Структурная геология - Structural geology

Первоначально горизонтальные пласты деформировались из-за напряжения

Структурная геология - это изучение трехмерного распределения горных пород в соответствии с их историей деформации . Основная цель структурной геологии - использовать измерения современной геометрии горных пород для получения информации об истории деформации ( деформации ) в горных породах и, в конечном итоге, для понимания поля напряжений, которое привело к наблюдаемой деформации и геометрии. Такое понимание динамики поля напряжений может быть связано с важными событиями в геологическом прошлом; Общая цель состоит в том, чтобы понять структурную эволюцию конкретной области относительно широко распространенных в регионе моделей деформации горных пород (например, горообразования , рифтинга ) из-за тектоники плит .

Использование и важность

Изучение геологических структур имеет первостепенное значение в экономической геологии , как в нефтяной геологии, так и в горной геологии . Складчатые и трещиноватые пласты горных пород обычно образуют ловушки, в которых накапливаются и концентрируются флюиды, такие как нефть и природный газ . Точно так же нарушенные и структурно сложные области примечательны как зоны проницаемости для гидротермальных флюидов, что приводит к концентрированным областям залежей руд цветных и драгоценных металлов . Жилы минералов, содержащих различные металлы, обычно занимают разломы и трещины в структурно сложных областях. Эти структурно трещиноватые и нарушенные зоны часто встречаются вместе с интрузивными магматическими породами . Они также часто встречаются вокруг геологических комплексов рифов и обрушений, таких как древние воронки . Месторождения золота , серебра , меди , свинца , цинка и других металлов обычно расположены в структурно сложных областях.

Структурная геология - важная часть инженерной геологии , которая занимается физическими и механическими свойствами природных горных пород. Структурные ткани и дефекты , такие как разломы, складки, слоение и суставы являются внутренними слабостями пород , которые могут повлиять на стабильность человека инженерных сооружений , такие как дамбы , порезы дорог, карьеры шахты и подземные шахты или дорожные туннели .

Геотехнический риск, включая риск землетрясения, можно исследовать только путем изучения сочетания структурной геологии и геоморфологии . Кроме того, особое значение для этих ученых имеют участки карстовых ландшафтов, расположенные на вершинах пещер, потенциальных воронок или других особенностей обрушения. Кроме того, участки с крутыми склонами представляют собой потенциальную опасность обрушения или оползня.

Геологам-экологам и гидрогеологам необходимо применять принципы структурной геологии, чтобы понять, как геологические участки влияют (или подвергаются влиянию) поток и проникновение грунтовых вод . Например, гидрогеологу может потребоваться определить, происходит ли просачивание токсичных веществ из свалок 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 местного масштаба.

Методы

Структурные геологи используют различные методы, чтобы (во-первых) измерить геометрию горных пород, (во-вторых) восстановить историю их деформации и (в-третьих) оценить поле напряжений, которое привело к этой деформации.

Геометрии

Первичные наборы данных для структурной геологии собираются в полевых условиях. Структурные геологи измерение различных плоских признаков ( напластования , слоение плоскостей , складываются осевые плоскости, плоскости разломов , и суставы), а также линейные функции (растяжения аномалий, в которых минералы ductilely Extended; оси складок, а также пересечение аномалии, след плоский элемент на другой плоской поверхности).

Иллюстрация соглашений об измерениях для плоских и линейных конструкций

Соглашения об измерениях

Наклон плоской структуры в геологии измеряется по простиранию и падению . Простирания - это линия пересечения между плоским элементом и горизонтальной плоскостью, взятая в соответствии с соглашением о правой руке, а уклон - это величина наклона ниже горизонтали под прямым углом к ​​простиранию. Например; простирается на 25 градусов к востоку от севера, наклоняется на 45 градусов к юго-востоку, записано как N25E, 45SE.
В качестве альтернативы можно использовать наклон и направление падения, поскольку оно является абсолютным. Направление падения измеряется на 360 градусов, обычно по часовой стрелке с севера. Например, угол наклона 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 обозначает отклонение плоскости от вертикали, т. Е. (Наклон 90 °).

Погружение оси изгиба измеряется в направлении падения и падения (строго, врезание и азимут врезания). Ориентация осевой плоскости складки измеряется по простиранию и падению или направлению падения и падения.

Если возможно, линии измеряются по наклону и направлению падения. Часто линии возникают на плоской поверхности, и их трудно измерить напрямую. В этом случае линия может быть измерена от горизонтали как грабли или наклон на поверхности.

Грабли измеряют, кладя транспортир на плоскую поверхность так, чтобы плоский край располагался горизонтально, и измеряя угол линейности по часовой стрелке от горизонтали. Затем ориентация линеаризации может быть рассчитана на основе информации о гребне и падении плоскости, в которой она была измерена, с использованием стереографической проекции .

Если у разлома есть линии, образованные движением на плоскости, например; slickensides , это записывается как линия с граблями и аннотируется с указанием броска при ошибке.

Как правило, проще записывать информацию о простирании и падении плоских структур в формате направления падения / падения, так как это будет соответствовать всей другой структурной информации, которую вы можете записывать о складках, линированиях и т. Д., Хотя есть преимущество использования различных форматов, которые различать плоские и линейные данные.

Условные обозначения плоскости, ткани, складки и деформации

Принятие анализа структурной геологии состоит в том, чтобы идентифицировать плоские структуры , часто называемые плоскими тканями, потому что это подразумевает текстурное образование, линейные структуры и, на основании анализа, распутанные деформации .

Плоские структуры названы в соответствии с порядком их образования, с самым низким исходным слоем осадочных пород на уровне S0. Часто невозможно идентифицировать S0 в сильно деформированных породах, поэтому нумерацию можно начинать с произвольного номера или давать букву (например, S _A ). В случаях, когда имеется слоистость плоскости напластования, вызванная метаморфизмом погребений или диагенезом, это может быть указано как S0a.

Если есть складки, они нумеруются как F ₁ , F ₂ и т. Д. Обычно расслоение в осевой плоскости или расщепление складки создается во время складывания, и условные обозначения должны совпадать. Например, складка F ₂ должна иметь аксиальное слоение S ₂ .

Деформации нумеруются в соответствии с порядком их образования буквой D, обозначающей событие деформации. Например, D ₁ , D ₂ , D ₃ . Складки и слоения, поскольку они образованы деформационными событиями, должны коррелировать с этими событиями. Например, складка F ₂ с слоением в осевой плоскости S ₂ будет результатом деформации D ₂ .

Метаморфические события могут охватывать несколько деформаций. Иногда полезно идентифицировать их аналогично структурным особенностям, за которые они несут ответственность, например; М ₂ . Это может быть возможно, наблюдая образование порфиробластов в трещинах известного возраста деформации, идентифицируя метаморфические минеральные ассоциации, созданные различными событиями, или с помощью геохронологии .

Линии пересечения в горных породах, поскольку они являются продуктом пересечения двух плоских структур, названы в соответствии с двумя плоскими структурами, из которых они образованы. Например, линия пересечения кливажа S ₁ и напластования является линией пересечения L _1-0 (также известной как линия расщепления-напластования).

Линии растяжения может быть трудно определить количественно, особенно в сильно растянутых пластичных породах, где сохраняется минимальная информация о слоистости. Там, где это возможно, при корреляции с деформациями (так как немногие образуются в складках, а многие не связаны строго с плоскими слоями), они могут быть идентифицированы как плоские поверхности и складки, например; L ₁ , L ₂ . Для удобства некоторые геологи предпочитают аннотировать их индексом S, например L _s1, чтобы отличить их от линий пересечения, хотя это обычно избыточно.

Стереографические проекции

Диаграмма , показывающая использование нижней полусфере стереографической проекции в структурной геологии , используя пример разлома плоскости и slickenside линейности наблюдается в плоскости разлома.

Стереографическая проекция - это метод анализа природы и ориентации деформационных напряжений, литологических единиц и проникающих тканей, в котором линейные и плоские элементы (показания структурного простирания и падения, обычно получаемые с помощью компасного клинометра ), проходящие через воображаемую сферу, наносятся на двухмерную диаграмму. проекция размерной сетки, облегчающая более целостный анализ набора измерений.

Макроструктуры горных пород

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

Эта ветвь структурной геологии имеет дело в основном с ориентацией, деформацией и взаимосвязями стратиграфии (слоистости), которые могли быть нарушены разломами, складчатыми или слоистыми 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.

Исследование региональной структуры имеет важное значение в понимании складчатости , тектонических плиты , и более конкретно в нефтяной, газовых и минеральных разведочных отраслях , как структуры , такие как разломы, складка и несогласия являются первичным управлением на рудной минерализации и нефтяные ловушках.

Современная региональная структура исследуется с помощью сейсмической томографии и сейсмических отражений в трех измерениях, что дает непревзойденные изображения недр Земли, ее разломов и глубинной коры. Дополнительная информация из геофизики, такая как гравитация и воздушные магнитные поля, может предоставить информацию о природе горных пород, которые, как представляется, находятся в глубокой земной коре.

Микроструктуры горных пород

Микроструктура или текстура горных пород изучаются геологами-структурными геологами в небольшом масштабе, чтобы предоставить подробную информацию в основном о метаморфических породах и некоторых особенностях осадочных пород , чаще всего в том случае, если они складчатые.
Текстурный исследование включает измерение и характеристику слоениями , crenulations , метаморфические минералы, и отношения синхронизации между этими структурными особенностями и минералогические особенности.
Обычно это включает в себя сбор образцов вручную, которые могут быть разрезаны для получения петрографических шлифов, которые анализируются под петрографическим микроскопом .
Микроструктурный анализ находит применение также в многомасштабном статистическом анализе, направленном на анализ некоторых особенностей горных пород, показывающих масштабную инвариантность.

Кинематика

Геологи используют измерения геометрии горных пород, чтобы понять историю деформации горных пород. Деформация может принимать форму хрупкого разлома, пластичного складывания и сдвига. Хрупкая деформация происходит в мелкой коре, а пластическая деформация - в более глубокой коре, где температура и давление выше.

Поля напряжений

Понимая основополагающие отношения 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 идеально хрупких породах разломы возникают под углом 30 ° к наибольшему напряжению сжатия. (Закон Байерли)
• Наибольшее сжимающее напряжение перпендикулярно осевым плоскостям складки.

Характеристика механических свойств горных пород

Механические свойства горных пород играют жизненно важную роль в структурах, которые образуются во время деформации глубоко под земной корой. Условия, в которых присутствует горная 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 горные породы прошли, чтобы добраться до этой окончательной структуры. Знание условий деформации, которые приводят к таким структурам, может пролить свет на историю деформации породы.

Температура и давление играют огромную роль в деформации породы. В условиях земной коры с экстремально высокими температурами и давлением породы пластичны. Они могут гнуться, складываться или ломаться. Другими жизненно важными условиями, которые способствуют формированию структуры породы под землей, являются поля напряжений и деформаций.

Кривая напряжение-деформация

Напряжение - это давление, определяемое как направленная сила по площади. Когда порода подвергается нагрузкам, она меняет форму. Когда напряжение снимается, горная порода может или не может вернуться к своей первоначальной форме. Это изменение формы количественно выражается деформацией, изменением длины по сравнению с исходной длиной материала в одном измерении. Напряжение вызывает деформацию, которая в конечном итоге приводит к изменению структуры.

Под упругой деформацией понимается обратимая деформация. Другими словами, когда напряжение в скале снимается, она возвращается к своей первоначальной форме. Обратимая, линейная эластичность включает растяжение, сжатие или искажение атомных связей. Поскольку нет разрыва связей, материал возвращается в исходное положение при снятии силы. Этот тип деформации моделируется с использованием линейной зависимости между напряжением и деформацией, то есть зависимости Гука.

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

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

Пластическая деформация относится к необратимой деформации. Связь между напряжением и деформацией при остаточной деформации нелинейна. Напряжение вызвало необратимое изменение формы материала из-за разрыва связей.

Один из механизмов пластической деформации - это движение дислокаций под действием приложенного напряжения. Поскольку горные породы по сути представляют собой совокупность минералов, мы можем рассматривать их как поликристаллические материалы. 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 сопротивления деформации, особенно остаточной деформации. Существуют прецеденты твердости как качества поверхности, меры абразивности или устойчивости материала к царапинам. Однако, если тестируемый материал однороден по составу и структуре, тогда толщина поверхности материала составляет всего несколько атомных слоев, и измерения относятся к объемному материалу. Таким образом, простые измерения поверхности дают информацию об объемных свойствах. Способы измерения твердости включают:

Твердость при вдавливании часто используется в металлургии и материаловедении и может рассматриваться как сопротивление проникновению индентора.

Стойкость

Вязкость лучше всего можно описать по сопротивлению материала растрескиванию. Во время пластической деформации материал поглощает энергию до тех пор, пока не произойдет разрушение. Площадь под кривой "напряжение-деформация" - это работа, необходимая для разрушения материала. Модуль ударной вязкости определяется как:

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

Где - предел прочности на разрыв, а - деформация при разрушении. Модуль - это максимальное количество энергии на единицу объема, которое материал может поглотить без разрушения. Из уравнения для модуля для большой вязкости необходимы высокая прочность и высокая пластичность. Эти два свойства обычно исключают друг друга. Хрупкие материалы имеют низкую вязкость, поскольку низкая пластическая деформация снижает деформацию (низкая пластичность). Способы измерения ударной вязкости включают: ударная машина по Пейджу и испытание на удар по Шарпи.${\ displaystyle \ sigma _ {UTS}}$${\ displaystyle \ epsilon _ {f}}$

Устойчивость

Гибкость - это мера упругой энергии, поглощаемой материалом при нагрузке. Другими словами, внешняя работа, выполняемая над материалом при деформации. Площадь под упругим участком кривой зависимости напряжения от деформации - это энергия деформации, поглощенная на единицу объема. Модуль упругости определяется как:

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

где - предел текучести материала, а E - модуль упругости материала. Для повышения упругости требуется повышенный предел упругости и пониженный модуль упругости. ${\ displaystyle \ sigma _ {y}}$

Смотрите также

Рекомендации