Методы структурной геологии

Методы любой науки разделяются на общие, частные и специальные (применяемые исключительно в данной науке). Внутри методов выделяют методики и методические приемы.

К общим относятся общенаучные методы, разработанные разделом философии — гносеологией. В структурной геологии чаще всего применяются:

— Метод аналогий. Приспособленный для геологических целей, он превратился в метод актуализма, а затем развился в сравнительно-исторический. С его помощью воссоздают историю формирования и причины возникновения геологических тел по аналогии с современными процессами. Подробно этот метод изучается в курсе исторической геологии.

— Метод моделирования — главный в структурной геологии. Геолог практически никогда непосредственно не видит те тела, которые он изучает — они обычно слишком велики, фрагментарно доступны непосредственному наблюдению или полностью скрыты в недрах Земли. Кроме того, природные тела имеют очень сложное строение, так как образованы сочетанием множества факторов — тектонических, литологических, гидрогеологических и т.д. Поэтому мы чаще всего обобщаем имеющиеся данные об объекте или явлении на основании опыта, господствующих теорий, собственных взглядов, поставленных задач и создаем модель геологического тела. Чем детальнее и тщательнее изучен геологический объект, чем опытнее исследователь, тем более верная и адекватная модель формируется. В структурной геологии наиболее распространены следующие виды моделирования:

1. Графическое моделирование. К графическим моделям относятся главные инструменты геологов — разнообразные геологические карты, геологические разрезы, другие чертежи. Поэтому так важно для структурной геологии геологическое картирование — прикладная наука о составлении геологических карт. Она обычно изучается одновременно со структурной геологией.

2. Физическое моделирование — это замена изучения интересующего нас явления, протекающего в природе, изучением явления на подобной ей модели. Существуют три основных группы физических моделей. Это — 1) — фрагменты естественных объектов, 2) — модели, построенные на эквивалентных материалах, и 3) модели, созданные на оптически активных материалах.

Эквивалентные материалы отличаются по механическим свойствам от свойств изучаемых горных пород пропорционально их отличиям в геометрических размерах. Чем меньше геометрический размер модели, тем мягче должен быть ее материал, быстрее по сравнению с природными процессами должны происходить в ней изменения и т.д. На рис. 1.1. приведен пример моделирования складчатой зоны. Модель составлена из примыкающих разновозрастных блоков, состоящих из канифоли и машинного масла, и разделенных первоначально бумажными перегородками. Блоки имели слоистое строение, в ряде блоков (середина и правая сторона) существовала инверсия плотностей (нижележащие слои легче вышележащих). Особенно большой контраст плотностей был создан в середине модели. Там же мощность легкого материала была максимальной, блок был массивным, неслоистым. Материал имитировал породы в состоянии метаморфизации и гранитизации. Разная высота блоков изображала результат происшедших раньше вертикальных глыбово-волновых движений земной коры. С точки зрения физического подобия эта модель отвечает соотношениям размеров природных складчатых зон. Общая длина модели соответствует ширине складчатой зоны в 150 км, высота наиболее поднятых блоков до начала движений — 5 км. Когда бумажные перегородки между блоками убрали, модель оставили в покое на 48 часов. За это время из-за изначальной механической неустойчивости (инверсия плотностей и разная высота блоков) в ней произошли разнообразные движения: первоначально неровная поверхность стала почти горизонтальной, мощность материала на поднятых блоках уменьшилась, слои удлинились, что вызвало смятие их в складки и образование надвигов, горизонтальная амплитуда которых соответствует после пересчетов 15 км, образовалась складчатость, характерная для геосинклинальных систем.

Оптически активные материалы — плексиглазы, желатины. Испытывающая деформации модель из прозрачного эквивалентного материала просвечивается поляризованным светом на установке, подобной поляризационному микроскопу, но с широким рабочим полем. По интерференционному окрашиванию изображения модели на экране определяется относительная и абсолютная величины максимальных касательных напряжений, действующих в различных ее частях. Этот метод позволяет непосредственно наблюдать напряжения при приложении сил. Наиболее широко в настоящее время метод физического моделирования для структурной геологии развивается в лаборатории экспериментальной тектоники на геологическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова и в университете в Упсале (Швеция).

3. Математическое моделирование — наиболее активно развивающийся в настоящее время метод. Выделяют три группы математических моделей.

— Моделирование изучаемого объекта по совокупности внешних признаков. Цель такого моделирования - через ограниченное число параметров (констант) установить определенный порядок, закономерности и дать однозначное описание объекта (например, складки). При этом происходит обобщение признаков объекта, отбрасывание случайных параметров и возникает возможность прогнозирования невыявленных его характеристик.

— Моделирование геологических процессов, использующее законы физики и химии. В результате по имеющемуся у наблюдателя геологическому объекту пытаются судить о глубинных процессах, их природе и эволюции Земли, Также изучаются процессы с участием человека (управляемые или природно-деятельностные). Примером может служить поиск и разведка полезных ископаемых, в том числе — нефти и газа.

— Моделирование параметров процессов, объектов и их интерпретации. Например, спектральный анализ, анализы пористости, минерального, гранулометрического, литологического и других составов. При этом широко используется математическая статистика.

Широко применяемый в структурной геологии статистический анализ ориентировки трещиноватости относится к математическому моделированию и интерпретации параметров.

Частные методы — это естественнонаучные и общегеологические методы.

Из общегеологических структурная геология наиболее успешно применяет следующие методы других наук:

— Геодезический используется для изучения современных, наблюдаемых за историческое время движений земной коры.

— Геоморфологический применяется при исследовании новейших движений, деформаций и созданных ими структур земной коры, выраженных в рельефе и получивших название «морфоструктуры».

— Метод фациального анализа позволяет судить о распространении областей и интенсивности поднятий (размыва) и погружений (накопления осадков), а также большей или меньшей их глубины. Фации изучаются и другими науками, например палеогеографией, с целью выяснения физико-географических условий в предыдущие эпохи. Структурная геология изучает фации для воспроизведения истории вертикальных колебательных движений земной коры.

— Методы анализа перерывов и несогласий, как и метод фациального анализа, позволяет расшифровать последовательность проявления в пределах региона погружений и поднятий, а также тектонических деформаций. Подробно последние два метода изучаются в учебных дисциплинах литологического цикла.

Непосредственно формы залегания и пространственные соотношения геологических тел изучаются, главным образом, следующими методами:

— Методы геометризации недр занимаются геометрическим изображением свойств геологических тел, условий их залегания и процессов, происходящих в недрах. Следует различать геометрию, присущую природным объектам, и геометризацию как приближение к этой геометрии с точностью, соответствующей данной стадии познания недр. Отдельные приемы геометризации недр изучаются в курсе «Инженерная графика».

— Методы геологической съемки. Геологическая съемка — это основа любой геологической работы. В ее процессе изучается геологическое строение поверхности и недр, в них выделяются геологические тела, границы которых изображаются на геологической карте.

— Методы геологического дешифрирования материалов дистанционных съемок. Исходные данные, по которым обычно составляются геологические чертежи, разобщены и всегда недостаточны, и единственной возможностью увидеть изображаемые тела в естественных границах и соотношениях с другими телами является изучение этих тел по материалам дистанционных (аэрокосмических) съемок.

— Методы структурного анализа, которые заключаются в изучении взаимного положения в пространстве тектонических нарушений — складок, трещин, разрывов со смещением, внедрений магматических и пластических осадочных пород, ориентировки минералов. Исходные данные структурного анализа получают в процессе геологической съемки, изучения ориентировки минералов (микро-ил и петроструктурный анализ), регионального структурного анализа.

Кроме того, при изучении форм геологических тел, особенно для целей нефтегазовой геологии, повсеместно применяются геофизические и особенно сейсмические методы. Эта область геофизики иногда так и называется - «структурная геофизика».

Последние четыре метода — главные в структурной геологии. Причины возникновения и история развития структурных форм изучаются, главным образом, сравнительно-историческим методом, а также с помощью фациального анализа, анализа мощностей, методами тектонического и математического моделирования. Геометрия структурных форм изучается главным образом с помощью геологического картирования и геологического дешифрирования материалов аэро- и космических съемок. Поля напряжений, сформировавшие структурные формы, изучаются с помощью структурного анализа.