннем давлении 1 ГПа (рис. 6.6). Испытания ползучести вдоль одинаковых линий с использованием стабилометра были также выполнены на аргиллитах третичной формации Нишияма, образующей складчатые структуры нефтяного месторождения Ниигата. Было рассчитано несколько значений эквивалентной вязкости. Рассмотрим их влияние на рост складчатых структур [110].
Для этих испытаний была задана геологическая ситуация с образованием складок на глубине около 1500 м, поэтому было выбрано всестороннее давление, равное 30 МПа. Некоторые результаты показаны в табл. 6.1. Неожиданно было обнаружено, что равномерная ползучесть установилась при скорости деформации порядка 10-8 с-1 в поле тектонических напряжений, выраженных дифференциальными напряжениями 10—50 МПа. Рассчитанные на основании этого значения эквивалентной вязкости составили порядка 1014 Па·с. В том случае, когда образцы для испытания были водонасыщены, получены значения, превышающие предыдущие в несколько раз. Мы можем использовать эти значения для обсуждения задач определения скоростей деформации, роста складок и тектонических полей напряжений. Судя по данным табл. 6.1, деформация достигает не менее 30 % немного более, чем через год при тектоническом напряжении 10 МПа, но, очевидно, что такие огромные изменения нереальны. Существуют два основных направления интерпретации развития складок в области нефтяного месторождения Ниигата. Первое направление, представляемое Омура (1930), предполагает существование «фазы складчатости», второе, выдвигаемое Канахара, не признает существование такой фазы, а утверждает, что складки развивались постепенно, начиная со времени отложения первичного слоя, до настоящего времени.
В соответствии с более поздними представлениями Сузуки (1971), существовал период очень быстрого роста складок в среднем плейстоцене, но, по-видимому, слабые складкообразующие движения, уже начавшиеся в позднем миоцене, также имели место. Если мы примем это представление и допустим, что в основном складки росли в среднем плейстоцене, то это даст нам период складкообразования по большей мере 100 тыс. лет. Так как, по-видимому, допустимо предположить, что механические свойства формации Нишияма, которая принадлежит к серии нижнего плиоцена, не слишком отличаются от существующих в настоящее время, результаты испытаний, выполненных на современных образцах, вполне достоверны.
Другой важный фактор, расширяющий эту дискуссию, заключается в оценке величины тектонического напряжения. По отношению к напряжениям, действующим в современной земной коре, Чиннери (1964) сообщил, что падение напряжения, связанное с образованием крупных сдвигов и землетрясениями, составляло 1—10 МПа. Хает (1967) также установил, что измерения абсолютных напряжений в земной коре в Скандинавии показали общее горизонтальное напряжение у поверхности равным 18 МПа и что эта величина пропорционально увеличивается с глубиной, достигая 100 МПа на глубине 1000 м. Хергет (1974) уменьшил все данные по Канаде и сообщил, что среднее горизонтальное напряжение составляет (83 ±5) 105 Па + (0,407 ±0,023) Н 105 Па (Н — глубина в м). Фудзии и Ито (1973) на основании изучения механизма образования осадочных бассейнов верхнеплиоценовой формации Отади, развитых на п-ове Босо, предположили, что величина порядка 18 МПа достаточна для тектонического напряжения, действовавшего в земной коре в позднем плиоцене. Ито и др. по измерениям напряжений в основании подземной электростанции в г. Омати (преф. Нагано) показали, что максимальное главное сжимающее напряжение было субгоризонтальным, действовало в широтном направлении и составляло 10—18 МПа. По-видимому, все эти исследования показывают, что значения тектонического напряжения в верхней части земной коры составляют порядка 1—10 МПа.
Однако, как упоминалось ранее, результаты по формации Нишияма были получены при дифференциальном напряжении 10 МПа однако, даже принимая, что дифференциальное напряжение равно 2 МПа, деформация в соответствии с табл. 6.1 достигает 30 % за 95 лет. Если же допустить, что деформация достигает 30 % за 100 тыс. лет, тогда тектоническое напряжение, непрерывно действовавшее все это время, будет иметь значение дифференциального напряжения, не превышающее 0,2 МПа. Кажется, что это значение слишком мало, но возможно, что оно дает одно из решений. Другое решение заключается в представлении, что поле напряжений, в котором росли складки Нишияма, все же имело уровень дифференциального напряжения около 10 МПа, но что оно действовало с перерывами, а не постоянно. В этом случае, чтобы достичь деформации, равной 30 % за 100 тыс. лет, дифференциальному напряжению порядка 10 МПа необходимо действовать в течение лишь одного года. Эта интерпретация довольно близка к представлению, что складки развиваются толчками во время сильных землетрясений. Допустим, что одно крупное землетрясение случается каждые 1000 лет, тогда за 100 тыс. лет должно случиться 100 крупных землетрясений, и дифференциальное напряжение порядка 10 МПа должно было бы существовать всего лишь несколько дней, возможно, перед каждым крупным землетрясением.
Итак, первый подход утверждает, что складки росли медленно в результате ползучести, которая развивалась непрерывно благодаря всегда присутствовавшему небольшому дифференциальному напряжению. Вторая интерпретация, согласно которой характерны прерывистые периоды роста в чрезвычайно короткие промежутки времени, как раз перед крупными землетрясениями, хотя и дает ту же ползучесть, тесно связана с сейсмичностью на протяжении геологического времени. Кроме того, чтобы в определенном направлении образовалась складчатая структура, ось главного напряжения должна иметь непрерывно одинаковое направление независимо от того, является ли дифференциальное напряжение постоянно очень слабым, составляя всего несколько килограммов на квадратный сантиметр, либо оно достигает значений порядка 10 МПа всего лишь на несколько дней раз в 1000 лет.
Приведенная дискуссия ограничивалась решением задачи о напряжениях в формации Нишияма, но в действительности мы по-прежнему стоим перед проблемой установления важнейших факторов, которые привели к возникновению такого поля напряжений. Зайди дискуссия немного дальше, и нам пришлось бы изучать взаимосвязь всех отложений третичной системы, к которой принадлежит формация Нишияма, с породами фундамента. Итак, если мы смогли бы воспроизвести модель, в которой несмотря на дифференциальное напряжение в фундаменте, составляющее 1—10 МПа, в перекрывающих его толщах создавалось бы дифференциальное напряжение, не превышающее несколько килограммов на квадратный сантиметр, то она дала бы конкретное основание для первого решения.