Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Тектонофизическое моделирование деформационных структур и полей напряжений сдвиговых зон земной коры

ВАК РФ 04.00.04, Геотектоника

Автореферат диссертации по теме "Тектонофизическое моделирование деформационных структур и полей напряжений сдвиговых зон земной коры"

<|*7 1 3 и

АКАДЕМИЯ НАУК СССР СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И ГЕОФИЗИКИ

УДК 551.24.02+551.24.035 На правах рукописи

БОНДАРЕНКО Петр Михайлович

ТЕКТОНОФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СТРУКТУР И ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ СДВИГОВЫХ ЗОН ЗЕМНОЙ КОРЫ

(04.00.04—геотектоуика)

Диссертация

на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук в форме научного доклада

НОВОСИБИРСК 1990

Работа выполнена в Институте геологии и геофизики им. 60-летия Союза ССР СО ЛН СССР

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор А.В.Вихерт

доктор геолого-минералогических наук, А.В.Лукьянов

до:;тор геолого-минералогических наук, профессор В.В.Волков

Оппонирующая организация: Институт физики Земли им.О.Ю.Шмидта АН СССР (г. Москва)

Защита состоится " /О " 1990 г. в_ часов

на заседании специализированного совета Д.002.50.03 при Институте геологии и геофизики.СО АН СССР, в конференц-зале. Адрес: 630090,Новосибирск,90, Университетский пр-т,3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГиГ СО АН

СССР.

Диссертация разослана

Ученый секретарь специализированного совета к.г.-м.н. /у- Е.М.Хабаров

А^ГЕЕШП

1 » ь

* ♦ Г я. 1.а.4еша

^тдвл

.иссертаций Актуальность

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Выбор тектонофизического направления продик-

тован тем, что выяснение механизма образования деформационных структур сдвигового типа в земной коре является важнейшей задачей наук о Земле, связанной с необходимостью познания направле- . ний общей эволюции земной коры и возрастающими требованиями к расшифровке закономерностей размещения полезных ископаемых.

Общий для всех сдвиговых дислокаций механизм упругого скалывания и пластического течения при определенном направлении сжатия и растяжения 45°) позволяет рассматривать эти дис-

локации в качестве объекта исследования, независимо от положения их в системе географических координат,с соответствующим учетом радиальной гравитационной нагрузки или инерционных сил другого происхождения.

Широкое распространение в природе парагенетических систем дислокаций, связанных со сдвиговыми смещениями масс, с образованием разломных границ или сдвиганием вдоль существующих разделов, позволяет считать их одним из ведущих фувдаментальных механизмов структурообразования в земной коре, играющим первостепенную роль в размещении полезных ископаемых. Этим определяется актуальность постановки задачи исследования механизмов сдвигового структурообразования с привлечением экспериментальных методов моделирования дислокаций этого рода.

Цель исследования - установить на основе геологических (теоретических и экспериментальных) данных принципиальные особенности механизма образования сдвиговых дислокаций и их структурных парагенезисов в различных условиях нагружения геологической среды, связанных с образованием различных структурных элементов земной коры. Она решалась путем полевого и экспериментального исследования строения и. механизма образования различных деформационных структур, включая сдвиговые дислокации.

Задачи экспериментального направления работы состояли в рациональном выборе и применении наиболее эффективных из числа традиционных методов тектонофизического моделирования, их совершенствовании для достижения намеченной цели и разработки новых методов, обеспечивающих получение системы аналогий механизмов образования для широкого круга деформационных структур в их природном проявлении.

Фактический материал ддя структурной и экспериментальной частей работы составили:

- итоги многолетних (1958-1989) полевых исследований автора по картированию деформационных структур Горного Алтая (сдвиго-над-виговые дислокации), Центрального (разломы и концентрические структуры) и Восточного (зоны смятия и динамометаморфизма) Казахстана, Северного Вьетнама (современные сдвиговые системы). Использованы 25 геологических карт м-ба 1:200 ООО - 1:50 ООО ПО "Задсибгеология", ПО "Востказгеология", картографические и аэрофотоматериалы Института наук о Земле НЦНИ СРВ;

- данные структурного дешифрирования аэро- и космических снимков (Новосибирское аэропредприятие, 100 экз.; госцентр "Природа" -40 экз.);

- опубликованные результаты геолого-структурных, экспериментальных, методических и теоретических исследований в области текто-нофизики;

- геотектонические теории, основополагающие представления структурной геологии, механики деформируемого твердого тела;

- геофизические материалы в виде временных разрезов в различных вариантах машинной обработки (50 разрезов ЦГЭ, ПО "Новосибирск-геология" );

- материалы фоторегистрации, измерения и обработки данных экспериментального моделирования,выполненного автором (500 разновидностей).

Методы исследования. Основными методами исследования являлись:

- тектонофизическое моделирование деформационных структур на эквивалентных материалах и структурный анализ моделей деформационных структур и их природных аналогов, верификационные сопоставления.

В процессе тектонофизического моделирования применен ряд составляющих его самостоятельных методов:

- метод моделирования конседиментационных дислокаций (деформации слоистых толщ, одновременно с осадконакоплением);

- поляризационно-оптический метод исследования напряжений в упругих и упруго-пластических средах (фотоупр^гость и фотопластичность);

- моделирование гравитационных и других массово-инерционных

эффектов нагружения моделей в искусственном магнитном поле;

- моделирование структурных следствий увеличения объема масс на расширяющихся материалах.

В ходе полевого исследования деформационных структур применялись методы детального структурного профилирования и площадного картирования м-ба 1:200 - 1:5 ООО с массовыми замерами ориентировок структурных элементов, отбором ориентированных образцов, составлением в поле сплошного структурного профиля и фотозарисовками деталей.

Научная новизна. С привлечением комплекса тектонофизических методов установлены новые закономерности развития сдвиговых дислокаций в полях напряжений различных деформационных структур: в складках продольного и поперечного изгиба, в разнообразных флексурах, в окрестностях движущихся тел, в концентрических структурах, в слоистых толщах чехла над подвижным фундаментом, в слабо-консолидированных осадках при продольном сжатии и гравитационном обрушении, при изгибе и погружении (субдукции) плит.

Получены новые данные:

- о строении внутренних полей напряжений сдвиговых зон в однородных и неоднородных средах;

- о характере распределения напряжений в окрестностях и на границах включений (в виде жестких тел, разрывов, слоев),что создает предпосылки для целенаправленного прогноза парагенезисов вторичных дислокаций в природной обстановке на микро- и макроуровне. Новые данные о внешних и внутренних полях напряжения сдвиговых зон положены в основу первой их систематики по морфологии, способам нагружения и полям напряжений (рис. I).

В результате полевого и экспериментального исследования созданы новые региональные модели различных деформационных структур: рифтовых зон рейнского и байкальского типа, сдвиго-на-двиговых систем Горного Алтая, зон смятия и динамометаморфизма Восточного Казахстана, сдвиговой системы Шонг Хонг Северного Вьетнама, альтернативных моделей структуры сейсмофокальных зон Курило-Камчатского типа и механизма субдукции плит. С учетом отдельных экспериментов, проведенных Ретгером (1935), Кюненом (1937), Кьюрреем (1957) по деформации неконсолидированных осадков и турбидатов автором разработан метод моделирования конседи-ментационных структур и дислокаций в многослойных толщах, после-

довательно осавдаемых в водной среде при. их одновременном деформировании под действием горизонтальных и вертикальных усилий.

Применение метода обеспечивает максимальное приближение условий деформации к природным по основным параметрам структурно-динамического подобия, так как осавдаемые слои проходят в процессе нагружения аналогичную структурную историю: осаздение -уплотнение - рассланцевание, а также могут приобретать близкие или идентичные (глины, пески) природным образованиям деформационные свойства. Метод применен к изучению структуры геологических формаций и механизмов образования нефтеконтролирующих структур тектоно-стратиграфического типа. С целью использования при моделировании эффектов массовых (гравитационных) сил автором разработан ранее неизвестный метод моделирования деформационных структур, основанный на применении магнитоактивных материалов в искусственном магнитном поле. Метод позволяет создавать определенные^ т.ч. сдвиговые'системы полей напряжений внутри моделей без применения внешних механических усилий с учетом иножителя подобия ускорения силы тяжести,без центрифугирования моделей (гравитационные соскальзывание, контракционные регматические системы разломов на.сферических поверхностях с радиальным направлением массовых сил и т.п.). Автором получены новые данные о закономерностях распределения напряжений для широкого круга деформационных структур на основе применения и развития поляриза-ционно-оптического метода, впервые введенного в геологию М.В. Гзовским (1963). Этот метод,являясь наиболее точным в построениях тектонических полей напряжений в пределах упругой области деформаций однородных сред применим, как показал автор, для моделирования тектонических полей напряжений и деформаций в гетерогенных (кусочно-однородных, блоково-, зернисто-, разрывно- и слоисто-неоднородных) средах, в том числе остаточных (пластических) деформаций- и сдвигового течения в тектонических структурах с использованием оптически активных низкомодульных эквивалентных материалов с учетом ползучести и "старения" за пределом упругое- • ти (упругого последействия) (желатин под нагрузкой 48 часов, оптический плексигласе, пластифицированный при температуре 60-70°).

Значительная часть поляризационно-оптических моделей, отобранных по принципу инвариантности,положена в основу его систематики сдвиговых зон (рис. I).

Основные положения работы. Выводы и рекомендации.

I. Сдвиговые зоны, различаясь по механизму образования(спо-собу приложения сдвигающих сил), внутреннему строению (полям напряжений и деформаций) и положению в региональной структуре,составляют 3 основные группы.

A. Зоны, возникающие вследствие преобразования разнородных внешних (региональных) полей напряжений в сдвиговые при формировании крупных деформационных структур - складчатых систем,линейных поднятий. В основном эти зоны представлены вторичными по отношению к главной структуре сдвиго-сколовыми дислокациями вертикального, наклонного или субгоризонтального залегания с поперечной или диагональной ориентацией к направлению действующих сил и характерными сочетаниями с другими видами разноранговых дислокаций (аркогенные сдвиго-надвиговые системы: Прибайкалья-Оловянин-ская; Горного Алтая - Акташская; Восточного Памира - Вахшская; Шотландии - Мойнская; краевые сдвиго-надвиговые системы Шонг Хонг (СРВ); скибовые системы Восточных Карпат; Аппалачская система складчатых надвигов).

Б. Зоны, возникающие при прямом приложении пар сдвигающих сил, создающих продольно-параллельную структуру одно- и . многоступенчатой сдвиговой полосы. Это первичные субвертикальные зоны, представляющие подвижные границы крупных участков земной коры (блоков, плит). По механизму образования и его следствиям они, в общем виде, являются прототипом внутренней структуры сдвиговых зон любого ранга в однородных и неоднородных (с включениями)средах (сдвиги Сан-Андреас, Таласо-Ферганский, Восточно-Саянский; зоны смятия Иртышская, Успенская, Северо-Восточная, Курайская; центральная часть системы Шонг Хонг (СРВ), междуплитные сдвиги континентальной и океанической коры, трансформные разломы).

B. Комбинированные сдвиговые зоны (динамопары типов А и Б), возникающие при неравномерных движениях масс в крыльях основных сдвигов с образованием сопряженных с главным сместителем и на-двиговых (в зонах окучивания) и сбросовых (в зонах раздвигания) систем (динамопары разломных зон Казахстана, сопряжение Курай-ско-Телецкого разлома с Акташской системой надвигов в Горном Алтае, структуры Лисийского тектонического клина в Краиштидах Болгарии, сопряжение складчатых надвигов с диагональными сдвигами в Юрских горах и др.).

2. Внутренняя структура поля напряжений симметричной сдвиговой полосы, задаваемой прямым приложением пары сил к параллельным контурам фотоупругой модели конечного размера (при отношении ширины к Длине 1:3; 1:6) представлена:

- серией субпараллельных сдвигу изолиний касательных напряжений г-тах , создающих максимумы у нагруженных контуров модели и убывающих по величине к осевой ее части, а также полого, выклинивающихся в направлении сдвига к зонам разгрузки на ее окончаниях;

- ортогональной системой траекторий касательных напряжений гтах, субпараллельных (0-12°) сдвигу и изолиниям в интервалах высоких их значений, увеличивающих угол наклона до 45° . в окончаниях модели-и'траекторий, поперечных сдвигу,соответственно выполаживающихся на ненагруженных сдвигом окончаниях до 45°;

- ортогональной .системой траекторий нормальных напряжений 01 и , ориентированных диагонально к сдвигу (40-60°) и приобретающих поперечную (^ ) и продольную ) ориентацию на-участках вырождения градиента сдвига в окончаниях модели,где поперечное сжатие (Р&) превышает силу сдвига ( Рг-)•

3.'Экспериментально установленные закономерности распределения траекторий нормальных и касательных напряжений в сдвиговых зонах, размещения повышенных значений (критерий разрушения) в модели являются достаточным условием прогнозирования внутри сдвиговой полосы для упругой и упруго-пластической стадий деформации структурно-парагенетических систем дислокаций 2-го порядка:

- левосторонних сколов - XV субпараллельных и правосторонних сколов -Дг , поперечных направлению сдвига;

- эшелонированных систем отрывов - по траекториям у нагруженного контура сдвиговой полосы (периферические отрывы);

- внутренних систем отрывов - , образующихся по траекториям.. ^ вдоль динамической оси сдвига в зонах растяжения между включениями в блоково- или зернисто-неоднородной среде;

-приконтактовых отрывов - 63 , формирующихся на границах не-однородностей (слои, блоки, включения);

- отрывов течения на участках пластических деформаций -по траекториям б/ поперечно линиям течения;

- трещин сплющивания Р и структур будинаж по траекториям ^

4. Отклонения структурных направлений в-реальной физической модели (природном аналоге) от теоретических схем сдвига для эле-

ментарных объемов идеально упругой однородной среды обусловлены:

- неоднородностью продольно-сдвигового нагружения модели (среды), имеющей конечные размеры из-за действия 'вращательных моментов, вызывающий изгиб модели и уменьшающих (до 0) продольный градиент сдвига к дистальным окончаниям модели;

- неоднородностью поперечного градиента сдвига в реальной ■ низкомодульной среде, обеспечивающей ограниченную по глубине зону проявления сдвиговой деформации, размеры которой определяются соотношением сил сдвига (Рг ) и сжатия ( ), модуля упругости среды .наличием включений, "экранирующих" сдвиговую деформацию и вызывающих сращение осей главных напряжений и деформаций.

В результате модель симметричной сдвиговой зоны расчленяется на периферические части максимальных и осевую (срединную) -минимальных (до 0) градиентов сдвига. Динамическую роль последней может выполнять ряд "экранирующих" включений или неподвижное крыло сдвиговой зоны, что дает возможность по структурным проявлениям сдвиговых деформаций в природе определять положение неподвижного крыла сдвига.

5. Морфология, ориентация и распределение деформационных элементов сдвигового парагенезиса - сигмоидальных, серповидных эшелонных систем отрывов (£), сколов (#), структур сжатия, сплющивания (Р ), изгиба (Г), рассланцевания и кливажирования (Л) - на момент их образования полностью определяется структурой первичного поля напряжений в упругую стадию сдвиговой деформации однородных сред. Изменение первичных форм дислокаций обусловлено последующими этапами сдвигового нагружения и выражается раскрытием или смыканием разрывов первого этапа, их поворотом и ветвлением в новых направлениях сжатия-растяжения, смещениями по плоскостям трансляции и кливажирования в пластическую стадию.

Следовательно, по данным моделирования возможны поэтапные реконструкции с выявлением, в конечном счете, элементов первичного поля напряжений в сложно дислоцированных зонах сдвигания и смятия.

Научные положения и выводы обосновываются применением классических методов экспериментальной тектоники и полевой тектоно-физики. В тектонофизическом моделировании автор опирался на принципы тектонического моделирования, сформулированные М.В. Гзовским (1975): подобия моделей реальным объектам; избиратель-

ности (селективности) разновидностей моделей относительно природных процессов и объектов; сепарации главных факторов исследуемых механизмов, действующих в природных условиях совместно; аппроксимации - максимального приближения к подобию моделей природным объектам; статистической обоснованности выводов по результатам моделирования, верификацией качественных и количественных оценок моделируемого явления различными методиками.

В полевых исследованиях автор исходил из принципа комплексности наблюдений природного проявления изучаемых процессов: проведение непрерывного профилирования сдвиговых зон с построением разрезов в поле, определения генетических и морфо-кинематических типов дислокаций, массового измерения ориентировки структурных элементов и статистической их обработки, петроструктурного анализа динамических направлений и сопоставления результатов с общепринятыми образцами изучения подобных структурных форм.

Личный вклад автора. Достижению изложенных результатов способствовал многолетний (1958-1988 гг.) опыт как полевого исследования деформационных структур, так и экспериментального моделирования (1965-1990 гг.) механизма их образования.

Все названные выше результаты экспериментов, методические разработки, идеи принадлежат автору. Им поставлены и выполнены все эксперименты по"моделированию деформационных структур, как представленных в "систематике", так и описанных в общем тексте и в опубликованных работах, приведенных в списке литературы. В обсуждении идей и задач постановки отдельных экспериментов участвовали член-корр.АН СССР И.В.Лучицкий (рифтовые зоны и концентрические структуры), доктор геол.-мин.наук Б.М.Чиков (модели сдвигового структурообразования в зонах стресс-метаморфизма), доктор геол.-мин.наук В.Н.Шарапов (механизмы широкой зоны сдви-. гания), доктор Нгуен Чонг Ием (клиновидные зоны сдвига).

Реализованная автором идея систематики сдвиговых зон и дислокаций явилась следствием направленного и систематического исследования их природных проявлений и требованием упорядочения большого числа результатов моделирования.

Использование результатов работы по экспериментальному моделированию деформационных структур происходит в общем виде через публикации и отчетные материалы в направлении решения теоретических и практических задач современной геологии (геотектоники,

геодинамики, структурной геологии, теории рудообразования и неф-телокализации), а также в учебных курсах соответствующих специальностей (НГУ, спецкурс "Геоструктурный анализ")'.

В практическом направлении результаты работы, обобщенные в виде систематики нефтеконтролирующих элементов деформационных структур, используются при комплексной интерпретации геолого-геофизических материалов с целью поиска нефтяных залежей в перспективных районах Томской области (ПО "Тсмскнефть", акт внедрения 1986 г), Новосибирской области (ПГО "Новосибирскгеология"; акты внедрения 1985-1990 гг.).

Результаты оптического моделирования полей напряжений в разломно-блоковых системах применяются для оценки мобильности современной структуры, распределения внутриблоковых напряжений и сейсмоопасности районов строительства крупных объектов (Карельская АЭС, Крапивинское водохранилище и др.) и прогноза современных дислокаций в структуре }(анойского прогиба (Программа совместных работ ИГиГ СО АН СССР и ИНЗ ИЦНИ СРВ 1985-1990 гг.).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на У, У1, УП, ХУ-ой сессиях Научного совета по тектонике Сибири и Дальнего Востока (Якутск,1967; Новосибирск,1968; Шно-Саха-линск,1985 и др.); Всесоюзном совещании по геоморфологии и неотектонике Сибири и Дальнего Востока (Новосибирск,1965); Всесоюзных совещаниях "Давление, механические напряжения в развитии литосферы", "Механика литосферы" (Ленинград,1968,1974); Всесоюзном семинаре по эксперименту и моделированию в структурообразующих процессах рудогенеза (Новосибирск,1973); Международном симпозиуме "Проблемы рифтогенеза" (Иркутск,1975); на ХХУ и ХХУП сессиях МГК Международного геологического конгресса (Москва,1976,1984); на I и П-м Всесоюзных симпозиумах "Экспериментальная тектоника в решении задач теоретической и практической геологии" (Новосибирск,1982; Киев,1986);. на Международном симпозиуме "Строение и динамика переходных зон" (Москва-Дагомыс,1983); на Всесоюзном совещании "Морфоструктуры центрального типа Сибири и Дальнего Востока" (Владивосток,1986); на Всесоюзной конференции "Геодинамические основы прогноза нефтегазоносности недр" (Москва, 1988); на Всесоюзном совещании по сдвиговой тектонике (Ленинград,I988); на Всесоюзных рабочих совещаниях по стресс-метаморфизму в линеа-метных зонах (Новосибирск,1989,1990); на ежегодных научных сес-

сиях секции Междуведомственного Тектонического Комитета АН СССР "Экспериментальная тектоника и структурная геология" (Москва, 1983-1989 гг.).

Автор признателен за постоянную помощь, содействие.ориентирующее влияние большому кругу геологов и экспериментаторов страны, в особенности академикам.А.Л.Яншину, Ю.А.Косыгину, Я.Н.Бе-левдеву, Ю.М.Пущаровскому, В.Е.Хаину, В.А.Кузнецову; членам-корреспондентам АН СССР - И.В.Лучицкому, В.В.Белоусову, К.В.Боголе-пову, Е.И.Паталахе, П.Н.Кропоткину, Ч.Б.Борукаеву; докторам геол.-мин.наук О.А.Вотаху, В.А.Соловьеву, Б.МЛикову, А.К.Башарину, В.Н.Шарапову, А.Н.Дмитриеву, Б.П.Сибирякову, П.С.Воронину,С.И. Шерману, А.Ф.Белоусову, В.В.Кузнецову, О.Б.Гинтову, В.Г.Гутерма-ну, Л.М.Парфенову, М.А.Гончарову, Р.М.Лобацкой, А.Г.Кирдяшкину, А.А.Оболенскому, В.И.Сотникову; коллёгам по полевой и экспериментальной работе Н.Ф.Лебедевой, Г.В.Талнцкому, Т.М.Гептнер, А.Н.Бокуну, С.Стоянову, С.А.Ббрнякову, Ю.Й.Днепровскому,В.Ю.Будцо,

A.Н.Адамовичу, А.И.Мирошниченко, В.А.Санькову, К.К.Семинскому,

B.П.Горбенко, С.В.Зиновьеву, Е.А.Подцибастенковой, А.Н.Соловьеву, П.Е.Котляру, В.И.Ким, В.И.Громину, Г.Д.Ушакову, П.П.Кузнецову,

C.Ю.Беляеву, Е.Д.Глухманчуку.Н.А.Берзину, Ю.В.Миллеру,Л.М.Плотникову.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗЛ0МН0-СДВИГОВЫХ ДИСЛОКАЦИЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Строение и механизм образования сдвиговых зон обстоятельно изучены многими исследователями как на основе полевого картирования природных объектов этого типа (Буртман, Лукьянов и др., 1963; Суворов,1969; Уткин,1980), так и на основе теоретических исследований (Андерсон,1951; Муди и Хилл,1969; Плотников,1981; Шерман,1981), а также экспериментального изучения моделей сдвигов (Клоос,1936; Гзовский,1975; Осокина, Михайлова,1980;Стоянов, 1977; Борняков, 1980).

Крупные сдвиговые зоны, сопровождающие глубинные разломы характеризуются в общем однотипными дислокационными парагенези-сами, отражающими выдержанность поля напряжений в них на большом протяжении. Примеры таких зон широко представлены в литературе: сдвиг Сан-Аццреас (Лукьянов,I963); Таласо-Ферганский сдвиг (Суворов,1973); Срединно-Курильский разлом (Стрельцов,1970); Бирю-

зовый разлом (Парфенов,1967); Восточно-Саянский разлом (Берзин, 1967); Лисийская зона в Болгарии (Стоянов,1977) и др. Однако положение этих зон в системе внешних сил, определяющих механизм их образования, изучено еще мало ввиду отсутствия прямых признаков их связи с более крупными деформационными структурами.

В то же время вторичные зоны сдвиговых нарушений,размещаясь в пределах конкретных тектонических структур, в т.ч. и в более крупных сдвиговых зонах в качестве составных их частей, охватываются общим полем напряжений, свойственным для данных структур. В этом случае система внешних сил, участвующих в механизме образования таких зон представлена полнее. Это открывает возможность выявления в структурном парагенезисе сдвиговых зон новых элементов, отражающих взаимодействие механизма сдвигания с другими видами нагружения (сжатие, растяжение, изгиб, гравитационные и инерционные силы и т.п.), действующими в различных направлениях относительно горизонта.

Общие классификации дизъюнктивных сколовых дислокаций по морфолого-кинематическому типу (сдвиги, надвиги, сбросы).являясь удобными для первичного ознакомления и геологического картирования, по существу иллюстрируют широкое разнообразие динамически взаимосвязанных сдвиговых структур земной коры в виде глубинных сдвигов по вертикальным плоскостям, трансформирующихся в наклонные и субгоризонтальные приповерхностные сдвиги.

Современные полевые и экспериментальные данные выявляют для всех этих разновидностей сложную и в то же время сходную пространственно-временную организацию внутренней их структуры.

Симметричная зональность сдвиговых зон, геометрия их внутреннего строения, определяемая симметрией нагружения (активные и пассивные крылья сдвига), установленная в экспериментах (Борняков, 1981) в сравнении с реальной структурой природных сдвиговых зон различной ориентации сместителей позволяет прийти к выводу о полной аналогии структуры сдвиговых зон вдоль вертикальной, наклонной (надвиги, поддвиги) и субгоризонтальной (покровы, шарьяжи -сдвиговые зоны в вертикальном разрезе) плоскостей. Структурные следствия внешнего нагружения, вызванного в одном случае общим горизонтальным сжатием, в другом - гравитационной нагрузкой, представляются с позиций механики совершенно аналогичными,в особенности для приповерхностных зон земной коры.

Примерами проявления структурной зональности субгоризонтальных сдвиговых зон являются складдато-надвиговые системы Восточных Карпат (скибовая зона), Предуральского прогиба и, особенно выразительно - Аппалачская система, составленная присдвиговой зоной глыбовых надвигов типа "дуплекс", перекрытой ярусом мелкоскладчатых форм.

Поэтому рассмотрение всей совокупности сдвиго-сколовых дислокаций с генетической стороны в зависимости от их пространственной ориентации В'различных сечениях относительно вектора смещения при различной степени активности смещающихся блоков не только оправдано с позиций механики и геодинамики и вытекает из общности проявления этих дислокаций в природе, но и необходимо для выработки классификационных критериев деформационных структур этого типа.

. Региональные сдвиги и их системы

В ряду крупных линейных сдвиговых зон наиболее известны сдвиги Сан-Авдреас (Калифорния), Грейт-Глен (Шотландия), сдвиговые системы Средней Азии, Казахстана, Горного Алтая, Саяно-Бай-х^альского региона, Приморья. В числе известных характеристик • разлома Сан-Андреас (правосторонний СЗ - 320°) основной является его центральное положение в ряду многочисленных субпараллельных ему разрывов сдвигового типа,- образующих системы ветвлений в местах изгиба главной линии на северо-западе и на юго-востоке. Именно к этим участкам и приурочены зоны повышенной сейсмичности, совпадающие с участками высоких касательных напряжений готдх в разрывных оптических моделях Д.Н.Осокиной (I98S). В целом геометрия и кинематика системы Сан-Авдреас сходна с моделью единичного сдвига, разветвляющегося в дистальных окончаниях на системы ско-лоз, пригашающих к другим структурным направлениям. Аналогичные структурные связи отмечены в системах Чингизского (Самыгин,1374), Джалаир-Найманского (Суворов,1968) сдвигов Средней Азии.

Левосторонний сдвиг Грейт-Гленв Шотландии (СВ - 35°),разоб- . щающий граниты Строншиан'П Фоиер на 105 км (Гогель,1969), входит з систему нарушений окраины Европейского континента. Его левое крыло с Ш направлением движения представляет клин, ограниченной с СЗ мощной системой складчатых надвигов Мойн.

Поперечные и диагональные сдвиги неглубокого заложения (на

мощность дислоцированных .складчатых толщ) широко .развиты в зонах пограничных разломов крупных прогибов (Днепрово-Донецкий прогиб, Южно-Уэльский бассейн) и особенно отчетливо выражены в Юрских горах Швейцарии (Гейм,1921; Кропоткин,1961; Ажгирей,1956), где они связаны с движениями по субгоризонтальным сдвигам в основании складчатых толщ и приурочены к завершающим стадиям складкообразования, образуя динамопары пологих сдвиго-надвигов с вертикальными сдвиго-сколами..

Сдвиговые разломы Центрального Казахстана и Средней Азии -Таласо-Ферганской, Джалаир-Найманский, Актасский, Джунгарский, Чингизский (СЗ простирания) и Успенский, Спасский, Главный Тянь-Шаньский, Атбашинский, Юню-Ферганский,' Вахшский, -Зеравшанский, Заилийский (субширотного простирания) и др. - составляют сложный тектонический узел сопряжения крупнейших складчатых областей Евразии: Урала, Саян, Алтая, Гималаев и Кавказа - Копет-Дага (Суворов, 1968).

Отчетливое размещение ряда этих разломов, представляющих однотипные по строению северо-западные сдвиги правостороннего смещения в полосе шириной 700-800 км, протяженностью от Копет-Дага до Горного Алтая свыше 2500 км, ограниченной с юго-востока и частично с северо-запада субширотными разломами, свидетельствует (с учетом анализа полей напряжений в моделях сдвиговых зон) о принадлежности названной системы к сдвиговой полосе трансконтинентального масштаба. Составляющие ее северо-западные правосторонние сдвиги полностью соответствуют одному из направлений ортогональной системы траекторий максимальных касательных напряжений ^--пах при левостороннем движении бортов данной полосы. Такое предположение согласуется с построениями В.В.Галицкого (1940), исследовавшего сдвиговую зону хребта Кара-Тау и наметившего ее сопряжение с восточным крылом Главного-СЗ сдвига Урала с левосторонним смещением. Этот же характер в новейшей структуре имеют, по П.Молнару и П.Таппонье (1975), другие крупные субширотные сдвиговые системы Центральной Азии - Алтынтаг, разделяющая Та-римский и Тибетский массивы, и Кунь Лунь.

Сдвиговые разломы Восточного Казахстана и Горного Алтая -Иртышская и Северо-Восточная зоны смятия, Теректинский сдвиг Са-расинско-Курайская эшелонированная система разломов, сопряженная с южной частью Телецко-Курайской дуги такте составляют общую

систему северо-западных правосторонних сдвигов (Кузнецов, 1963), продолжающую на восток отмеченную полосу казахстанских сдвигов.

Крайним к востоку разломом 03 простирания■в этой полосе представляется Шапшальский разлом, отделяющий Западно-Саянские структуры этого же направления от северо-восточных и субширотных структур Центрального Саяна и Тувы, образуя поперечный тип сочленения разломно-складчатых систем (Боровиков,1971), огибающих-Сангиленский выступ- метаморфических образований.

Главный разлом Восточного Саяна.первоначально раннепротеро-зойский шов сбросового обрушения архейского цоколя Сибирской платформы,в последующие этапы сформировался, по данным анализа структурных рисунков основной и сопровождающих ее зон (Берзин, 1967), как левосторонний сдвиг под действием сжимающих усилий, . ориентированных на юго-востоке зоны меридионально или по нормали к окраине платформы (ССВ) и субширотно - (под острым углом) - на северо-западе зоны. Различия в восстановленных направлениях сжимающих усилий в разных частях зоны Главного разлома, преобладающее развитие- структур сжатия в ШВ части зоны допускают возможность затухания сдвига или смены его направления на этом участке, что предполагается по данным дешифрирования космоснимков для современной его структуры (Бондаренко, ВДцин, 1980).

Локальные особенности морфологии структурных сочетаний сдвиговых зон

Характерные формы и сочетания сдвиговых зон выделены при полевых исследованиях и дешифрировании аэро- и космоснимков в пределах Восточного Казахстана и Горного Алтая.

Клиновидные схождения сдвиговых зон - Иртышской, СевероВосточной, и их ответвлений - Кедровско-Бутачихинского и Зырянов-ского - расположенных по простиранию Северо-Восточной зоны и в районе оз.Маркакуль, где происходит схождение главных зон.Подобные участки зон смятия выделяются автором для сравнения их внутренней структуры с моделями клиновидных сдвиговых зон и прогноза невскрытых структурных элементов на малоизученных площадях.

Иртышская разломно-сдвиговая зона характерна идеально прямолинейной формой, имеет при ширине 15-20 км значительную протяженность (свыше 500 км) в пределах Рудного Алтая. Прослеживается в виде Кара-Иртышской (Маркакульской) ветви в пределы КНР и МНР вдоль расчленяющего девонские образования дугообразной зоны Бул-

ганского разлома, приобретающего широтное простирание, заканчиваясь в современной структуре новейшим разломом Богдо (Амонтов и др., 1962).

Северо-Восточная зона не имеет четкой прямолинейной выдержанности, местами представлена чередующимися полосами дислокационного метаморфизма, эшелонное расположение которых свидетельствует о сдвиговой природе зоны (Дистанов, 1962). Общие выводы многих исследователей о сдвиго-надвиговом характере краевых разломов названных зон согласуются с представлениями (Кузнецов,1963; Нехорошев,1966) о надвигании каледонид Горного Алтая к западу на герциниды Рудного Алтая, а также о существовании встречной западной системы надвигов со стороны каледонид Чингиз Тарбагатая на Обь-Зайсанские части зоны сжатия,пластинчатых структур выжимания в зоне Чарско-Горностаевского разлома (Щерба и др.,1984; Беляев, 1985).

Виргационное сближение Теректинского, Сарасинско-Курайско-го и Чокракско-Телецкого сдвигов с сопряжением через системы второстепенных внутренних разломов отмечается в Юго-Восточном Алтае и представляет собой поверхностное отражение тройного сочленения глубинных разломных границ между салаиридами Бийско-Ка-тунского выступа (Баратальский горст) и сближенными здесь кале-донидами Западно-Саянской и Чарышско-Теректинской зон. Этим обусловлены окучивание и пережим складчатых структур нижне-средне палеозойского комплекса Ануйско-Чуйского синклинория и их виргация совместно с разделяющими их разломами в юго-западном, в южном, северо-западном и субмеридиональном направлениях.

Наиболее примечательной особенностью строения и динамической взаимосвязи структурных элементов региона является сопряжение эшелонированных северо-западных взбросо-сдвиговых систем его северной части (Курумдинский, Кысхыштубекский, Арталукский и Телецко-Курайский разломы) с ярусной системой субширотных надвигов (Акташский, Северный, Южный, Четвертичный).

Дугообразные изгибы сдвиговых разломов в сочетании с прямолинейными также являются-характерной особенностью названной зоны сопряжений. Каждый из прямолинейных северо-западных разломов Северной части с приближением к Акташскому надвигу дугообразно изгибаясь приобретает широтное, а затем северо-восточное направление, примыкая к соседнему с востока разлому на отрезке, где пос-

ледний сохраняет еще общее простирание. В результате образуется эшелонированная система разломов и ограниченных ими блоков,сдвинутых по часовой, стрелке, причем дугообразные окончания блоков, выпуклые к юго-востоку располагаются на одинаковом удалении от Главного сместителя Акташского надвига.

При этом наиболее 'сложной 3 -образной формой в плане отличается Курувдинский разлом, приобретающий характер глыбового надвига в непосредственной близости к Акташскому надвигу и залегающему в его зоне известному месторождению ртути. В северо-западной части- этот разлом образует обратный изгиб-выпуклостью на северо-запад, завершая образование сложной винтообразной его поверхности, вдоль которой устанавливаются разнонаправленные шарнирные смещения. Морфология названных систем, установленные направления движений и структура .дислоцированных толщ указывает на образование в Акташском районе мощной зоны сдвигового окучивания, продольного изгиба и смятий, сформировавшей дугообразные 'закругления блоков древних пород со стороны фронта движения и вызывавшей в течение длительного времени поозередное возникновение крупных надвиговых сколов начиная от складчатых, надвигов Северного и Акташского и завершая глыбовыми - - Южным и Четвертичным.

Динамическая система сопряжения сдвигов.и надвигов в Акташском районе отвечает выполненной нами модели полей напряжений-возникающих при противоположном движении жестких блоков в однородной среде, выявляющей механические условия образования дина-мопар сдвиг - надвиг. Дугообразное сопряжение Чокракского и ' Ку-райского звеньев Кузнецко-Алтайского разлома сопровождается образованием характерных кулисно-перистых и веерных систем сколо-вых и разрывных дислокаций типа "конского хвоста", в соответствии с распределением касательных и нормальных напряжений в оптической модели сдвигов по криволинейным и цилиндрическим поверхностям.

• Внутренняя структура сдвиговых зон

В строении Бухтарминского звена Северо-Восточной зоны смятия выделяются следующие характерные деформационные структуры малых форм: структуры тектонического облекания габбродиабазовых тел рассланцованными их разностями; сколовая.микроплойчатость полосчатости между плоскостями межслоевого скалывания; зоны рас-сланцевания, милонитизации, ориентированного и хаотического ме-

ланжа; изгибы первичных поверхностей наслоения, фрагменты складчатых структур; будинаж, кливаж и структуры параллельно-плоскостного скольжения, пояса излома.

Перечисленные дислокации проявляются в различных участках зоны в зависимости от строения и литологического состава пород. В зоне пластинчато-глыбового меланжа определяющими факторами структурообразования на фоне общего сжатия являются размеры и конфигурация контактирующих даек габброидов и глыб вмещающих пород. В интервалах, выполненных габброидными породами, общее рас-сланцевание имеет различную ориентировку., подчиняясь форме и расположению реликтовых блоков массивных пород и представляет, очевидно, сочетание кристаллизационной сланцеватости (метаморфизм габброидов) с механическим рассланцеванием при обжатии массивных ядер. Сквозные межблоковые зоны рассланцевания более прямолинейны, выдержаны по ширине (0,5-1,5 м) и сопрововдаются дроблением массивных диабазовых тел и окружающих их хлорит-квар-дево-актинолитовых сланцев.

Кроме широко распространенного будинажа слоев песчаников и оилицилитов, крупице фрагменты которых облекаются сланцами, характерно раздавливание маломощных сланцевых прослоев между массивными слоями песчаников с образованием на плоскостях их напластования пятнисто-узловатых текстур будинажа, имеющих-в поперечном разрезе линзовидную форму. На.существование дифференцированных движений вдоль вертикально кливажированных пластин данного блока указывают также дугообразные изгибы и разнонаправленное залегание участков субгоризонтальных кварцевых жил, рассекающих этих пластины. Образование жил относится, видимо, к заключительным стадиям общего ламинарно-сдвигового течения внутри пластин по мелким кливажным плоскостям с различной скоростью,чтс придавало дугообразную форму поперечным разрывам во время их жильного выполнения. Подобные синдеформационные изгибы и смещения кварцевых, кварцево-полевошпатовых жил, отражая неравномерность пластического течения, могут служить основой для количественной оценки сдвиговых смещений, начиная со стадии образования поперечных течению вязких отрывов, заполняемых растворами в процессе пластической деформации, и заканчивая хрупкими сколами, смещающими части образовавшихся жил далее в направлении общего рассланцевания пород.

Обоснование применения методов Физического моделирования сдвиговых дислокаций

Выяснение механизмов образования деформационных структур, связанных с сдвиговыми дислокациями зеглной коры актуально и затруднительно на современном уровне, когда имеющиеся фактические материалы полностью применены для различных вариантов исчерпывающих интерпретаций, а накопление новых фактов происходит медленно и требует новых исследований, особенно, в связи с постановкой детального картирования в стране.

В связи с этим одной из наиболее рациональных форм обобщения И использования материалов для интерпретации на новом уровне представляется физическое моделирование предполагаемых механизмов образования деформационных структур. Результаты эксперимен-. тальных работ этого направления предоставляют возможность проверить физическую правомерность гипотез и осуществить прогноз недостающих звеньев изучаемого процесса, не прибегая к дополнительным затратам времени и средств.

Это особенно важно как при геодинамических построениях регионального уровня (механизмы регматических систем, субдукция, глубинная зональность структур), так й при решении прямых поисковых задач исследования рудных полей и нефтеносных площадей.

Поэтому для обеспечения полноты характеристик строения, механизма образования и размещения сдвиговых дислокаций в разных масштабах их проявления автором выполнено обобщение имеющихся геологических материалов этого направления в сравнительном рассмотрении с обобщенными результатами экспериментальных исследований, проведенных с применением различных методов.

ТЖТОНИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В ИССЛВДШАНИИ СДВИГОВОГО СТРУКТУР00БРА30ВАНШ

Принципы экспериментальных исследований

Теоретическая основа тектонического моделирования на эквивалентных материалах, как и моделирования каких-либо физических явлений, опирается на учение о подобии. К подобным относятся явления, происходящие в геометрически подобных системах, если у них во всех сходственных точках отношения одноименных величин (однотипных параметров) есть постоянные числа - константы подобия или переходные множители (Кирпичев,1953).

В тектоническом моделировании, связанном с выяснением механизмов образования геологических структур, должно быть соблюдено механическое подобие путем задания переходных множителей (масштабов) для длины Сс (геометрическое подобие), времени С^ (кинематическое подобие) и массы Ст (динамическое подобие).

Изложение основных принципов подобия при моделировании геологических явлений и структур дано в монографии М.В.Гзовского (1975), а также в ряде работ И.С.Шермана (1985), А.И.Шеменды (1986), А.С.Григорьева и А.В.Михайловой (1985), В.В.Белоусова (1988), посвященных дальнейшей разработке теоретических основ подобия в применении к практике тектонофизического моделирования.

В соответствии с основными видами подобия М.В.Гзовским (1975), установлены необходимые для тектонического моделирования множители, характеризующие отношения между всеми сходственными величинами геологического объекта и модели: по расстояниям ( ), по нормальным (&) и касательным (2") напряжениям, по модулям упругости по коэффициентам вязкости (/? ), по прочности

(Р), по плотности {/> ), по времени {t), по ускорению силы тяжести (у ),' по энергии (« ), по температуре (Г) и т.п.

Особенность тектонофизического моделирования, отличающая его от моделирования в других областях науки и техники, опирающегося на строгие определения физико-механических свойств объектов, состоит в том, что значения многих параметров изучаемых геологических процессов, структур, свойств пород в момент их образования (соответствующего моменту моделирования) точно не определены, а пригашаются приближенно по свойствам пород в современном залегании в довольно широких пределах величин (например, вязкость ? = Ю-15 - Ю-23).

Вследствие возникающих трудностей в подборе эквивалентных материалов из довольно ограниченного круга тлеющихся веществ,отвечающих по структурным, прочностным и иным характеристикам поставленным, требованиям, экспериментатору приходится избегать сложных (многосвязных) моделей и строго соблюдать лишь основные соотношения тех параметров, которые непосредственно характеризуют главные элементы изучаемой системы.

Тем не менее имеющийся опыт физического моделирования в тектонике и в других областях науки и техники, в частности в горном деле (Кузнецов и др.,1968) "показывает, что даже прибли-

женное удовлетворение требованиям'теории подобия в модели позволяет получить весьма ценные данные, освещающие качественную сторону изучаемых явлений и вскрывающие основные элементы механизма исследуемых процессов".

МЕТОДЫ ТЕКТ0Н0ФИЗИЧЕСК0Г0 МОДЕЛИРОВАНИЯ

Физическое моделирование конседиментационных структур и дислокаций

Метод основан на лабораторном воспроизведении процесса подводного- осадконакопления в условиях постоянного внешнего нагру-жения, приложенного к. последовательно образующимся слоистым толщам. Результаты такого моделирования применимы к анализу механизма образования геологических структур, выявляемых в древних разрезах сложенных слоями, в различной степени консолидированными и различавшимися в_момент деформации физико-механическими свойствами. В то же время в процессе моделирования подводных дислокаций выявляются принципиально новые особенности деформации слабосвязанных осадков, что характеризует дислокационные структуры в молодых и современных толщах морского дна.

При постановке•экспериментов такого рода автором учтены результаты единичных опытов с осаждаемыми в водной среде■слабосвязанными (ке-^ег,[935), насыпными (Дж.Къюррей,1956) и намываемыми (Казимиров и др.,1964) осадками.

Постановка таких опытов определялась задачами исследования деформаций слоистых моделей, создаваемых путем осаждения слоев разного состава в водной среде. Основное внимание при этом уделялось деформациям многослойных толщ в процессе их накопления, что определило выбор опытных камер, материалов -и средств нагру-жения. В соответствии с этим опыты проводились в наполненном водок боксе размером 60x15x40 см. Материалом для образования слоев служили порошкообразные песчано-глинистые шламмы, за счет которых в камере постепенно накапливалась тонкослоистая серия осадков. По мере образования толща подвергалась сжатию, вследствие чего в каждый момент времени деформировались слои, различные по возрасту и характеру предшествующей деформации. Общая длительность эксперимента достигала 60 дней. Принятые в экспериментах скорости и интервалы продвижения штампов', сжимающих слои, определялись длительностью осаждения каждого очередного слоя и

соответствовали примерно 0,1-0,5 мм в минуту. Конечная модель состояла из 50 слоев.

Проведенные автором (1985) эксперименты выявили структурно-генетические связи пликативных и дизъюнктивных дислокаций, формы их проявления на различных глубинных уровнях моделируемого разреза слоистых толщ. В частности, доказана возможность образования в совершенно неуплотненных осадках отчетливо выраженных плоскостей скалывания, связанных не только с гравитационным обрушением (оползни, сбросы), но и возникающих вследствие продольного сжатия (взбросо-надвиги). Это. открывает новые возможности использования построенных способом подводного осаздения слоистых моделей в качестве структурированных эквивалентных материалов с определенными и изменяющимися в заданном направлении свойствами при моделировании сложных деформационных процессов, протекающих в условиях изменчивости механических свойств пород с глубиной, что отвечает, в частности, условиям преобразования коллекторских свойств горных пород.

Моделирование в искусственном магнитном поле

Существенным недостатком традиционных методов моделирования является невозможность соблюдения подобия силы тяжести и в' модели, и в ее природном аналоге эта величина одинакова, что затрудняет моделирование структур, образующихся под действием гравитационных и других инерционных сил. Одним из путей преодоления этих трудностей является применение центрифугирования. Другой путь - это создание аналога массовых инерционных сил в стационарной модели, помещенной в искусственное магнитное поле.

Этот предложенный автором метод опирается на использование магнитоактивных материалов в электромагнитном поле, что создает возможность имитации влияния гравитационных сил на модель конкретной геологической структуры в стационарных условиях, допускающих многократное увеличение массовых сил, подобных силам гравитации. Моделирование такого типа позволяет не только создавать внутри модели разнородные поля напряжений, но и менять их в зависимости от целей и задач, выдвигаемых перед конкретным экспериментальным исследованием.

Применяя магнитные поля к изучению геологических структур на моделях из эквивалентных материалов, можно создать подобие

поперечного профиля земной коры по заданному и заранее рассчитанному графику закономерного увеличения давления с глубиной.При обычных опытах такая возможность практически отсутствует,вследствие чего различия давления в различных частях модели остаются ничтожно малыми, что резко отличает модель от природного объекта.

В качестве эквивалентных материалов в опытах использовались различные магнитоактивные материалы, представляющие влажные тонкодисперсные массы ферромагнетита, рассеянные в среде, используемой в обычных опытах (глины, желатин, пластилин и гипс). Эти смеси применяются в различных сочетаниях с немагнитными эквивалентными материалами, что позволяет существенно разнообразить обстановку опытов.

При испытании модель,•изготовленная из таких материалов,помещается в поле действия электромагнита, представляющего собой плоский соленоид с железным сердечником, и имеющего мощность,зависящую от реальных возможностей и поставленных целей. В серии исследований, проведенных автором (1967, 1985), максимальная напряженность магнитного поля составляла около 2500 эрстед; увеличение магнитных сил, воздействующих на модель, практически было двадцатикратным. Серия опытов по тектоническому моделированию включала: создание складок в неоднородном поле напряжений, выжимание материала под давлением кровли (диапировые структуры, интрузии, нептунические дайки), подкоровые уплотнения и образование флексур и сбросов.

В целом метод тектонического моделирования в искусственном магнитном поле позволяет: I) создавать определенные системы напряжений внутри модели без приложения внешних механических усилий, вследствие чего устраняется влияние краевых эффектов, существенно осложняющих обычное тектоническое моделирование; 2) изучать модели, построенные с учетом множителя подобия ускорения силы тяжести, значения которого в невращатацейся модели могут быть многократно увеличены под влиянием сильного магнитного ноля, моделирующего поле гравитации; 3) производить сложное механическое нагружение модели и фиксацию в ней напряженного состояния при изучении деформаций в оптически активных средах.

Моделирование с использованием расширяющихся материалов

Применение расширяющихся материалов к моделированию геоло-

гических структур преследует цель устранить влияние штампов,обычно создающих краевые эффекты в моделях. Главной особенностью расширяющихся материалов следует считать их способность деформироваться без участия внешних механических воздействий. Учитывая, что подобные материалы (тесто, бентонитовые глины) к экспериментам в тектонике привлекались И.В.Кирилловой (1964), А.В.Вихертом и Н.С.Курбатовой (1980) в качестве материала, расширяющегося при нагревании, автором (1967) применялся тонко измельченный вермикулит, свойства которого использовались для создания модели астено-лита при моделировании Байкальского сводового поднятия и сопровождающих его рифтовых впадин.

Представлялось целесообразным проверить экспериментальным путем концепцию Б.Виллиса (1936), имея в виду ранее проведенные опыты Г.Клооса (1928) и результаты его структурных исследований, получить объяснение своеобрази. общего рисунка Байкальского свода.

Моделирование осуществлялось в масштабе 1:1*10®. Поэтому для модели слоистой оболочки земной коры применялись такие эквивалентные материалы как влажная, более или менее песчаная глина. Опыты проводились на металлическом стенде, в основании которого над электрическим нагревателем помещался измельченный вермикулит, окруженный балластным слоем влажной песчаной глины, равным по мощности вермикулитовому слою. На выровненной таким образом поверхности пласта, включающего потенциальную модель астенолита, располагалась двуслойная модель земной коры. Нагревание основания стенда вызывало расширение модели астенолита и подъем его кровли, сопровождаемый растяжением на своде слоя, моделирующего земную кору.

Стенд, на котором проводились опыты, позволял моделировать процесс аркогенеза в условиях действия пары сил, приводящих к появлению деформаций сдвига и к вращению модели в горизонтальной плоскости.

В итоге экспериментов выяснилось, что своеобразие общего рисунка Байкальского свода в отличие от аналогичных поднятий Африканского, Аравийского и Рейнского сводов могут быть объяснены образованием этого свода при участии деформаций сдвига, сопровождаемых вращением. В итоге представилось возможным утверждать, что предложенный Б.Виллисом механизм образования поднятий байкальского типа должен быть соответственно усложнен. Результаты

моделирования позволяют утверждать, что с процессом аркогенеза, вызвавшим появление Байкальского и аналогичных ему сводов,связан рад деформаций в пределах прилегающей к,своду области.

К таким деформациям относится образование зон скалывания по бортам свода, линейных складок вдоль них и валообразных поднятий, рассеченных поперечными или косыми трещинами растяжения.

Поляризационно-оптический метод моделирования полей напряжений (метод фотоупругости)

Метод основан на явлении оптической анизотропии в прозрачных аморфных телах, подвергнутых деформации (Брюстер, 1815),связанном с изменением двойного лучепреломления в зависимости от величины напряжений. К анализу проблем экспериментальной тектоники эти методы были привлечены в ряде работ советских (Гзовс-кий,1963; Бондаренко, Лучицкий,1969) и зарубежных исследователей (Currie И др., 1962; Roberts, StrBmgard , 1972). Из-за , высокой точности оптический метод широко применяется при исследованиях сложных систем напряжений в технике, горном деле и геологии. Кроме того, метод обеспечивает достаточное соблюдение условий подобия для упругой области деформаций и правомерность сопоставления модели с реальным объектом в тех пределах, в каких отдельные геологические структуры в различных стадиях их развития можно считать упругими однородными телами с ненарушенной, сплошностью. В таких случаях распределение напряжений в одно-связных упругих телах различного масштаба, как известно (Фрохт, 1948, 1950) не зависит от физических свойств сраниваемых объектов, а достаточно строго определяется аналогией внешнего нарушения и геометрическим подобием изучаемых структурных форм-

В качестве эквивалентного материала при оптическом моделировании используются 10-20%-ные водно-глицериновые растворы желатина (упруго-хрупкие и упругие тела с модулем упругости Е = 0,55 - 1,0 kT/cnt) и оптически активные виды плексиглаза (жестко, пластичные тела Е = (2,5-3,5) •IO'Wcm2). Модели из желатина отливаются в специальных боксах, помещаются в нагружательную камеру и исследуются в плоско-поляризованном свете в простейших поляризационно-оптических системах,подобных петрографическому микроскопу, но с широким рабочим полем поляроидов - от 150 до 300 мм.

В наших экспериментах применяются установки типа ПКС-250, ПКС-500 с вертикальной оптической осью, а также нестандартные установки с горизонтальным ее положением. Построение траекторий нормальных и касательных напряжений для каждого случая нагруже-ния модели производится на основе съемки изохром и изоклин, возникающих в напряженной модели в результате двулучепрелошения. Величина двулучепреломления, характеризуемая разностью хода лучей (Я ) зависит от разности показателей преломления ('пг ) и толщины модели с( ,

/? = -пг)Ы,

связывается с разностью.главных нормальных напряжений о1 ь. следующими уравнениями: /? = Зд- ^

П-Г-пг - С^-^г); пР" Ъ-Ъ - 2 ¿Гта^, /? ^тах^ /'

где коэффициенты оптическои активности материала по нор-

мальным и касательным напряжениям.

Изохроматические полосы отвечают значениям разности. {п,-п2), соответственно (- е^ ) или значениям максимальных касательных напряжений ^та? =' ^ . Картины изохром дают наглядное

представление-о характере распределения напряжений в модели, их относительной величине, отвечающей для касательных .напряжений номеру полосы (порядок цвета) по всей модели, а также о размещении участков концентрации напряжений (по плотности полос) и положении изотропных точек и нулевых изохром, где = и ^та/ - О , разделяющих области сжатия и растяжения.

Изоклины представляют полосы погасания, образующиеся при совпадении осей поляризации участков нагруженной модели (что отвечает направлениям главных напряжений) с осями поляризации прибора. При изменении направления последних в пределах от 0 до 90° выявляется положение изоклин по всему полю модели.' Картина изоклин является основной для построения траекторий нормальных и касательных' напряжений.

С применением поляризационно-оптического метода автором изучено распределение напряжений в складках продольного изгиба (1969), кольцевых структур, флексур, разломов сдвигового типа и зон скалывания (1985), зон подцвигания субдукционного типа (1984), а также во всех моделях сдвиговых зон, приведенных в ряду их систематики на рис.1.

Границы применения оптического метода.

Принципы прогноза разрывных дислокаций.

Выбор критериев разрушения

Поскольку главная часть экспериментальных исследований автора проведена с применением поляризационно-оптического метода исследования напряжений и прогноза по его данным участков развития разрывных нарушений, составляющих сдвиговые парагенезисы, необходимо отметить основные принципы выделения динамических зон в оптических моделях и определения положения участков проявления разрушающих напряжений.

Область применения поляризационно-оптического метода, как известно, не ограничивается исследованием упругих деформаций (фотоупругость), но с известными обоснованиями теоретического и экспериментального характера (Губкин и др.,1957) распространяется на область пластических деформаций (фотопластичность).

Необходимый контроль за соответствием оптических картин . распределения и ориентировки напряжений механическим в пластической области требует специальных определений оптико-механических свойств применяемых модельных материалов. Тем не менее, по данным названных авторов, пропорциональность оптических параметров механическим напряжениям отмечается за пределами упругости (для целлулоида, бакелита при нагрузках до 500 кг/см^) при явно выраженных остаточных деформациях, отвечающих оптической и механической ползучести.

Для используемого автором»большей части экспериментов желатинового материала отношение разности хода лучей Я по данным Д.Н.Осокиной (1963), неоднозначно для напряжений и посто-

янно - для упругих деформаций, что объясняется некоторым отклонением осей деформаций от осей напряжений. Поэтому для определения ^таж в желатине бшш введены коэффициенты, зависящие от длительности действия напряжений.

В результате проведенных автором экспериментов по- одновременному измерению ориентировки осей напряжений в оптической (положение изоклин) и динамической (положение осей деформации круга в эллипс) картинах при относительной деформации 10-20$ (и остаточной деформации 8-10$) желатинового материала в условиях сжатия и сдвига существенных отклонений не отмечено. Это позволяет считать правомерными результаты проведенных исследований напря-

жений в желатиновом материале как в стадии упругой деформации до 20$, так и за ее пределами, в области перехода к пластической.

В моделях сдвиговых зон (рис. I), содержащих включения, при общей деформации 20-25$ и остаточной - до 15% оптические картины напряжений соответствуют механическим и представляют последовательные стадии развития процесса сдвигания-и трансформации локальных особенностей внутренней структуры поля напряжений.

Для прогнозирования'участков возможного развития дислокаций в напряженной модели.необходим выбор критериев прочности или разрушения для данного материала и вида его напряженного состояния. Из числа известных в механике разрушения (Качалов, 1974) критериев, связывающих наличие опасных сечений с' предельными значениями нормальных напряжений, максимальными удлинениями наиболее приемлем для прогнозирования разрывных дислокаций в оптической картине напряжений критерий максимальных касательных напряжений ?~тсус ' Уг в~крит • Этот критерий является частным случаем критерия Мора - , когда разрушающее .сечение

наклонено под углом 45° к площадке наибольшего и наименьшего главных напряжений;

Для применения названных критериев в расчетах прочности необходимы определения величин нормальных напряжений или их суммы, чего не требуется при выборе критерия для анализа опти-

ческой картины распределения напряжений. Эта величина автоматически следует из прямой зависимости разности показателей преломления среды и разности нормальных напряжений (основной закон фотоупругости) и определяется через оптические константы: разность хода, лучей Я , и оптическую постоянную материала в г-

Гтах = А/Зг- С* ;

и прямо отражается в виде изохроматических полос соответствующих порядков в оптической картине напряжений.

Это преимущество оптического метода используется для выявления участков повышенных значений г-тсг/ и прогноза в их пределах разрывных дислокаций. Направление прогнозируемых разрывов определяется системами траекторий нормальных и касательных напряжений, построенных по изоклинической картине оптического поля.

Поскольку прогноз типа разрывного нарушения - отрыва или сдвига (скола) - связан с нахождением предельных значений разрушающих напрядений в моделируемых объектах, на диаграммах полей

напряжений нами наносятся оба возможных их вида, образование которых зависит от конкретной реологической обстановки. При этом учитываются известные по графикам динамические зоны: при одностороннем сжатии прогнозируются сколы и отрывы, в зонах растяжения - отрывы, в зонах сдвигания - сколы и отрывы, что подтверждается возникновением последних в моделях по прогнозируемым направлениям.

Оценивая общее напряженное состояние моделей по числу изохроматических полос в качестве "-опасных" выбираются несколько градаций по значениям: низкие (3,0-5,0), средние (5,0-7,0), высокие (выше 7,0). Из числа объектов прогноза исключаются изотропные точки и области, участки всестороннего сжатия в которых нормальные напряжения равны между собой, а касательные - отсутствуют.

ТЕКТОНОФИЗШЕСКИЕ МОДЕЛИ СДВИГОВЫХ ЗОН И ИХ СИСТЕМАТИКА

Принципы систематики

На основе общих подходов к анализу сдвиговых механизмов формирования земной коры, экспериментальных данных, освещенных в работах отечественных исследователей (Гзовский,1975; Борняков, 1980; Буртман,1973; Григорьев, Михайлова, 1985; Лукьянов, 1980; Осокина, Фридман, 1987; Парфенов,1984; Паталаха,1970; Плотников, 1983; Ребецкий.1987; Стоянов,1973; Суворов,1973; Уткин,1980;Шер-ман,1977 и др.) и зарубежных авторов (Anderson Е.,1951» Brun J., 1983» Casey М.,1980». Cloos E.,1955» Cloos Н.,1936» Means W., 1981) Moody & Hill,1956| Passhier C.,1984» Platt J.,1984» Ramsay J.,1980» Riedel V)., 1929» Sibson R.,1980» Simpson C.,1983» Wilson c.,1983), а также по результатам выполненного нами моделирования полей напряжений в различных тектонических структурах (Бондарен-ко, 1976,1990; Бондаренко, Лучицкий, 1985) намечены основные пути систематики сдвиговых зон по способам приложения деформирующих усилий и их структурным следствиям.

В основу выделения основных групп сдвиговых дислокаций положены следующие принципы и представления:

I. Крупные сдвиговые зоны, сопровождающие глубинные разломы, характеризуются в общем однотипными дислокационными парагенези-сами, отражающими выдержанность поля сдвиговых напряжений на

всем их протяжении: Сан-Андреас в Калифорнии (Лукьянов,1963),Та-ласо-Ферганский сдвиг в Средней Азии (Суворов,1973), Восточно-Саянский разлом (Берзии,1Э65). Они представляют границы настолько крупных участков земной коры или плит, принадлежность которых в качестве вторичных по отношению к более крупным подразделениям, по-видимому, не устанавливается. Следовательно их можно считать первичными сдвигали, образующимися За счет'непосредственного приложения сдвиговых усилий к зонам контакта плит или других частей'литосферы, внутренняя структура которых не связана с зоной сдвигания.

2. Наряду-с этим, существует обширная группа сдвиго-сколо-вых зон, различающихся наклоном к горизонту, но объединенных одним общим признаком: они размещаются в качестве вторичных нарушений в пределах региональных тектонических структур и охватываются общим полем напряжений, свойственным данным структурам.

Примерами сдвиговых зон такого типа являются в основном наклонные и горизонтальные надвиго-взбросовые зоны. Это разновозрастная и многоступенчатая система соскладчатых надвигов в Горном Алтае - Акташский надвиг,(Бондаренко,1976)¡Альпийские надвиги Восточного Памира (Руженцев,1968), крупнейшая в Шотландии Мойн-ская падвиговая зона ( Barber,1965). Образование таких зон связало со сдвиговыми смещениями, возникшими в результате формирования складчатых комплексов, парасистем поднятие-впадина и т.п.

Выделение и изучение сдвиговых зон этого типа позволяет выявить в их дислокационных парагенезисах структурные следствия взаимодействия механизма сдвигания с другими видами внешнего на-гружения - сжатие, растяжение, изгиб, инерционные силы, а также сопряженные с основными внешние и производные поля сдвиговых напряжений. Последнее обстоятельство позволяет особо рассматривать сопряжемте с основными сдвиговые системы, как результат единого механизма сдвигового смещения масс, проявленного неравномерно в крыльях основных сдвигов, с образованием зон окучивания и раздвигания и соответственно, складчато-нодвиговых, покровных и сбросо-грабеновых систем дислокаций.

3 соответствии с этим выделяются три основные группы сдвиговых зон:

А. Зоны, возникающие вследствие преобразования разнородных внешних (региональных) полей напряжений в сдвиговые.

Б. Зоны, возникающие при прямом приложении сдвигающих сил,

29

создающих внутренние поля напряжений в сдвиговой полосе.

Б. Комбинированные зоны, представляющие динамопары зон А и Б.

Зоны первой группы, рассмотрены безотносительно к их внутренней структуре. В зонах второй группы рассматриваются особенности их внутренней структуры с выделением разноранговых вторичных парагенезисов структурных форм.

МОДЕЛИ СДВИГОВЫХ ЗОН ВО ВНЕШНИХ (РЕГИОНАЛЬНЫХ) ПОЛЯХ НАПРЯЖЕНИЙ

Модели зон первой группы отражают условия их образования как элементов структурного парагенезиса различных деформационных структур сложного строения. В их числе- представлены модели полей напряжений, возникающих вследствие поперечного и продольного сжатия, расплющивания, изгиба и дан прогноз положения зон сдвига при деформации упругих и пластических сред в подобных условиях.

Сдвиго-сколовые зоны, возникающие при общем сжатии

Группа I. Сдвиговые зоны, возникающие при поперечном сжатии, изгибе и расплющивании. В эту группу объединены сдвиго-сколовые дислокации, возникающие при данных видах нагружения различных сред, тел, или одной и той же среды или тела, которые в процессе нагружения изменяют деформационные свойства, претерпевая все стадии деформационного процесса. Во всех случаях данного вида деформации предполагается возникновение парагенетических ассоциаций представленных на рис.1.

Группа П. Сдвиго-сколовые зоны при продольном сжатии,изгибе и расплющивании возникают в диагональных направлениях к действующим силам. При продольном изгибе сколы выполаживаются с увеличением кривизны изгиба, при продольном расплющивании образуются вертикальные зоны сдвигового проскальзывания и течения, вращения включений, смятия элементов стратификации, кливажирования и меж-дулитонного расслоения.

Сдвиго-сколовые зоны, возникающие под действием пары сил

Группа Ш. Сдвиго-сколовые зоны, возникающие под действием поперечных локализованных сил (поперечные сдвиги). Ориентировка структурных элементов в осевой зоне таких сдвигов зависит от ши-. рины зоны сдвигания, амплитуды сдвига, бокового сжатия и свойств эквивалентного материала. В моделях, одинаковых по ширине сдви-

говых зон, образуемых действием встречных локализованных сил, угол мевду направлением действующих сил и траекториям сжатия, соответствующими положению трещин отрыва, изменяется в пределах 20-60° для упругих материалов (желатино-глицериновых), 20-32° -для упруго-жестких (плексиглаз), 30-45° - для улруговязких (эпоксидные смолы).

Это позволяет полагать, что типичные для сдвиговой сигмои-дальная и дугообразная формы трещин отрыва не только являются следствием поворота трещин при последующих пластических деформациях, как было выяснено ранее, но и определяются первичной структурой поля нормальных напряжений в породах, различных по физическим свойствам.

Анализ поля напряжений в осевой части зоны сдвига и ее сопряжения с периферическими участками дает нам основание вслед за М.В.Гзовским (1975), который различал процесс сложного сдвигания, выделить в целом зону широкого сложного сдвига. Такая зона ограничена нейтральными линиями от внешних полей напряжения поперечного сжатия и состоит из областей сдвига и изгиба, образующих общую для всей зоны систему деформационных структур."

Зона широкого сдвигания моделируется в виде трехступенчатого поперечного сдвига с приложением трех пар сдвигающих сил в предразрывной стадии и при движении блоков по заданным разрывам.

Распределение напряжений в модели ступенчатого сдвига сплошной упругой пластины на участках взаимодействия и каждой из трех пар сил позволяет прогнозировать развитие соответственно трех зон скалывания, ориентированных поперечно к границам деформируемой упругой пластины или образования результирующего поля и общей зоны скалывания, отвечающих приложению сил в крайних точках (Р]--Рд).

В разрывную стадию ступенчатого сдвига при перемещении частей пластины по заданным разрывам отчетливо различаются обособленные поля напряжений для каждого блока, ограниченные плоскостя-' ми сместителя, вблизи которых можно предполагать развитие эшелонированных отрывов, наклоненных под углом 60° к направлению смещения, следующих вдоль траекторий сжатия, что наряду с ориентацией вторичных сколов (8-15°) является признаком определения направления смещения блоков, что важно при анализе структур рудных полей.

Группа ТУ. Сдвиговые зоны, возникающие под действием массовых, рассредоточенных сил (продольные сдвиги). В этом случае сдвиговая деформация упругого слоя задана горизонтальным смеще-нйем его половин, сцепленных по основанию и поверхности с парами пластинок, движущихся в противоположных направлениях. В поле напряжений образовавшегося таким путем пологого флексурного изгиба в центральной его части выделяется сдвиговая зона, которая вместе с примыкающими к ней частями выпуклых изгибов модели представляют собой область растяжения, ось которой ориентирована диагонально к направлению сдвига, а максимальные касательные напряжения приурочены к ее середине. Это указывает на то, что сдвигающие усилия (Р - Р]-) трансформируются в растягивающие, вследствие чего основным видом дислокаций-, разрешающих сдвиговые смещения в этом случае являются трещины отрыва, которые,следуя вдоль сдвиговой зоны и- смыкаясь с трещинами растяжения, возникающими при изгибе, составят общую для данной структуры эшелонированную систему, типичную для многих сдвиговых зон в природе.

Группа У. Сдвиговые зоны как результат сочетания массовых и локализованных сил. Сдвиго-сколовые зоны сбросового типа распределены на крыльях гравитационных флексур, где роль локализованных нагрузок выполняют глубинные блоки, борта грабенов,а роль массовых - силы тяготения, действующие на погружающуюся часть пласта.

Элементарные сдвиги в окрестностях движущихся тел

Группа У1. Сдвижение единичных и парных блоков в однородной среде выявляет особенности распределения напряжений как внутри сдвиговой зоны, так и по ее простиранию в фронтальных и тыловых частях сдвигающихся масс. Поле напряжений, возникающее при движении единичного блока (материальной точки) в однородной среде является физической моделью элементарной сдвиговой зоны, представленной боковыми зонами скалывания (/{?), ориентированными по направлению движения точки, сопровождающимися радиальными отрывами во фронтальной зоне сжатия и концентрическими - в тыловой зоне растяжения.

В элементарном виде сдвиговые дислокации представляют результат противонаправленного (встречного) движения двух материальных точек (тел, объемов) в однородной среде, что позволяет

интерпретировать геологические и экспериментальные данные о сдвиговых парагенезисах, отражающих горизонтальные движения по латерали и в окончаниях сдвиговых зон (динамопары А.И.Суворова, 1973; "лобовые" нарушения С.Стоянова, 1977; области окучивания и раздвига в структуре сдвиговых зон по В.С.Буртману, В.А.Лукьянову и др,1963)..Выявленный экспериментально механизм сопряжения структур сжатия и растяжения по оси сдвиговой зоны, подтверждает принципиальную правильность отмеченной ранее общей схемы, дополняя ее в том, что большая часть дислокаций в зонах сжатия и растяжения характеризуются как прямое отражение движения блоков (крыльев сдвига), а не развиваются как структуры оперения главного сместителя сдвига. Последние, по-видимому, 'выполняют с данном случае роль "соединительного звена" между магистральной зоной скалывания и дислокациями в зонах сжатия или растяжения,что в целом представляет пример комбинированной зоны сдвигания.

МОДЕЛИ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ СДВИГОВЫХ ЗОН

Здесь сдвиговая зона рассматривается как плоское пластовид-ное тело, на граничных поверхностях которого действуют распределенные усилия в противоположных направлениях. Поперечное сечение этого тела представляет равную ему по толщине полосу к границам которой приложена пара сил, безотносительно к их природе. В соответствии с этим внутренняя структура поля напряжения сдвиговой полосы моделировалась на прямоугольных пластинах однородного упругого материала (желатин 15$), подверженных одновременно поперечно-сжимающим и продольно-сдвигающим усилиям вдоль осей симметрии модели (рис. I Б).

Сдвиговые зоны в однородных средах

Группа I. Действие пары сил на прямолинейных параллельных контурах тел. Осевой однонаправленный сдвиг задавался при закрепленных внешних бортах модели движением тонкой целлулоидной ленты, имеющей сцепление с материалом. Распределение траекторий напряжений в модели указывает на вероятность возникновения в модели осевого растяжения с образованием, наряду с обычными диагонально-кулисными разрывами поперечных систем коротких серповидных отрывов, прерывающих под прямым утлом сланцеватость и полосчатость пород ("отрывы течения", Бовдаренко, Горбенко, 1988).

При максимальном смещении вдоль оси полосы в противополож-

ных направлениях вследствие осевого разнонаправленного сдвига по расположению изолиний гта/ видно, что трещины отрыва могут иметь сигмоидально-ступенчатую форму, подобно ребристым карбонатным жилкам в эшелонных системах между плоскостями скольжения в филлитизированных сланцах Акташской зоны смятия в Горном Алтае.

В модели сдвиговой полосы с неподвижной (закрепленной) осевой зоной поле напряжений отличается диагональной ориентацией нормальных и субпараллельной - касательных относительно направления сдвига и изменением ориентации соответственно на поперечную и диагональную в осевой зоне полосы. Типичные эшелонные системы отрывов лишь при значительных сдвиговых нагрузках (или малой ширине полосы) могут иметь сквозное развитие.

Группа П. Сдвиговые дислокации на криволинейных и круговых контурах тел. Размещение радиально-концентрических систем сколо-сдвиговых дислокаций в окрестностях тел вращения и в замкнутых круговых полосах выявлено в условиях вращательного нагружения однородной упругой среды, вмещающей одиночное тело вращения или заключенной между двумя соосно вращающимися в противоположных направлениях цилиндрами (круговая пара сил). Соотношение направлений траекторий напряжений, в отличие от случаев стационарного нагружения (рис.1 Б, П г, спиральные сколы) изменяется здесь на обратное: спиральную форму теперь приобретают траектории нормальных напряжений, сгибающих тела вращения. Механизм образования цент-ралъно-симметричных сдвигов этого рода привлекался для объяснения происхождения спиральных дайковых систем, окружающих магматический комплекс Арднамерхён в Шотландии (Биггапое ,1967)

Сопряжение прямолинейных и круговых форм сдвиговых полей напряжения моделируется поступательным движением скрепленной с упругим материалом целлулоидной ленты вдоль соответствующих кон-турок жесткого штампа. Расположение траекторий касательных напряжений в модели подобно структурным рисункам характерных веерных и перистых сочетаний, структур "конского хвоста" в зонах крупных разломов сдвигового типа ' (Курайско-Телецкий разлом Горного Алтая; Кузнецов,1954; Бовдаренко, 1976).

Сдвиговые зоны в неоднородных средах

Группа Ш. Структура сдвиговой полосы в блоково-неоднород-ной среде. Особенности концентрации и рассеяния напряжений в неоднородных средах изучены на моделях из упругого материала

(15^-ный желатин), содержащих жесткие включения (5-15 мм) различной формы при сдвиге и поперечном сжатии.

Изменение общей картины распределения напряжений в однородных средах происходит как в окрестностях включений на площади, превышающей их размеры в 1,5 раза, так и по простиранию сдвиговой полосы. Концентрические системы'изохроматических полос восходящих порядков вокруг включений образуют крестообразную фигуру ориентированную при сжатии модели согласно осям ее симметрии при сдвиге под углом от 10° до 45° в сторону, обратную действию пары сил (динамическая ось сдвига - ¿> ). В биссекторных участках этого "креста" развиты зрны нисходящих порядков изохроматических полое, отвечающих уменьшению разности нормальных напряжений . вплоть до их равенства ( ; Тта/^о ) в изотропных точках.

Последними завершается формирование своеобразной 8-ми лучевой фигуры локального поля напряжений, названной автором "динамическим ореолом включения". Величина касательных напряжений в этом "ореоле", определяемая порядком полос в модели возрастет в 1,5-2 раза по отношению к однородно напряженным участкам сдвиговой полосы. Выявляется обстановка растяжения вдоль динамической оси 3 (отрывы-и отслоения на боковых гранях включений), отсутствие здесь сдвигового нагружения. Концентрация нормальных и касательных напряжений на гранях включений, вызывает действие поворотных моментов и вращение включений до положения, согласного направлению общего сдвига. Граница сглаживания локальных эффектов формы включений, аппроксимируется 'формой описанного вокруг них круга (квадрат) эллипса (прямоугольник) или других кривых, огибающих конечные части любых форм (принцип Сен-Венана).

Полученные .результаты составляют основу для новой интерпретации механизма возникновения множественных поверхностей раздела в зонах сдвигания, в результате разноуровенной релаксации напряжений (Панин и др.,1985) на микро- и макроуровне.

Группа 1У. Структура сдвиговой полосы в зернисто-неоднород-ной среде. Модели сдвиговых зон данной группы исследовались с целью выяснения основных закономерностей распределения напряжений внутри объема однородной среды, занятого группой включений регулярного и хаотического распределения, сравнимых с зернами горной породы, обломками в слоях конгломератов, в зонах брекчиро-вания и меланжа, подвергаемых деформациям сжатия и скалывания в' зонах смятия и динамометаморфизма.

35

Принципиальные черты полей напряжений, выявленные при регулярном распределении включений: субпараллельные сдвигу, смыкающиеся между "зернами" зоны растяжения (по б3 ), а также поперечные' зоны сжатия (по ), объединяющие их по глубине сдвиговой ' полосы (рис.1, гр.1Уа,б) позволили характеризовать обстановку при хаотическом распределении включений (рис. I, гр.1У в,г). В "межзёренных" пространствах, ограниченных зонами сжатия и растяжения образуются участки, в которых траектории б1 и приобретают диагональное к общему сдвигу направление, что позволяет предполагать прохождение в этих участках "межзеренных" сколов, зарождающихся в зонах концентрации напряжений на границах зерен и являющихся основным механизмом линейно-плоскостной упорядоченности при рассланцевании и- кливажировании горных пород.

Расшифровка полученного в эксперименте динамо-оптического изображения субзернистой среды (деформационный "портрет" горной породы), затрагивает главные проблемы петротектонического анализа и является основой дальнейшего исследования механизма динамо-метаморфических процессов на зерновом уровне.

Группа У. Структура сдвиговой полосы в разрывно-неоднородной среде. Экспериментальными моделями группы У иллюстрируются примеры развития в общем сдвиговом поле локальных полей напряжений вдоль заданных разрывов и на их окончаниях, а также возможность реализации этих напряжений как путем образования сколов, продолжающих заданные плоскости на их окончаниях (рис.1,гр.У а,б) так и в виде отрывов, которые реально возникли в модели, начинаясь от участков концентрации (рис.1, гр.У в,г).

Поворот этих отрывов в ходе дальнейшего сдвигания вызывает на их окончаниях продолжение разрывообразования, но не в прежнем направлении, а согласно траекториям общего поля напряжений, фиксированных возникающими разрывами вдоль контура модели (периферические отрывы). Подобное соотношение морфологии и стадийной ориентации разрывов получено на вязких моделях Т.М.Гептнер(1970).

Таким образом, подтверждается возможность динамо-оптического изучения механизма разрывообразования в сдвиговых зонах, проявления нескольких генераций разрывов, как в стадиях их развития по заданным плоскостям (Гзовский,1975; Осокина,1985), так и с момента их первичного образования, стадиального развития и трансформации в другие виды дислокаций, релаксирующих общее поле сдвиговых .напряжений на новых этапах.

36

Группа У1. Структура сдвиговой полосы в слоисто-неоднородной среде. Модели группы У1 (рис.1, гр.У1,4) выявляют особенности развития сдвиговых полей напряжений в слоистой среде, представленной четырьмя слоями, имеющими прочно спаянные при заливке границы. Слои отличаются плотностью по концентрации желатина в исходном растворе (Сж% - 10,15,20) и соответственно модулями упругости (Е^ кг/см^ - 0,25; 0,55; 1,0). Сдвиговая нагрузка вызывает общий поворот границ раздела слоев в направлении движения и обособление внутрислойных полей напряжений с характеристиками, зависящими от плотности и упругости слоев.

При восстании межслойных границ навстречу общему сдвигу происходит сжатие и утолщение слоев; при обратном их наклоне -растяжение и утонение с концентрацией напряжений в обоих случаях вдоль границ, предопределяющих развитие внутрислойных сдвигов и направление широко развитых в слоистых толщах кливажных систем, расположенных под различными углами к наслоению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Систематизация полученных автором различными метода™ экспериментальных результатов по моделированию механизмов образования и морфологии зон сдвигания представляет крупное обобщение, содержащее решение ряда вопросов методики и техники физического моделирования деформационных структур в тектонике, генезиса и структурной эволюции сдвиговых зон на разных масштабных уровнях, а также прикладных задач по. прогнозу и размещению полезных ископаемых в подобных зонах.

В разработанной автором систематике экспериментальных моделей сдвиговых зон содержатся рациональные основы их классификации по масштабам проявления, тектонической позиции, геометрии и генетическим признакам. Являясь информативным, наглядным и удобным в применении методическим средством, она позволяет более обоснованно, чем по традиционным схемам, путем оптимального выбора сочетаний простых моделей производить расшифровку сложных полей напряжений в тектонических узлах, рудных полях и сейсмоактивных зонах.

Впервые на большом экспериментальном материале освещена внутренняя структура полей напряжений сдвиговых.зон, выявлена зональность их строения, обусловленная неоднородностью сдвигового нагружения моделей в направлении сдвига и по глубине *сдвиго-

вого нагружения моделей в направлении сдвига и по глубине сдвиговой полосы. Следующие из этого построения, существенно дополняя традиционные положения, позволяют по-новому интерпретировать закономерности распределения и ориентировки деформационных структур сдвигового парагенезиса, а также более уверенно прогнозировать невскрытые при картировании их элементы в природных условиях. "Экспериментальный анализ неоднородных сдвиговых зон выявил совершенно новые закономерности распределения и концентрации напряжений в окрестностях единичных и множественных включений, разрывов и границ раздела слоев, объясняющие механизмы вторичных деформаций - межзернового скольжения, поворота включений, послойных сдвигов и кливажирования толщ.

Наиболее важные в методическом отношении результаты данной работы - это развитие поляризационно-оптического метода на широком диапазоне элементарных деформационных структур и разработка новых методов - моделирования конседиментационных дислокаций,моделирование в искусственном магнитном поле, что вносит сущест-' венный вклад в развитие тектонофизического направления в стране.

Вместе с тем,последовательное решение в работе ряда принципиальных вопросов моделирования деформационных структур способствует выявлению общих закономерностей развития деформационных процессов в земной коре, размещения тектонических дислокаций.определению их классификационных признаков, выбору направлений экспериментальных исследований, рациональным формам интерпретации геолого-геофизических данных, а также решению прогнозных задач в рудных и сейсмоактивных районах.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Монографии

1. Бондаренко П.М. Моделирование надвиговых дислокаций в складчатых областях. Новосибирск:Наука,1976.118 с. (Тр".ИГиГ;Вып. 267). • ■

2. Шарапов В.Н..Симбирева И.Г. .Бондаренко П.М.- Структура и геодинамика сейсмофокальной зоны Курило-Камчатского района.Новосибирск: Наука,1984. 200 с.(Тр.ИГиГ; Вып.549).

Другие работы

3. Бондаренко'П.М. О механизмах структурообразования в сдвиговых зона^/Структура линеаментных зон динамометаморфизма. Новосибирск:Наука,1990. С.67-88.

4. Горбенко В.П..Бондаренко П.М. Динамомегаморфические ком-

плексы в структуре Бухтарминской лианементной зоны//Там же. С. 140-150.

5. Боццаренко П.М. Моделирование конкретных геологических структур (региональное моделирование)//Экспериментальная тектоника (методы,результаты,перспективы) .М. -.Наука, 1989.С. 228-251.

6. Бондаренко П.М. Моделирование полей напряжений элементарных деформационных структура/Экспериментальная тектоника (методы,результаты,перспективы).М.:Наука,1989. С.126-163.

7. Осокина Д.Н..Бондаренко П.М. Вопросы применения поляри-зационно-оптического метода в экспериментальной тектонике для моделирования тектонических полей напряжений//Экспериментальная тектоника (методы,результаты,перспективы).М.:Наука,1989.С.78-125.

8.Бондаренко П.М..Горбенко В.П. Структурнцй профиль Бухтарминской линеаментной зоны в районе рек Черневая и Бухтарма// Структура линеаментных зон динамометаморфизма. Новосибирск: Изд. ИГиГ СО АН СССР,1988. С.73-83.

9. Бондаренко П.М. Моделирование полей напряжения и прогноз дислокации в сдвиговых зонах //Тезисы докладов 1-го Всесоюз. совещ. по сдвиговой тектонике.Л.,1988. С.71-74.

10. Бондаренко П.М. Прогноз динамических условий нефтегазо-накопления в деформационных структурах слоистых толщ (по данным сейсморазведки.и тектонического эксперимента)//Тезисы 1-й-Всесоюз. конференции "Геодинамические основы прогнозирования нефте-газоносности недр".М. ,1988.'Ч.Ш. С.570-571.

11. Бондаренко П.М. Физические модели центрально-симметричных структур/уМорфотектонические системы центрального типа Сибири и Дальнего Востока. М.:Наука,1988. С.144-148.

12. Бондаренко П.М. Проблемы и перспективы моделирования конседиментационных структур//Экспериментальная тектоника в теоретической и прикладной геологии, м.:Наука,1986. С.50-61.

13. Бондаренко П.М.,Лучицкий И.В. Сдвиги и зоны скалывания в тектонических полях напряжений//Там же. С.159-182.

14. Шарапов В.Н..Бондаренко П.М..Симбирева И.Г. О структурном выражении релаксации современного поля напряжений в области Курило-Камчатской сейсмофокальной зоны//Литосфера и атмосфера континента и океана. Новосибирск: Щ СО АН СССР,1985. C.I02-II4."

15. Бондаренко П.М. Метод графического моделирования непрерывного поля напряжений в сейсмофокальной зоне//Тектоника Сибири и Дальнего Востока. Тез.докл.ХУ сессии науч.совещ.СО АН СССР. Ккно-Сахалинск,I985. С.131-132.

16. Бондаренко П.М. К методике физического моделирования кольцевых и других центрально-симметричных структур,различных по морфологии и генезису//Эксперимент и моделирование в геологических исследованиях. Новосибирск:ИГиГ СО АН СССР,1984. С.54-88.

17. Алексеев A.C..Бондаренко П.М..Шарапов В.Н. О структуре и геодинамике сейсмофокальных зон//Геология и геос&изика. 1984.

№ 8. С.22-23. *

18. Алексеев A.C..Бондаренко П.М..Шарапов В.Н. Геодинамические модели сейсмофокальных зон//Тезисы мевдународ.геол.конгресса 27 сессия МГК.1984. Вып.Ш. Секция 06,-07. С..98-101.

19. Бондаренко П.М. Моделирование полей напряжений в зонах скалывания на окраинах континентов//Строение и динамика переходных зон: Тез.меддунар.симпозиума М.,1983. С.107-108.

20. Лучицкий И.В..Яншин А.Л..Алексеев A.C..Бондаренко П.М. и"др. Комплексные методы обработки космической фотоинрормации для выявления особенностей строения земной коры Сибири и Дальнего Востока//Космические методы изучения природной среды Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск:Наука,1982. С.179-184.

21. Лучицкий И.В..Бондаренко П.М. Поля напряжений флексур и разломов//0сновные структурные элементы земной коры на территории Сибири и их эволюция в докембрии и фанерозое.Повосибирск: Наука,1981. С.86-97.

22. Шарапов В.Н..Бондаренко П.М..Симбирева И.Г..Гнибиденко Г.С. О структуре земной коры зоны сочленения океан-континент в районе Камчатского глубоководного желоба//Геология и геофизика, 1981. JS I. С.3-19.

23. Шарапов В.Н..Бондаренко П.М..Пяткин В.П. Выявление инструментальными методами рисунка разломов центральной Камчатки

и расшифровка их генезиса//Исследования Земли из космоса. 1980. JJ 2. С.44-50.

24. Шарапов В.Н..Симбирева И.Г..Бондаренко П.М. Расшифровка структуры земной коры в зоне сочленения континентального и океанического сегментов литосферы в районе Камчатского желоба//Аэро-космические исследования природных ресурсов Сибири и Дальнего Востока//Новосибирск: ИГиГ СО АН СССР,1979. C.I0I-I08.

25. Бондаренко П.М..Юдин B.C..Дементьев В.Н. Комплексное дешифрирование космических телеснимков с целью исследования морфологии и генезиса разломных ассоциаций Сибири//Развитие и использование космических методов изучения природных явлений и ресурсов. Новосибирск:ИГ1'Г СО АН СССР,1979. С.143-158.

26. Лучицкий И.В..Бондаренко П.М..Громин В.И..Ушаков Г.Д. Тектонический эксперимент в Сибири//Геология и геофизика,1977. С.37-45.

27. Лучицкий И.В..Боццаренко П.М..Громин В.И. Изучение разломов экспериментальными методами//Разломы земной коры. М.: Наука,1977. С.144-154.

28. Лучицкий И.В..Бондаренко П.М. Систематика и механизм образования концентрических структур//Тектоника и структурная геология: Планетология. К ХХУ сессии МПС, 1976. С.163-170.

29. Лучицкий И.В..Бондаренко П.М. Проблема генезиса вертикальных кольцевых структур по данным моделированиях/Палеовулканологические реконструкции. Новосибирск:Наука,1976. С.13-24.

30. Лучицкий И.В..Бондаренко П.М. Механизм образования концентрических структур над магматическим очагом (по экспериментальным данным)//Геология и геофизика,1974, J5 10. С.3-19.

31. Лучицкий И.В..Бондаренко П.М. Моделирование полей напряжения над интрузивным куполом//ДАН СССР.1974. Т.216. й 2.

С.316-318.

32. Лучицкий И.В..Бондаренко П.М. Моделирование полей напряжения в геологических структурах и его значение в теории ру-дообразования//Роль физико-химических свойств горных пород в ло-