Структурная геология

Первоначально горизонтальные пласты деформировались из-за напряжений.

Структурная геология - это изучение трехмерного распределения горных пород с учетом их истории деформаций . Основная цель структурной геологии — использовать измерения современной геометрии горных пород, чтобы раскрыть информацию об истории деформации ( деформаций ) в горных породах и, в конечном итоге, понять поле напряжений , которое привело к наблюдаемой деформации и геометрии. Такое понимание динамики поля напряжений может быть связано с важными событиями геологического прошлого; Общая цель состоит в том, чтобы понять структурную эволюцию конкретной области относительно широко распространенных в регионе моделей деформации горных пород (например, горообразование , рифтогенез ) из-за тектоники плит .

Использование и важность

Изучение геологических структур имеет первостепенное значение в экономической геологии (как нефтяной, так и горной) . Складчатые и нарушенные пласты горных пород обычно образуют ловушки, которые накапливают и концентрируют флюиды, такие как нефть и природный газ . Аналогично, разломные и структурно сложные области являются зонами проницаемости для гидротермальных цветных и драгоценных металлов флюидов, в результате чего образуются области концентрации месторождений . Жилы минералов, содержащих различные металлы, обычно занимают разломы и трещины на участках со сложной структурой. Эти структурно раздробленные и разломные зоны часто встречаются в сочетании с интрузивными магматическими породами . Они также часто встречаются вокруг геологических рифовых комплексов и обрушений, таких как древние воронки . Месторождения золота , серебра , меди , свинца , цинка и других металлов обычно расположены на сложных по строению территориях.

Структурная геология является важной частью инженерной геологии , которая занимается физическими и механическими свойствами природных горных пород. Структурные структуры и дефекты, такие как разломы, складки, слоистость и соединения, являются внутренними слабостями горных пород, которые могут повлиять на устойчивость инженерных сооружений, таких как плотины , выемки дорог, открытые карьеры, подземные шахты или автомобильные туннели .

Геотехнический риск, включая риск землетрясений, можно исследовать только путем проверки сочетания структурной геологии и геоморфологии . Кроме того, для этих ученых особое значение имеют участки карстовых ландшафтов, расположенные на вершинах пещер, потенциальных провалов или других обрушений. Кроме того, участки крутых склонов представляют собой потенциальную опасность обрушений или оползней.

Геологам-экологам и гидрогеологам необходимо применять принципы структурной геологии, чтобы понять, как геологические объекты влияют (или подвергаются воздействию) на подземных вод поток и проникновение . Например, гидрогеологу может потребоваться определить, происходит ли утечка токсичных веществ из свалок отходов в жилом районе или просачивается ли соленая вода в водоносный горизонт .

Тектоника плит — это теория, разработанная в 1960-х годах, которая описывает движение континентов посредством разделения и столкновения плит земной коры. В некотором смысле это структурная геология в масштабе планеты, и она используется во всей структурной геологии в качестве основы для анализа и понимания особенностей глобального, регионального и локального масштаба.

Методы

Структурные геологи используют различные методы для (во-первых) измерения геометрии горных пород, (во-вторых) реконструкции истории их деформаций и (в-третьих) оценки поля напряжений, которое привело к этой деформации.

Геометрия

Первичные наборы данных для структурной геологии собираются в полевых условиях. Структурные геологи измеряют различные плоские особенности ( плоскости напластования , плоскости слоения , осевые плоскости складок, плоскости разломов и трещины) и линейные особенности (линии растяжения, в которых минералы пластично вытянуты; оси складок; и линии пересечения, следы плоский элемент на другой плоской поверхности).

Иллюстрация правил измерения плоских и линейных конструкций

Соглашения об измерениях

Наклон планарной структуры в геологии измеряется простиранием и падением . Простирание — это линия пересечения плоского объекта и горизонтальной плоскости, взятая в соответствии с правилом правой руки, а падение — это величина наклона ниже горизонтали под прямым углом к ​​простиранию. Например; простирается на 25 градусов к востоку от севера и падает на 45 градусов к юго-востоку, записано как N25E, 45SE.
В качестве альтернативы можно использовать наклон и направление падения, поскольку они являются абсолютными. Направление падения измеряется в 360 градусах, обычно по часовой стрелке с севера. Например, падение на 45 градусов к азимуту 115 градусов записывается как 45/115. Обратите внимание, что это то же самое, что и выше.

Иногда используется термин Hade , который означает отклонение плоскости от вертикали, т.е. (падение на 90°).

Погружение оси сгиба измеряется по падению и направлению падения (строго, погружению и азимуту погружения). Ориентация осевой плоскости складки измеряется в направлении простирания и падения или падения и падения.

Линейные линии измеряются по падению и направлению падения, если это возможно. Часто линии возникают на плоской поверхности, и их трудно измерить напрямую. В этом случае линия может быть измерена от горизонтали как наклон или уклон на поверхности.

Наклон измеряется путем помещения транспортира на плоскую поверхность так, чтобы плоский край был горизонтальным, и измерения угла линии по часовой стрелке от горизонтали. Затем ориентацию линии можно рассчитать на основе информации о наклоне и падении плоскости, от которой она была измерена, с использованием стереографической проекции .

Если разлом имеет линии, образованные движением по плоскости, например; slickenside , это записывается в виде линии с граблями и помечается указанием броска на разлом.

Как правило, легче записывать информацию о простирании и падении плоских структур в формате направления падения/падения, поскольку это будет соответствовать всей другой структурной информации, которую вы можете записать о складках, линиях и т. д., хотя есть преимущество в использовании разных форматов, которые различать плоские и линейные данные.

плоскости, ткани, складках и

Принято анализировать структурную геологию, чтобы идентифицировать плоские структуры , часто называемые плоскими тканями , поскольку это подразумевает текстурное образование, линейные структуры и, на основе их анализа, распутывать деформации .

Плоские структуры названы в соответствии с порядком их формирования, причем первоначальная осадочная слоистость является самой низкой на уровне S0. Часто в сильно деформированных горных породах невозможно идентифицировать S0, поэтому нумерацию можно начинать с произвольной цифры или с буквы ( _{S A} например, ). В случаях, когда имеется расслоение плоскостей напластования, вызванное погребальным метаморфизмом или диагенезом , его можно обозначить как S0a.

Если есть складки, они нумеруются как F ₁ , F ₂ и т. д. Обычно во время складывания создается слоение или расщепление складки в осевой плоскости, и соглашение о нумерации должно совпадать. Например, складка F ₂ должна иметь осевое слоение S ₂ .

Деформации нумеруются в соответствии с порядком их образования, причем буква D обозначает событие деформации. Например, _Д1 , _Д2 , _Д3 . Складки и слоения, поскольку они образуются в результате событий деформации, должны коррелировать с этими событиями. Например, складка F ₂ с расслоением осевой плоскости S ₂ будет результатом деформации D ₂ .

Метаморфические события могут охватывать множественные деформации. Иногда полезно идентифицировать их аналогично структурным особенностям, за которые они отвечают, например; М ₂ . Это может быть возможно путем наблюдения за образованием порфиробластов в трещинах известного возраста деформации, путем идентификации метаморфических минеральных комплексов, созданных в результате различных событий, или с помощью геохронологии .

Линии пересечения в горных породах, поскольку они являются продуктом пересечения двух плоских структур, называются по двум плоским структурам, из которых они образованы. Например, линия пересечения спайности S ₁ и напластования представляет собой линию пересечения L _1-0 (также известную как линия спайности-напластования).

Линии растяжения может быть трудно определить количественно, особенно в сильно растянутых пластичных породах, где сохраняется минимальная информация о слоении. Там, где это возможно, при корреляции с деформациями (поскольку немногие из них образуются в складках, а многие не связаны строго с плоскими слоениями), их можно идентифицировать аналогично плоским поверхностям и складкам, например; Л ₁ , Л ₂ . Для удобства некоторые геологи предпочитают обозначать их индексом S, например L _s1 , чтобы отличать их от линий пересечения, хотя обычно это излишне.

Стереографические проекции

Диаграмма, показывающая использование стереографической проекции нижнего полушария в структурной геологии на примере плоскости разлома и скольжения линии , наблюдаемой внутри плоскости разлома.

Стереографическая проекция — это метод анализа природы и направленности деформационных напряжений, литологических единиц и проникающих структур, при котором линейные и плоские характеристики (показания структурного простирания и падения, обычно снимаемые с помощью компасного клинометра ), проходящие через воображаемую сферу, наносятся на двухмерную поверхность. проекция размерной сетки, способствующая более целостному анализу набора измерений. Стереонет Разработанный Ричардом В. Аллмендингером, широко используется в сообществе структурной геологии.

Скальные макроструктуры

В широком масштабе структурная геология — это изучение трехмерного взаимодействия и взаимоотношений стратиграфических единиц внутри террейнов горных пород или геологических регионов.

Эта отрасль структурной геологии занимается в основном ориентацией, деформацией и взаимоотношениями стратиграфии (напластования), которые могли быть нарушены, сложены или расслоены в результате какого-либо тектонического события. В основном это геометрическая наука, на основе которой могут быть созданы поперечные сечения и трехмерные блочные модели горных пород, регионов, террейнов и частей земной коры.

Изучение региональной структуры важно для понимания складчатости , тектоники плит и, в частности, в нефтегазовой и разведочной промышленности , поскольку такие структуры, как разломы, складки и несогласия, являются основным контролем минерализации руды и нефтяных ловушек.

Современная региональная структура исследуется с помощью сейсмической томографии и сейсмического отражения в трех измерениях, что дает непревзойденные изображения недр Земли, ее разломов и глубокой коры. Дополнительная информация из геофизики , такая как гравитация и аэромагнитные данные, может предоставить информацию о природе горных пород, которые, как предполагается, находятся в глубокой коре.

Микроструктуры горных пород

Основная статья: микроструктура горных пород

Микроструктура или текстура горных пород изучается геологами-структуристами в небольших масштабах для получения подробной информации главным образом о метаморфических породах и некоторых особенностях осадочных пород , чаще всего, если они складчаты.
Текстурное исследование включает измерение и характеристику слоений , зубцов , метаморфических минералов, а также временных связей между этими структурными особенностями и минералогическими особенностями.
Обычно это включает в себя сбор ручных образцов, которые можно разрезать на петрографические тонкие срезы, которые анализируются под петрографическим микроскопом .
Микроструктурный анализ находит применение также в многомасштабном статистическом анализе, направленном на анализ некоторых особенностей горных пород, демонстрирующих масштабную инвариантность.

Кинематика

Геологи используют измерения геометрии горных пород, чтобы понять историю деформации горных пород. Деформация может принимать форму хрупких разломов, пластических складок и сдвигов. Хрупкая деформация имеет место в неглубокой коре, а пластическая деформация — в более глубокой коре, где температура и давление выше.

Поля напряжений

Понимая определяющие взаимосвязи между напряжением и деформацией в горных породах, геологи могут перевести наблюдаемые закономерности деформации горных пород в поле напряжений в геологическом прошлом. Следующий список функций обычно используется для определения полей напряжений от деформационных конструкций.

• В совершенно хрупких породах разломы возникают под углом 30° к наибольшему напряжению сжатия. (Закон Байерли)
• Наибольшее сжимающее напряжение характерно для складчатых осевых плоскостей.

Моделирование

Для экономической геологии, такой как разработка нефти и полезных ископаемых, а также для исследований, моделирование структурной геологии становится все более важным. 2D и 3D модели структурных систем, таких как антиклинали, синклинали, складчатые и надвиговые пояса и другие особенности, могут помочь лучше понять эволюцию структуры во времени. Без моделирования или интерпретации недр геологи ограничены в своих знаниях о геологическом картировании поверхности. Если полагаться только на поверхностную геологию, можно упустить крупный экономический потенциал, упустив из виду структурную и тектоническую историю региона.

Характеристика механических свойств горных пород

Механические свойства горных пород играют жизненно важную роль в структурах, образующихся при деформации глубоко под земной корой. Условия, в которых находится порода, приводят к появлению различных структур, которые геологи наблюдают над землей в полевых условиях. Область структурной геологии пытается связать образования, которые видят люди, с изменениями, через которые прошла горная порода, чтобы достичь этой окончательной структуры. Знание условий деформации, которые приводят к таким структурам, может пролить свет на историю деформации горных пород.

Температура и давление играют огромную роль в деформации горных пород. В условиях под земной корой чрезвычайно высоких температур и давлений горные породы пластичны . Они могут сгибаться, складываться или ломаться. Другими жизненно важными условиями, способствующими формированию структуры горных пород под землей, являются поля напряжений и деформаций.

Кривая растяжения-деформации

Стресс – это давление, определяемое как направленная сила на площадь. Когда горная порода подвергается напряжениям, она меняет форму. Когда напряжение снимается, камень может вернуться, а может и не вернуться к своей первоначальной форме. Это изменение формы количественно выражается деформацией — изменением длины по сравнению с исходной длиной материала в одном измерении. Стресс вызывает напряжение, которое в конечном итоге приводит к изменению структуры.

Упругая деформация относится к обратимой деформации. Другими словами, когда напряжение в камне снимается, он возвращается к своей первоначальной форме. Обратимая линейная эластичность предполагает растяжение, сжатие или искажение атомных связей. Поскольку разрыва связей не происходит, материал пружинит назад, когда сила ослабляется. Этот тип деформации моделируется с использованием линейной зависимости между напряжением и деформацией, т.е. зависимости Гука .

$\epsilon ={\frac {\sigma }{E}}$

Где σ обозначает напряжение, $\epsilon$обозначает деформацию, а E — модуль упругости , который зависит от материала. Модуль упругости, по сути, является мерой прочности атомных связей.

Пластическая деформация относится к необратимым деформациям. Связь между напряжением и деформацией при остаточной деформации нелинейна. Стресс вызвал необратимое изменение формы материала из-за разрыва связей.

Одним из механизмов пластической деформации является перемещение дислокаций под действием приложенного напряжения. Поскольку горные породы по сути представляют собой агрегаты минералов, мы можем думать о них как о поликристаллических материалах. Дислокации — это тип кристаллографического дефекта, который состоит из лишней или отсутствующей полуплоскости атомов в периодическом массиве атомов, составляющих кристаллическую решетку. Дислокации присутствуют во всех реальных кристаллографических материалах.

Твердость

Твердость трудно определить количественно. Это мера устойчивости к деформации, особенно к остаточной деформации. Существует прецедент твердости как качества поверхности, меры абразивности или устойчивости материала к царапинам. Однако если испытуемый материал однороден по составу и структуре, то поверхность материала имеет толщину всего несколько атомных слоев и измерения проводятся для объемного материала. Таким образом, простые измерения поверхности дают информацию об объемных свойствах. К способам измерения твердости относятся:

• Шкала Мооса
• Испытание на истирание по Дорри
• Deval abrasion test
• Твердость отпечатка

Твердость при вдавливании часто используется в металлургии и материаловедении, и ее можно рассматривать как устойчивость к проникновению индентора.

Прочность

Прочность лучше всего можно описать устойчивостью материала к растрескиванию. Во время пластической деформации материал поглощает энергию до тех пор, пока не произойдет разрушение. Площадь под кривой напряжения-деформации представляет собой работу, необходимую для разрушения материала. Модуль вязкости определяется как:

$M_{t}={\frac {2}{3}}\sigma _{UTS}\;\epsilon _{f}$

Где $\sigma _{UTS}$ - это предел прочности на разрыв, а $\epsilon _{f}$это напряжение при отказе. Модуль — это максимальное количество энергии на единицу объема, которое материал может поглотить без разрушения. Из уравнения для модуля видно, что для большой ударной вязкости необходимы высокая прочность и высокая пластичность. Эти два свойства обычно являются взаимоисключающими. Хрупкие материалы имеют низкую ударную вязкость, поскольку низкая пластическая деформация снижает деформацию (низкую пластичность). Способы измерения ударной вязкости включают в себя: ударную машину Пейджа и испытание на удар по Шарпи.

Устойчивость

Упругость — это мера упругой энергии, поглощаемой материалом под нагрузкой. Другими словами, внешняя работа, совершаемая над материалом при деформации. Площадь под упругой частью кривой растяжения представляет собой энергию деформации, поглощенную единицей объема. Модуль упругости определяется как:

$M_{R}={\frac {(\sigma _{y})^{2}}{2E}}$

где $\sigma _{y}$— предел текучести материала, а E — модуль упругости материала. Для повышения упругости необходимо увеличение предела упругости и снижение модуля упругости.

См. также

• Кренуляция
• Список текстур камней
• Восстановление раздела
• Стереографическая проекция
• Тектонофизика
• Вергенция (геология)
• Гидрогеология

Дальнейшее чтение

• М. Кинг Хабберт (1972). Структурная геология . Издательство Хафнер.
• Г.Х. Дэвис и С.Дж. Рейнольдс (1996). Структурная геология горных пород и регионов (2-е изд.). Уайли . ISBN  0-471-52621-5 .
• К.В. Пасшье и Р.А.Ж. Трау (1998). Микротектоника . Берлин: Шпрингер . ISBN  3-540-58713-6 .
• Бакалавр Плюйма и С. Маршака (2004). Структура Земли - Введение в структурную геологию и тектонику (2-е изд.). Нью-Йорк: WW Нортон . п. 656. ИСБН  0-393-92467-Х .
• Д. Д. Дир и Р. П. Миллер (1966). Инженерная классификация и индексные свойства нетронутой породы . Технический отчет № AFWL-TR-65-116 Лаборатория вооружения ВВС.