Главные оси деформаций
При изучении любой структуры возникает вопрос о механизме ее образования и ориентировке в земной коре сил, вызвавших ее. Если сама деформация вызвана внешними силами, то характер протекания процесса деформирования и разрушения горной породы обусловлен внутренними силами, или напряжениями. Он зависит от физико-механических свойств массива пород, его строения и наличия в нем неоднородностей.
Деформации и разрушение горных пород - это частные случаи деформации и разрушения твердых тел, которые изучаются механикой сплошных сред. Сплошная среда - это упрощенная модель реального тела. В этой модели принимается, что вещество однородно и изотропно, то есть непрерывно и равномерно распределено по объему. Такое представление о сплошной среде позволяет считать, что выделенный около произвольной точки сколь угодно малый объем содержит вещество, наделяемое средними физико-механическими свойствами, и одновременно позволяет следить за местоположением и перемещением данной точки в процессе деформации. Модель сплошной среды, строго говоря, не соответствует строению реальных геологических тел, которые состоят из кристаллов, зерен или глыб (в зависимости от масштаба рассмотрения). Например, описывая как сплошную среду песок, мы не принимаем во внимание его зернистое строение. Хотя методами механики сплошных сред нельзя описать движения отдельных песчинок при деформации массива песка, для объемов, содержащих большое число песчинок, эта модель оказывается пригодной. Такую модель можно использовать, если размеры тела значительно (не менее чем в 10 раз) превышают характерные размеры структурной неоднородности среды.
При любых однородных деформациях тела существуют такие три взаимно перпендикулярных плоскости, вдоль которых происходит только деформация удлинения или укорочения и угол между которыми в процессе деформации не меняется. Если представить себе все напряжения, возникающие в однородном теле (объеме) в виде радиус-векторов, то в совокупности эти векторы образуют поверхность, характеризующую полное напряженное состояние данного объема. В зависимости от характера напряжений это может быть шар (условия всестороннего давления), двух- или трехосный эллипсоид (рис. 4.14). Взаимно перпендикулярные оси эллипсоида будут лежать в плоскостях, вдоль которых происходят только деформации удлинения — укорочения. Напряжения, действующие вдоль этих осей, называются главными нормальными, а оси эллипсоида — осями главных нормальных напряжений. Эти же направления являются главными осями деформаций. В отечественной литературе по тектонофизике растягивающие нормальные напряжения принято считать положительными (они вызывают увеличение длины), а нормальные сжимающие - отрицательными. В зарубежной геологической литературе чаще за положительные принимают сжимающие напряжения. Поэтому, во избежание недоразумений, лучше говорить не о положительных или отрицательных а о сжимающих и растягивающих напряжениях. Ось наибольшего сжатия принято обозначать символом о3, ось наибольшего растяжения — символом о1, а перпендикулярную им ось промежуточных значений — символом о2.
Напряжения сжатия и растяжения существуют в деформируемом теле одновременно и направлены в различные стороны. Поэтому нельзя говорить просто о структурах сжатия или растяжения. Всегда следует указывать ориентировку в земной коре соответствующих осей напряжений при формировании структурных форм.
В любой плоскости внутри эллипсоида деформаций, не совпадающей с плоскостями главных нормальных осей, напряжения разделяются на перпендикулярные к этой плоскости нормальные (о) и тангенциальные — или касательные (т) напряжения, направленные вдоль плоскости. В плоскостях, вдоль которых действуют главные нормальные напряжения, тангенциальные равны нулю. Наибольшими тангенциальные напряжения будут вдоль двух взаимно перпендикулярных плоскостей, расположенных под углом 45° к осям о1 и о3 (рис. 4.15).
Характер и ориентировка структур, возникающих в земной коре, в первую очередь, зависят от характера и ориентировки осей возникающего эллипсоида напряжений. При шарообразной поверхности напряжений (всестороннее сжатие или растяжение) структурные формы не образуются. Двухосный эллипсоид характеризует очень активное сжатие или растяжение и связанное с ними выжимание или нагнетание материала. Например, в таких механических условиях образуются диапировые структуры, происходит внедрение магмы и другие инъективные процессы. Трехосный эллипсоид напряжений характеризует наиболее частую ситуацию в земной коре и отвечает условиям формирования почти всех структур - разломов и складок. Характер и ориентировка этих структур зависят от ориентировки осей главных нормальных напряжений о1 о2 и о3.
По характеру и месту приложенных внешних сил все виды деформаций можно рассматривать как комбинации следующих простых видов: однородных - сжатие, растяжение и сдвиг (срез) и неоднородных - изгиб и кручение (рис. 4.16). Иногда деформации сжатия и растяжения считают одной и той же деформацией, только с разными знаками.
В геологии мы практически всегда имеем дело только с неоднородными деформациями, самой обычной из которых является изгиб, приводящий к образованию всех видов пликативных дислокаций в слоистой среде. Из неоднородности деформации следует, что в различных частях тела ориентировка и величины деформаций различны и результат анализа деформаций во многом зависит от того, с какой детальностью мы рассматриваем объект структурного исследования (рис. 4.17).
