Учебно-методическое пособие по курсу «Структурная геология» казань 2010 ’252

ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА – ЛЕНИНА

Учебно-методическое пособие по курсу

«Структурная геология»

КАЗАНЬ 2010

канд. геол.-мин. наук, доц. В.С.Полянин

кандидат геол.-мин. наук, доцент А.М. Ануфриев

Основой учебного пособия являются лекции, читаемые автором студентам специальности «Геология» и «Геология нефти и газа» по второй части курса «Структурная геология», носящей название «Структурная геология сложнодислоцированных комплексов».

При составлении учебно-методического пособия кроме авторских данных использованы следующие работы:

- Михайлов А.Е. Структурная геология. М.: Недра, 1984.

- Геологическая съемка сложнодислоцированных комплексов / Вознесенский В.Д., Горлов Н.В., Доливо-Добровольский А.В. и др. Л.: Недра, 1980.

- Гзовский М.В. Основы тектонофизики. М.: Наука, 1975.

- Тохтуев Г.В. Закономерности деформаций в неоднородно-слоистых геологических средах. Киев: Наукова думка, 1972.

- Ажгирей Г.Д. Структурная геология. М.: МГУ, 1966.

Ориентировка (азимут простирания, падения, погружения и т.д.) линий в пространстве определяется величиной правого векторного угла, образованного направлением на север и искомой линией (если линия горизонтальна) или её проекцией на горизонтальную плоскость (если линия наклонна) (рис.1).

Пространственное положение (ориентировка) любой плоскости в пространстве определяется тремя характеристиками: ориентировкой (азимутом) линии простирания, ориентировкой (азимутом) линии падения и величиной угла падения.

Линия простирания – это линия пересечения изучаемой плоскости с любой горизонтальной плоскостью. Азимут простирания этой линии – это правый векторный угол между направлением на север и линией простирания.

Угол падения – угол, образованный горизонтальной и измеряемой плоскостями.

Для определения и измерения ориентировки линий в пространстве используется геологический компас. Все замеры производятся по северной стрелке компаса в положении, когда север (нуль на лимбе) компаса ориентирован по измеряемому направлению.

На рис. 2 приведены используемые в практике проведения исследований обозначения основных структурных элементов на геологических и структурно-тектонических картах.
Ориентированные (упорядоченные) деформационные структуры
Метаморфические комплексы подвижных поясов и фундамента древних платформ характеризуются наличием в них ориентированных (упорядоченных) структур, сложнопостроенных складчатых структур, разрывных нарушений разного типа и трещиноватости.

К типу ориентированных (упорядоченных) деформационных структур относятся: сланцеватость (гнейсовидность), полосчатость и линейность.

Полосчатость обычно ориентирована параллельно сланцеватости, но может занимать и секущее положение, являясь более ранним образованием (структурным элементом). Полосчатость (отдельные «полосы», линзы) обычно не прослеживается на большие расстояния.

Линейность фиксирует направление наибольшего удлинения геологического тела (складчатой структуры, сланцевого комплекса и др.) и, как мы увидим позднее, совпадает (фиксирует) с ориентировкой оси σ₁ (ось «растяжения») деформируемого метаморфического комплекса.

На ранних этапах (1940-1950 гг.) изучения геологии раннедокембрийских метаморфических комплексов (в это время преобладал чисто петрографический подход к их изучению) сложилось представление о достаточно простой их структуре. Считалось, что метаморфические породы образуют простые формы: пологие (или крутые) тупые складки, моноклинали и др. В это время полагали, что нередко наблюдаемые мелкие сложные складки представляют собой незначительные и локальные осложнения крупных относительно простых по строению структур.

В основе этих представлений лежало положение о том, что сланцеватость и полосчатость метаморфитов наследует первичную слоистость осадочных и вулканогенно-осадочных пород, за счет преобразования которых они сформированы.

Позднее (при проведении детальных и крупномасштабных геологических съемок) выявилось значительно более сложное строение этих, как считалось, ранее, простых складчатых форм древних метаморфитов).

В результате проведения полевых структурных и экспериментальных исследований была обоснована модель перестройки первичных слоистых текстур в полосчатые и сланцеватые (рис.3).

Как показывает анализ этой модели, слоистость и полосчатость – это, как говорят в Одессе, «две большие разницы». Иначе говоря, названные структуры представляют собой результат проявления разновременных и генетически разнотипных геологических процессов.



Складчатые структуры
Складки – это волнообразные изгибы тел первоначально пластообразной (слоистой), пластинообразной формы и упорядоченных параллельных структур (сланцеватость и др.).

В складки могут быть смяты слои, пласты осадочных и вулканогенных пород, дайки, жилы, а также сланцеватость, полосчатость и линейность.

Складки в осадочных толщах по положению выпуклости подразделяются на антиклинальные и синклинальные. В метаморфических толщах, где стратиграфическая последовательность обычно неясна, выделяют синформные и антиформные складки.

Основными элементами складок являются: крылья, замок, шарнир, левая поверхность, зеркало [Михайлов, 1984].

Осевые поверхности складок обычно параллельны сланцеватости пород.

Пространственное положение (азимут падения и угол падения) осевых поверхностей складок может быть замерено с помощью геологического компаса и вынесено на карту.

Зеркало складок – это поверхность (плоскость), соединяющая шарниры группы складок по одной стратиграфической поверхности. Ориентировка зеркал складок также может быть замерена в поле и вынесена на геологическую карту.

Знаки, используемые для обозначения элементов складок и примеры их выделения на карту (план) приведены на рис.2.

Каждая складка может быть классифицирована по ряду признаков.

По положению осевой поверхности выделяют складки симметричные и асимметричные.

Симметричные складки характеризуются вертикальным положением осевой поверхности.

Асимметричные складки (складки с наклонной осевой поверхностью) подразделяются на следующие виды [Михайлов, 1984]: наклонные, опрокинутые, лежачие и ныряющие.

По величине угла между крыльями среди складок выделяют: тупые, острые и сундучные.

По форме замка складки подразделяются на округлые, килевидные и с острым замком.

По соотношению между крыльями выделяют складки: нормальные, изоклинальные и веерообразные.

По соотношению между длиной и шириной выделяют складки: линейные, брахиформные и куполовидные.

По соотношению мощности деформируемого слоя в крыльях и замке складки выделяют складки:

- подобные – складки не сохраняющие одинаковую мощность в замке и крыльях; складки этого типа (а среди них - изоклинальные) наиболее развиты в метаморфических комплексах;

- концентрические – складки, в которых мощность деформируемого слоя остается примерно одинаковой в их крыльях и замках.

Размеры складчатых структур изменяются в широких пределах. Нередко складки наблюдаются при изучении петрографических шлифов метаморфических пород: ширина их может составлять доли – первые миллиметры. И в то же время известны складчатые структуры шириной во многие десятки километров.

Разнопорядковые складчатые структуры. Складки в метаморфических комплексах закономерно организованы. Обычно в складчатых структурах выделяются одновозрастные складки нескольких порядков (разного масштаба и размера).

Осевые поверхности разнопорядковых одновозрастных складок близпараллельны.

Положение зеркала мелких складок (складки более высокого порядка) маркирует залегание поверхности крыла и свода следующей по масштабу (более крупной) складки – складки более низкого порядка (рис.4.).

Дисгармоничные структуры в складках наблюдаются в направлении, нормальном (перпендикулярном) их зеркалу и крыльям: здесь нередко происходит угасание одних типов складок и появление на них месте других.

Наложенные складчатые структуры. В метаморфических комплексах нередко наблюдаются следы процессов наложения разновозрастных складчатых деформаций. Эти структуры опознаются и картируются только в тех случаях, когда проводятся детальные буровые работы.

Так изображенная на рис.5 лежачая складка, смятая в складки более высокого порядка до проведения глубокого бурения (были углублены скважины 1-6) интерпретировалась как «простая» складчатая структура, состоящая из серии тупых складок, возникших при смятии горизонтально залегающих слоев. И лишь дополнительное бурение (углубка скважин 1-6 и бурение скважины 7) позволило определить истинную морфологию и условия формирования этой структуры.

Основными признаками наложения разновозрастных складчатостей являются:

- непосредственно наблюдаемое смятие складок в новые складки;

- разное направление осевых поверхностей и шарниров мелких складок в соседних обнажениях;

- развитие складок с вертикальными шарнирами;

- разное направление осевых поверхностей складок разных порядков.

Будем сжимать тело слоистого строения в направлении, параллельном слоистости. В результате тело будет деформироваться (укорачиваться в одном и удлиняться в других направлениях) и приобретет складчатую структуру (возникнут складки разной морфологии и типа).

Ось, по которой происходит максимальное укорочение деформируемого тела, называется осью алгебраически минимальных главных нормальных напряжений тектонического поля, или осью сжатия тектонического поля. На картах и разрезах эта ось обозначается как σ₃.

Осью, по которой деформированное тело увеличивает свои размеры (происходит максимальное удлинение деформируемого тела) называется осью растяжения тектонического поля (осью алгебраически максимальных главных нормальных напряжений) и обозначается индексом σ_1.

Ось, по которой изменения размеров деформированного тела не происходит (или их величина занимает промежуточное положение между максимальными и минимальными деформациями) называется средней осью тектонического поля и обозначается σ_2.

Оси σ_1, σ₂ и σ₃ тектонического поля напряжений ориентированы закономерно по отношению к элементам складок и упорядоченных деформационных структур (рис. 6).

Ось сжатия σ₃ ориентирована:

- перпендикулярно осевым поверхностям складок;

- перпендикулярно сланцеватости (гнейсовидности) и линейности пород, слагающих метаморфические комплексы.

Оси σ₁ и σ₂ находятся в плоскости осевой поверхности складок и сланцеватости. При этом ось σ₁ направлена в общем случае примерно в направлении падения осевой поверхности складок и параллельно направлению линейности, а ось σ₂ ориентирована по простиранию осевой поверхности складок и перпендикулярно линейности.

Одной из задач геолога при проведении геолого-съемочных и поисковых работ и является расшифровка (реконструирование) и определение типа и тектонических условий формирования развитых в районе складчатых структур.

Необходимо отметить, что крупные складчатые структуры закономерно организованы (рис. 4):

- осевые поверхности складок разного порядка параллельны (при условии, что сформированы они одновременно);

- положение зеркала мелких складок фиксирует залегание крыльев и свода более крупных (более низкого порядка) складок.

Определение принадлежности крупной складчатой структуры к определенному типу и восстановление тектонических условий ее формирования проводится исходя из положений изложенных в разделе «Тектонофизическая интерпретация упорядоченных деформационных и складчатых структур» (см. выше).

Будинаж (разлинзование) – это явление залегания отдельных осадочных слоев и пластов, даек и жил хрупких пород в виде разобщенных линз, блоков (называемых будинами) различной формы, погруженных в более пластичную основу (матрикс). В качестве хрупкой составляющей обычно выступают кварцевые, кварц-полевошпатовые породы, первоначально слагавшие жилы, слои, дайки. Пластичная матрица сложена слюдистыми, глинистыми и др. породами.

В сечении блоки-будины могут иметь самую разнообразную в поперечном сечении форму (табл.1): линзовидную, овальную, полуокруглую, боченковидную, квадратную, параллелограмовидную, ромбовидную, трапецевидную и др.

По степени разобщенности будин можно судить (и количественно оценить) о степени деформации (степени удлинения) подвергшихся разлинзованию геологических тел.

По механизму формирования будинаж-структуры относятся к структурам поперечного и косого сжатия.

Первый тип структур будинаж формировался в условиях действия на геологическое тело, сложенное хрупкими породами тектонического поля с осью ориентированной поперечно (перпендикулярно) ему (рис. 7). В этом случае ограничения будин будут рассечены ориентированными перпендикулярно оси σ₃ трещинами сплющивания, а в межбудинном пространстве и самих будинах получат развитие трещины отрыва, плоскости которых ориентированы параллельно оси σ_3.

Второй тип структур будинаж образуется при воздействии на геологическое тело тектонического поля с осью σ_3, ориентированной косо к его простиранию. Трещины, ограничивающие и обрамляющие Будины, будут принадлежать трещинам скола.

Тектоническая интерпретация будинаж-структур описанных типов приведена на рис.7.

К типу складок волочения относятся, в частности, следующие системы микроскладок:

- связанные с перемещением пластов по разрывным нарушениям;

- возникшие синхронно с формированием глубинных складок продольного изгиба (рис. 8А.);

- связанные с формированием складок поперечного изгиба, локализованных в обрамлении соляных куполов и магматических интрузий (рис. 8Б.);

- связанные с метаморфическими процессами высоких ступеней, когда вещество находится в полурасплавленном состоянии (например, формирование птигматитовых складок).

Направление длинных крыльев складок волочения, указывающее на движение вещества в процессе их формирования, направлено в сторону антиформ (складчатость продольного изгиба) и синформ (складчатость поперечного изгиба) (рис. 8.). Это явление используется при проведении картирования складчатых структур и определении положения ядерных частей анти- и синформных структур и поисках минеральных месторождений.





Гранито-гнейсовые купола (ГГК).
Гранито-гнейсовые купола (валы) – это куполовидные (или вытянутые) в плане антиформные складки, в состав которых входят граниты, гранито-гнейсы и мигматиты. Обрамлением (рамой) ГГК являются гнейсово-амфиболитовые и гнейсовые комплексы различного состава и возраста. Наиболее широко описываемые структуры развиты среди раннедокембрийских отложений: ГГК локализованны в основном в пределах щитов древних платформ и кристаллических массивов (срединные массивы или палеомикроконтиненты) складчатых подвижных поясов неогея.

Граниты – интрузивные породы кислого состава; среди минералов, слагающих граниты, ведущее положение занимают полевые шпаты (плагиоклазы и/или калиевые полевые шпаты), кварц и, в качестве второстепенных, отмечаются слюды, амфиболы и др.

Гранито-гнейсы по составу отвечают гранитам, но характеризуются в отличие от них метаморфическими ориентированными структурами (гнейсовидность, сланцеватость, реже – линейность). Гранито-гнейсы образуются за счет метасоматической переработки первично осадочных и магматических пород в результате привноса Na и K. Процесс формирования этих пород идет при высоких стрессовых напряжениях без расплавления вещества.

Мигматиты – это гнейсы различного состава, в большей или меньшей степени пронизанные сеткой или параллельными полосами магматических инъекций кварц-полевошпатового состава. В соответствии с этим выделяют сетчатые (агматиты) и полосчатые мигматиты. Мигматиты представляют собой как бы переходные между гранитами и гранито-гнейсами породы.

Гнейсы – это метаморфические породы переменного состава, возникшие в результате изменения осадочных и магматических пород в условиях амфиболитовой и гранулитовой фаций (t^о> 650^о).

Схема строения гранито-гнейсового купола в плане и разрезе приведена на рис. 9.

Как следует из анализа рис. 9 ГГК построены закономерно и характеризуются концентрически-зональным строением. Отметим, что по периферии структур типа ГГК гнейсы нередко смяты в тесно сжатые прямые или наклонные складки, осевые поверхности которых на крыльях огибают контуры ГГК, а в центральной (осевой) части – субгоризонтальны.

Основными особенностями структуры ГГК и их обрамления являются следующие:

- конформность (согласное расположение) ориентировки контактовых поверхностей ГГК и ориентированных (упорядоченных) структур в их гнейсовом обрамлении;

- наличие в ядерных (приосевых) частях ГГК автохтонных (образованных на месте) гранитоидов;

- нередко наблюдаемое в ГГК наличие реликтовых структур, которые могут прослеживаться во вмещающие их гнейсовые комплексы (рис.9);

- наличие вокруг ГГК контактовых ореолов с зонами (в направлении от купола): биотит-силлиманитовой → андалузит-силлиманитовой → андалузит-кордиеритовой → гранатовой.

Процессы формирования гранито-гнейсовых структур нередко называются гранито-гнейсовым тектогенезом.

Формирование ГГК, по современным представлениям, связано с потоками энергии и динамическими (тектоническими) воздействиями, концентрирующимися при осевых частях антиформных структур.

Размеры гранито-гнейсовых куполов в поперечнике исчисляется первыми километрами - десятками километров.

Породы, залегающие под покровом, называются автохтонными (автохтоном).

Породы, слагающие покровы (перемещенные, шарьированные), называются аллохтонными (аллохтоном).

Поверхность, разделяющая авто- и аллохтонные пластины, залегает полого, участками – горизонтально и обычно имеет сложную форму.

Останцы разрушенных (подвергшихся денудации) после своего формирования аллохтонных пластин называются клиппами (рис.10.)

Выходы пород автохтона среди аллохтонных (например, в долине реки, эродирующей тело шарьяжа) называются тектоническими окнами (рис.10.).

Первый тип покровов – шарьяжи, образованные сложно дислоцированными (смятыми в лежачие, опрокинутые складки и рассеченные разрывами (отложениями (рис. 11). Они сложены мощными толщами пластичных (в период шарьяжеобразования) пород: флишоидами, серпентинитами и др.

Второй тип покровов образован сравнительно слабо деформированными пластинами, сложенными твердыми, непластичными (в период формирования) хрупкими горными породами (рис.11).

Мощность покровов достигает 3-4 км, пакетов покровов – 7-8 км.

Доказанные амплитуды горизонтальных перемещений шарьяжных пластин исчисляется многими десятками и сотнями погонных километров.

Время (нижний возрастной уровень) покровообразования определяется возрастом наиболее молодых пород, входящих в состав авто- и аллохтонных пластин, а также возрастом перекрывающих аллохтон осадочных отложений (верхний возрастной уровень).

Покровообразование происходит в наиболее крупных масштабах на коллизионной стадии развития подвижных поясов.

Покровообразование сопровождается формированием таких специфических геологических образований как меланжевые и олистостромовые комплексы (рис. 12).

Роль жестких (хрупких) блоков нередко играют габброиды, перидотиты, эффузивы и песчаники, в качестве пластичной матрицы могут выступать рассланцованные серпентиниты, глинистые и слюдистые породы.

Меланжевые комплексы образуются обычно в подошве (постели) тектонических покровов, сложенных офиолитами (серпентинит-терригенный меланж) и флишоидами (осадочно-терригенный меланж).

Олистостромы – это геологические образования морфологически, а нередко и по составу подобные меланжу, но имеющие первично нетектоническое происхождение. Они представляют собой пачки осадочных (глинистых, песчано-глинитсых) пород, содержащих большее или меньшее количество крупных глыб чужеродных пород (например, известняков, базальтов и др.), называемых обычно олистолитами.

Олистостромы образуются в зонах горообразования на земной поверхности в результате разрушения, подводного оползания и переотложения крупнообломочного материала в обрамлении положительных тектонических структур, какими являются, например, горстовые выступы или тектонические покровы. В последнем случае олистостромовые образования образуются обычно во фронте (внешней периферии) покровных (шарьяжных) пластин.

Тектоническая трещиноватость

Трещиноватость горных пород – это совокупность рассекающих их трещин.

По условиям образования и морфологии среди тектонических трещин выделяются 3 основных типа:

- трещины отрыва;

- трещины скола (скалывания);

- трещины раздавливания (сплющивания).

Они образуются в результате раздвигания (приоткрывания) стенок трещин: прямого (трещины отрыва) или косого (трещины разрыва). Обычно трещины выполнены различными жильными минералами (кварц, карбонаты, рудные и др.) и/или дайками магматических пород.

Ось алгебраически максимальных главных нормальных напряжений (σ₁) в период формирования трещин отрыва ориентирована в направлении, нормальном (перпендикулярном) их плоскостям.

Оси σ₂ и σ₃ залегают в плоскости трещины отрыва: в общем (простейшем) случае ось σ₃ залегает в направлении простирания формирующейся трещины отрыва, а ось σ₂ – совпадает с линией её падения (рис. 13).

Обычно одновременно формируются не менее 2 систем так называемых сопряженных (сопряженность трещин определяется по обычно наблюдаемому взаимному пересечению трещин) во времени и пространстве (синхронных) трещин скола. В кинематическом отношении эти трещины относятся к категории взбросов (взбросо-сдвигов, сдвигов и др.) (рис.13.).

Для правильного понимания динамики процесса трещинообразования необходимо дать определения двух терминов.

Квадрант сжатия – область, заключенная между трещинами скалывания, в которой расположена ось сжатия (σ₃).

Квадрант растяжения – область, заключенная между трещинами скалывания, в которой расположена ось растяжения (σ₁).

Установлено, что «ось сжатия» σ₃ (ось алгебраически минимальных главных нормальных напряжений) является биссектрисой острого (в других случаях – тупого) угла, образованного сопряженными трещинами в квадранте сжатия. Положение названной оси определяется в результате анализа кинематического типа сопряженных трещин (рис. 13).

Ось σ₂ («средняя») ориентирована в направлении простирания трещин и в общем случае маркирует направление линии их пересечения.

Оси σ₁ («растяжения») направлена перпендикулярно осям σ₂ и σ₃ и является биссектрисой тупого угла (или острого) между сопряженными трещинами скола, в квадранте растяжения.

Кливаж – способность горных пород раскалываться на тонкие пластинки по густо развитой системе параллельных поверхностей (трещин), обычно секущих слоистость. Кливаж широко развит в метаморфических, интенсивно смятых в складки и рассеченных разрывными нарушениями горных породах.

Необходимо отметить, что нередко используемым термином «кливаж разлома (кливаж скалывания)» обозначаются совокупности часто (с частотой до 0,1-0,5 см) расположенных трещин скола, обычно маркирующих осевые (или краевые) зоны разрывных нарушений.

Ось σ₃ всегда ориентирована строго перпендикулярно плоскостям трещин сплющивания, ось σ₂ – по их простиранию, ось σ₁ – по направлению их падения (рис. 13).

Встречаемые в литературе термины «кливаж течения », «кливаж осевой поверхности», «кливаж главный», формирование которых сопровождает соответственно формирование сланцеватости (гнейсовидности) метаморфитов и тесно сжатых изоклинальных складок, используются для обозначения густой (с частотой трещин в 0,0n – 0,n см) сети параллельно расположенных трещин сплющивания, обычно «маркированных» листоватыми и пластинчатыми минералами.
ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.
Введение 3

Ориентированные (упорядоченные) деформационные структуры 6

Складчатые структуры 8

Тектонофизическая интерпретация упорядоченных

деформационных и складчатых структур 12

Изучение и реконструирование типа и тектонофизических

условий формирования крупных складчатых структур 14

Будинаж-структуры и складки волочения 15

Гранито-гнейсовые купола 19

Тектонические покровы (шарьяжи) 22