В общих чертах можно выделить два основных типа явлений различного происхождения, которые вместе составляют течение горных пород. Первый тип — это деформация неконсолидированного осадочного материала либо рост соляных куполов и др., тогда как ко второму типу относятся процессы развития геологических структур, таких как складки и др. Разница между ними заключается в том, что первый тип деформаций возникает в поле, в котором в основном действует только сила тяжести, а второй — проявляется в полях, где кроме силы тяжести существуют так называемые тектонические напряжения (tectonic stresses). Процесс второго типа называется тектоническим течением (tectonic flow). Проблема тектонического течения — одна из наиболее важных тем в структурной геологии. Явления течения сложны, и многие существенные их особенности до сих пор не поняты полностью. В этой главе мы описываем основные характеристики тектонического течения и приводим несколько примеров его применения при механическом анализе геологических структур.
Изучение деформаций и течения материалов называется реологией (rheology). Явления деформации можно подразделить на упругую деформацию (elastic deformation) и течение, последнее далее делится на пластическое (plastic) и вязкое (viscous) течения в зависимости от присутствия или, напротив, отсутствия предела текучести (yeld value). Явления течения представляют собой непрерывную деформацию, развивающуюся во времени под действием напряженного состояния с остаточной деформацией (permanent strain), которая будет сохраняться, даже если напряжение впоследствии снимется. Упругая деформация, напротив, не зависит от времени и может проявляться почти мгновенно под действием напряжения. При снятии напряжения упругая деформация полностью возвращается к исходному состоянию так же быстро.
Механические модели (реологические) пригодны для любого описания характеристик деформации. Смысл механической модели заключается в том, чтобы выразить свойства любого материала через сочетания трех моделей, а именно: пружины (spring) для идеально упругого материала, подчиняющегося закону Гука (линейно упругое тело Гука — Hookean elastic body), амортизатора (dashport) для идеально вязкого материала, подчиняющегося законам вязкости Ньютона (ньютоновская жидкость — Newtonian fluid) и задвижки (latch), или ползунка (slider), для того, чтобы выразить наличие предела текучести (рис. 6.1).
Едва ли необходимо напоминать, что материалы, из которых состоят геологические структуры, представляют собой агрегаты минералов, которые мы называем «горными породами». Судя по характеристикам течения горных пород, они в основном ведут себя как пластичные тела, имеющие пределы текучести. Однако известно, что это поведение часто очень сложное, начиная от приближающегося к поведению упругого тела до напоминающего поведение вязкого тела, в зависимости от условий деформации. Поэтому далеко не просто построить механическую модель, способную полностью объяснить деформационные свойства горной породы во всех ситуациях.
Как бы то ни было, все равно удобно использовать при описании явлений течения реологические уравнения для того, чтобы выразить взаимосвязи между напряжением, деформацией и временем, применяя в качестве параметров реологические постоянные, такие как коэффициенты вязкости. Например, при ламинарном течении ньютоновских жидкостей взаимосвязь между скоростью деформации ε и напряжением τ, приняв за постоянную величину вязкость η, выражается уравнением
Наиболее простое пластичное тело, которое широко используется в качестве модели течения горных пород, — пластичное тело Бингама (Bingham plastic body), изображенное на рис. 6.2. Реологическое уравнение, в соответствии с которым ведет себя эта система при постоянном напряжении, называется уравнением Бингама и записывается следующим образом:
где η' — пластичность или псевдовязкость; τ0 — предел текучести, причем обе эти величины постоянны.
При обоих типах течения сохраняется линейная зависимость скорости деформации (strain rate) от напряжения, что можно видеть по форме уравнений. По существу, они обладают одинаковыми свойствами. Важный момент заключается в том, что явления «течения» неотделимы от «времени». Этот факт выражается во включении времени в вышеприведенные реологические уравнения в виде скорости деформации (
Явления течения определяются тремя факторами — напряжением, скоростью деформации и вязкостью (либо эквивалентной величиной), но лишь два из них независимы один от другого при линейном течении. Рассмотрим эти условия для случая тектонического течения. Сперва представим себе поле напряжений. В поле гидростатического напряжения будут происходить только изменения объема, без деформации. Если произвольное поле напряжений выражается тремя главными напряжениями, разница между каждым главным напряжением и средним трех главных напряжений называется отклоняющим или девиаторным напряжением (deviatoric stress). Вместе с тем, средняя величина этих трех главных напряжений показывает гидростатическую часть этой системы напряжений. Поскольку явления деформации, включая течение, в основном возможны лишь при наличии девиаторного напряжения, можно сказать, что оно определяет трехосное состояние напряжений так называемого «поля тектонических напряжений». Хотя мы можем сделать качественные заключения для любой количественной обработки, у нас нет возможности прямо рассчитать значения девиатор-ных напряжений, которые на протяжении геологического времени вызывали течение горных пород.
Что касается скорости деформации, ее средняя величина может быть рассчитана, если известен фактор времени, потому что иногда мы можем получить величину деформации по результатам геологических съемок и измерениям деформированных структур. Однако, время, полученное при помощи стратиграфических методов исторической геологии, в основном недостаточно точное, чтобы его можно было использовать при таких расчетах. Если было бы возможно измерить только коэффициенты вязкости, то в таких случаях может быть стали бы осуществимы некоторые количественные расчеты абсолютных значений тектонических напряжений, связанных с развитием явлений во времени.