Структурная геология — это изучение трехмерного распределения горных пород относительно их деформационной истории. Основная цель структурной геологии — использовать измерения современной геометрии горных пород для получения информации об истории деформации ( деформации ) в горных породах и, в конечном счете, понять поле напряжений , которое привело к наблюдаемой деформации и геометрии. Это понимание динамики поля напряжений может быть связано с важными событиями в геологическом прошлом; общая цель — понять структурную эволюцию определенной области относительно регионально распространенных моделей деформации горных пород (например, горообразование , рифтогенез ) из-за тектоники плит .
Изучение геологических структур имело первостепенное значение в экономической геологии , как в нефтяной геологии, так и в горнодобывающей геологии . [1] Складчатые и разломные пласты горных пород обычно образуют ловушки, которые накапливают и концентрируют флюиды, такие как нефть и природный газ . Аналогичным образом, разломные и структурно сложные области известны как проницаемые зоны для гидротермальных жидкостей, что приводит к концентрированным областям месторождений руд цветных и драгоценных металлов . Жилы минералов, содержащих различные металлы, обычно занимают разломы и трещины в структурно сложных областях. Эти структурно разломные и разломные зоны часто встречаются в ассоциации с интрузивными магматическими породами . Они также часто встречаются вокруг геологических рифовых комплексов и особенностей обрушения, таких как древние карстовые воронки . Месторождения золота , серебра , меди , свинца , цинка и других металлов обычно расположены в структурно сложных областях.
Структурная геология является важнейшей частью инженерной геологии , которая занимается физическими и механическими свойствами природных пород. Структурные ткани и дефекты, такие как разломы, складки, расслоения и соединения, являются внутренними слабостями пород, которые могут повлиять на устойчивость созданных человеком сооружений, таких как плотины , дорожные выемки, открытые и подземные шахты или дорожные туннели .
Геотехнический риск, включая риск землетрясений , можно исследовать только путем изучения комбинации структурной геологии и геоморфологии . [2] Кроме того, области карстовых ландшафтов, которые находятся над пещерами, потенциальными провалами или другими обрушениями, имеют особое значение для этих ученых. Кроме того, области крутых склонов представляют потенциальную опасность обрушений или оползней.
Геологам-экологам и гидрогеологам необходимо применять принципы структурной геологии, чтобы понять, как геологические объекты влияют (или подвергаются влиянию) на поток и проникновение грунтовых вод . Например, гидрогеологу может потребоваться определить, происходит ли просачивание токсичных веществ из свалок в жилой зоне или просачивается ли соленая вода в водоносный горизонт .
Тектоника плит — это теория, разработанная в 1960-х годах, которая описывает движение континентов путем разделения и столкновения коровых плит. Это в некотором смысле структурная геология в масштабе планеты, и она используется во всей структурной геологии как основа для анализа и понимания глобальных, региональных и локальных особенностей. [3]
Структурные геологи используют различные методы, чтобы (во-первых) измерить геометрию горных пород, (во-вторых) реконструировать историю их деформаций и (в-третьих) оценить поле напряжений, которое привело к этой деформации.
Первичные наборы данных для структурной геологии собираются в полевых условиях. Структурные геологи измеряют различные планарные особенности ( плоскости напластования , плоскости фолиации , осевые плоскости складок, плоскости разломов и соединения) и линейные особенности (линейные структуры растяжения, в которых минералы пластично растянуты; оси складок; и линейные структуры пересечения, след планарной особенности на другой плоской поверхности).
Наклон плоскостной структуры в геологии измеряется по простиранию и падению . Простирание — это линия пересечения между плоскостным объектом и горизонтальной плоскостью, взятая в соответствии с правосторонним соглашением, а падение — это величина наклона, ниже горизонтали, под прямым углом к простиранию. Например: простирание 25 градусов к востоку от севера, падение 45 градусов к юго-востоку, записывается как N25E,45SE.
В качестве альтернативы можно использовать падение и направление падения, поскольку это является абсолютным. Направление падения измеряется в 360 градусах, как правило, по часовой стрелке от севера. Например, падение 45 градусов в направлении азимута 115 градусов записывается как 45/115. Обратите внимание, что это то же самое, что и выше.
Термин «гаде» используется иногда и обозначает отклонение плоскости от вертикали, т.е. (падение под углом 90°).
Погружение оси складки измеряется по падению и направлению падения (строго, погружение и азимут погружения). Ориентация осевой плоскости складки измеряется по простиранию и падению или падению и направлению падения.
Линейность измеряется по падению и направлению падения, если это возможно. Часто линейность проявляется на плоской поверхности и ее трудно измерить напрямую. В этом случае линейность может быть измерена от горизонтали как рейка или уклон на поверхности.
Наклон измеряется путем размещения транспортира на плоской поверхности с горизонтальной плоскостью и измерения угла линейки по часовой стрелке от горизонтали. Ориентация линейки затем может быть рассчитана на основе информации о наклоне и простирании-падении плоскости, от которой она была измерена, с использованием стереографической проекции .
Если разлом имеет линейные структуры, образованные движением по плоскости, например, зеркала скольжения , это регистрируется как линейная структура с граблями и аннотируется с указанием смещения по разлому.
Обычно проще регистрировать информацию о простирании и падении планарных структур в формате «падение/направление падения», поскольку он будет соответствовать всей другой структурной информации, которую вы можете регистрировать о складках, линейных структурах и т. д., хотя есть преимущество в использовании различных форматов, которые различают планарные и линейные данные.
При анализе структурной геологии принято выделять планарные структуры , часто называемые планарными тканями , поскольку они подразумевают текстурное образование, а также линейные структуры и на основе их анализа выявлять деформации .
Плоские структуры именуются в соответствии с порядком их формирования, с исходным осадочным расслоением, самым низким находящимся на S0. Часто невозможно идентифицировать S0 в сильно деформированных породах, поэтому нумерация может начинаться с произвольного числа или присваиваться букве (например, SA ) . В случаях, когда есть слоистость напластования, вызванная метаморфизмом захоронения или диагенезом, она может быть обозначена как S0a.
Если есть складки, они нумеруются как F 1 , F 2 и т. д. Обычно осевое плоскостное слоение или расщепление складки создается во время складывания, и соглашение о нумерации должно совпадать. Например, складка F 2 должна иметь осевое слоение S 2 .
Деформации нумеруются в соответствии с порядком их формирования, при этом буква D обозначает событие деформации. Например, D 1 , D 2 , D 3 . Складки и фолиации, поскольку они образованы событиями деформации, должны коррелировать с этими событиями. Например, складка F 2 с осевой плоскостью фолиации S 2 будет результатом деформации D 2 .
Метаморфические события могут охватывать несколько деформаций. Иногда бывает полезно идентифицировать их по аналогии со структурными особенностями, за которые они отвечают, например, M 2 . Это может быть возможно путем наблюдения за образованием порфиробластов в сколах известного возраста деформации, путем идентификации метаморфических минеральных ассоциаций, созданных различными событиями, или с помощью геохронологии .
Линейные пересечения в горных породах, поскольку они являются продуктом пересечения двух планарных структур, называются в соответствии с двумя планарными структурами, из которых они образованы. Например, линейная пересечения расщепления S 1 и напластования является линейным пересечением L 1-0 (также известным как линейная расщепление-напластование).
Линейность растяжения может быть трудно количественно оценить, особенно в сильно растянутых пластичных породах, где сохраняется минимальная информация о фолиации. Где это возможно, при корреляции с деформациями (поскольку немногие из них образуются в складках, а многие не связаны строго с плоскими фолиациями), их можно идентифицировать аналогично плоским поверхностям и складкам, например; L 1 , L 2 . Для удобства некоторые геологи предпочитают аннотировать их нижним индексом S, например L s1 , чтобы отличать их от линейности пересечения, хотя это, как правило, излишне.
Стереографическая проекция — это метод анализа характера и ориентации деформационных напряжений, литологических единиц и проникающих структур, при котором линейные и планарные характеристики (показания структурного простирания и падения, обычно снимаемые с помощью компасного клинометра ), проходящие через воображаемую сферу, наносятся на двумерную проекцию сетки, что облегчает более целостный анализ набора измерений. Stereonet [4], разработанный Ричардом У. Аллмендингером, широко используется в сообществе структурной геологии.
В широком смысле структурная геология — это изучение трехмерного взаимодействия и взаимоотношений стратиграфических единиц в пределах террейнов горных пород или геологических регионов.
Эта отрасль структурной геологии занимается в основном ориентацией, деформацией и отношениями стратиграфии (напластования), которые могли быть нарушены сбросами, складками или получили расслоение в результате тектонического события. Это в основном геометрическая наука, из которой могут быть получены поперечные сечения и трехмерные блочные модели горных пород, регионов, террейнов и частей земной коры.
Изучение региональной структуры важно для понимания орогенеза , тектоники плит и, в частности, в нефтегазовой и горнодобывающей промышленности , поскольку такие структуры, как разломы, складки и несогласия, являются основными регуляторами рудной минерализации и нефтяных ловушек.
Современная региональная структура исследуется с помощью сейсмической томографии и сейсмического отражения в трех измерениях, что обеспечивает непревзойденные изображения недр Земли, ее разломов и глубокой коры. Дополнительная информация из геофизики, такой как гравитация и аэромагнитные данные, может предоставить информацию о природе горных пород, которые, как показано, находятся в глубокой коре.
Микроструктура горных пород или текстура горных пород изучается структурными геологами в небольшом масштабе для получения подробной информации, в основном, о метаморфических породах и некоторых особенностях осадочных пород , чаще всего, если они были сложены.
Текстурное исследование включает измерение и характеристику фолиаций , зубчатости , метаморфических минералов и временных соотношений между этими структурными особенностями и минералогическими особенностями.
Обычно это включает сбор ручных образцов, которые могут быть разрезаны для получения петрографических тонких срезов, которые анализируются под петрографическим микроскопом .
Микроструктурный анализ находит применение также в многомасштабном статистическом анализе, направленном на анализ некоторых особенностей горных пород, показывающих масштабную инвариантность. [5]
Геологи используют измерения геометрии горных пород, чтобы понять историю деформации в горных породах. Деформация может принимать форму хрупкого разлома и пластичного складкообразования и сдвига. Хрупкая деформация происходит в неглубокой коре, а пластичная деформация происходит в более глубокой коре, где температуры и давления выше.
Понимая конститутивные отношения между напряжением и деформацией в горных породах, геологи могут перевести наблюдаемые закономерности деформации горных пород в поле напряжений в геологическом прошлом. Следующий список характеристик обычно используется для определения полей напряжений из деформационных структур.
Для экономической геологии, такой как добыча 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 с течением времени. Без моделирования или интерпретации недр геологи ограничены своими знаниями о поверхностном геологическом картировании. Если полагаться только на поверхностную геологию, можно упустить большой экономический потенциал, упустив из виду структурную и тектоническую историю области.
Механические свойства горных пород играют важную роль в структурах, которые формируются во время деформации глубоко под земной корой. Условия, в которых находится горная порода, приведут к различным структурам, которые геологи наблюдают над землей в полевых условиях. Область структурной геологии пытается связать формации, которые видят люди, с изменениями, через которые прошла горная порода, чтобы получить эту окончательную структуру. Знание условий деформации, которые приводят к таким структурам, может пролить свет на историю деформации горной породы.
Температура и давление играют огромную роль в деформации горных пород. В условиях экстремально высокой температуры и давления под земной корой горные породы пластичны . Они могут изгибаться, складываться или ломаться. Другими важными условиями, которые способствуют формированию структуры горных пород под землей, являются поля напряжений и деформаций.
Напряжение — это давление, определяемое как направленная сила по площади. Когда камень подвергается напряжению, он меняет форму. Когда напряжение снимается, камень может вернуться к своей первоначальной форме или нет. Это изменение формы количественно определяется деформацией, изменением длины по сравнению с первоначальной длиной материала в одном измерении. Напряжение вызывает деформацию, которая в конечном итоге приводит к изменению структуры.
Упругая деформация относится к обратимой деформации. Другими словами, когда напряжение в породе снимается, порода возвращается к своей первоначальной форме. Обратимая, линейная, эластичность включает растяжение, сжатие или искажение атомных связей. Поскольку разрыва связей не происходит, материал пружинит, когда сила снимается. Этот тип деформации моделируется с использованием линейной зависимости между напряжением и деформацией, т. е. зависимости Гука .
Где σ обозначает напряжение, обозначает деформацию, а E — модуль упругости , который зависит от материала. Модуль упругости, по сути, является мерой прочности атомных связей.
Пластическая деформация относится к необратимой деформации. Соотношение между напряжением и деформацией для постоянной деформации нелинейно. Напряжение вызвало постоянное изменение формы материала, вызвав разрыв связей.
Одним из механизмов пластической деформации является перемещение дислокаций под действием приложенного напряжения. Поскольку горные породы по сути являются агрегатами минералов, мы можем рассматривать их как поликристаллические материалы. Дислокации — это тип кристаллографического дефекта, который состоит из дополнительной или отсутствующей полуплоскости атомов в периодическом массиве атомов, составляющих кристаллическую решетку. Дислокации присутствуют во всех реальных кристаллографических материалах.
Твердость трудно поддается количественной оценке. Это мера сопротивления деформации, в частности постоянной деформации. Существует прецедент для твердости как качества поверхности, меры абразивности или сопротивления царапанию поверхности материала. Однако, если испытываемый материал однороден по составу и структуре, то поверхность материала имеет толщину всего в несколько атомных слоев, и измерения проводятся для объемного материала. Таким образом, простые измерения поверхности дают информацию о объемных свойствах. Способы измерения твердости включают:
Твердость при вдавливании часто используется в металлургии и материаловедении и может рассматриваться как сопротивление проникновению индентора.
Прочность лучше всего описывается сопротивлением материала растрескиванию. Во время пластической деформации материал поглощает энергию до тех пор, пока не произойдет разрушение. Площадь под кривой напряжение-деформация представляет собой работу, необходимую для разрушения материала. Модуль вязкости определяется как:
Где — предел прочности на растяжение, а — деформация при разрушении. Модуль — это максимальное количество энергии на единицу объема, которое материал может поглотить без разрушения. Из уравнения для модуля для большой прочности необходимы высокая прочность и высокая пластичность. Эти два свойства обычно являются взаимоисключающими. Хрупкие материалы имеют низкую прочность, потому что низкая пластическая деформация уменьшает деформацию (низкая пластичность). Способы измерения прочности включают: ударную машину Пейджа и испытание на удар по Шарпи .
Упругость — это мера упругой энергии, поглощаемой материалом под напряжением. Другими словами, внешняя работа, выполняемая над материалом во время деформации. Площадь под упругой частью кривой напряжение-деформация — это энергия деформации, поглощаемая на единицу объема. Модуль упругости определяется как:
где - предел текучести материала, а E - модуль упругости материала. Для повышения упругости необходимо увеличить предел текучести и уменьшить модуль упругости.
