Сустав — это разлом ( перелом ) естественного происхождения в слое или теле породы , в котором отсутствует видимое или измеримое движение , параллельное поверхности (плоскости) разлома («Разрушение режима 1»). Хотя суставы могут встречаться по отдельности, чаще всего они представляют собой группы суставов и системы. Набор суставов — это семейство параллельных, равномерно расположенных суставов, которые можно идентифицировать путем картирования и анализа их ориентации, расстояния и физических свойств. Система суставов состоит из двух или более пересекающихся наборов суставов. [1] [2] [3]
Различие между стыками и разломами зависит от понятий «видимый » или «измеримый», а разница зависит от масштаба наблюдения. Разломы отличаются от суставов тем, что они демонстрируют видимое или измеримое латеральное перемещение между противоположными поверхностями разлома («Разломы режима 2» и «режима 3»). Таким образом, соединение может быть создано либо строгим перемещением слоя или тела породы перпендикулярно трещине, либо путем латерального смещения различной степени параллельно поверхности (плоскости) трещины, остающейся «невидимой» в масштабе наблюдения. [1] [2] [3]
Трещины являются одними из наиболее универсальных геологических структур, встречающихся почти во всех обнажениях горных пород. Они сильно различаются по внешнему виду, размерам и расположению и встречаются в совершенно разных тектонических условиях. Часто конкретное происхождение напряжений, создавших определенные соединения и связанные с ними группы соединений, может быть весьма неоднозначным, неясным, а иногда и спорным. Наиболее заметные трещины встречаются в наиболее хорошо консолидированных, литифицированных и высококомпетентных породах, таких как песчаник , известняк , кварцит и гранит . Швы могут представлять собой открытые переломы или заполняться различными материалами. Трещины, заполненные осажденными минералами , называются жилами , а трещины, заполненные затвердевшей магмой , — дайками . [1] [2]
Соединения возникают в результате хрупкого разрушения горной породы или слоя из-за растягивающего напряжения . Этот стресс может быть наложен извне; например, растяжением слоев, повышением давления поровой жидкости или усадкой, вызванной охлаждением или высыханием тела или слоя горной породы, внешние границы которого остались неизменными. [1] [2]
Когда растягивающие напряжения растягивают тело или слой породы так, что его предел прочности на растяжение превышается, он разрушается. Когда это происходит, горная порода разрушается в плоскости, параллельной максимальному главному напряжению и перпендикулярной минимальному главному напряжению (направлению, в котором растягивается горная порода). Это приводит к развитию единого субпараллельного суставного комплекса. Продолжающаяся деформация может привести к развитию одного или нескольких дополнительных суставов. Наличие первого набора сильно влияет на ориентацию напряжений в слое породы, часто приводя к тому, что последующие наборы формируются под большим углом, часто 90 °, к первому набору. [1] [2]
Суставы классифицируются по их геометрии или по процессам, которые их сформировали. [1] [2] [4]
Геометрия трещин относится к ориентации трещин, которая либо нанесена на стереосети и роз-диаграммы , либо наблюдается на обнажениях горных пород. С точки зрения геометрии различают три основных типа швов: несистематические швы, систематические швы и столбчатые швы . [2] [4]
Несистематические суставы — это суставы, которые настолько неправильны по форме, расстоянию и ориентации, что их невозможно легко сгруппировать в отдельные сквозные группы суставов. [2] [4]
Систематические суставы — это плоские, параллельные суставы, которые можно проследить на некотором расстоянии и которые встречаются на регулярно, равномерно расположенных расстояниях порядка сантиметров, метров, десятков или даже сотен метров. В результате они представляют собой семейства суставов, образующие узнаваемые наборы суставов. Обычно обнажения или обнажения на определенной территории или регионе исследования содержат два или более набора систематических трещин, каждый со своими отличительными свойствами, такими как ориентация и расстояние между ними, которые пересекаются, образуя четко определенные системы трещин. [2] [4]
В зависимости от угла, под которым наборы систематических суставов пересекаются, образуя систему суставов, систематические суставы можно разделить на сопряженные и ортогональные наборы суставов. Углы, под которыми обычно пересекаются наборы соединений внутри системы соединений, геологи-строители называют двугранными углами. Когда двугранные углы внутри системы соединений составляют около 90 °, группы соединений называются ортогональными группами соединений . Когда двугранные углы внутри системы соединений составляют от 30 до 60°, группы соединений называются сопряженными группами соединений . [2] [4]
В регионах, подвергшихся тектоническим деформациям, систематические трещины обычно связаны либо со слоистыми, либо слоистыми толщами, сложенными в антиклинали и синклинали . Такие соединения можно классифицировать в соответствии с их ориентацией относительно осевых плоскостей складок, поскольку они часто формируются по предсказуемой схеме относительно шарнирных направлений складчатых слоев. По ориентации к осевым плоскостям и осям складок различают типы систематических трещин:
Столбчатое соединение — это особый тип соединений, которые соединяются в тройных стыках под углом 120 ° или около него. Эти соединения раскалывают тело породы на длинные призмы или колонны. Обычно такие колонны имеют шестиугольную форму, хотя относительно распространены 3-, 4-, 5- и 7-гранные колонны. Диаметр этих призматических колонн колеблется от нескольких сантиметров до нескольких метров. Они часто ориентированы перпендикулярно либо верхней поверхности и основанию лавовых потоков, либо контакту таблитчатых магматических тел с окружающей породой. Этот тип трещиноватости характерен для мощных лавовых потоков и неглубоких даек и силлов. [5] Столбчатое соединение также известно как столбчатая структура , призматическое соединение или призматическое соединение . [6] Редкие случаи столбчатой трещиноватости также были зарегистрированы в осадочных слоях. [7]
Суставы можно классифицировать по их происхождению: тектоника, гидравлика, отслаивание, разгрузка (высвобождение) и охлаждение. Разные авторы выдвинули противоречивые гипотезы для одних и тех же наборов и типов суставов. Причем трещины в одном и том же обнажении могут образовываться в разное время и при разных обстоятельствах.
Тектоническими швами называют швы, образующиеся при относительном смещении стенок шва перпендикулярно его плоскости в результате хрупкой деформации коренных пород в ответ на региональную или локальную тектоническую деформацию коренных пород. Такие трещины образуются, когда направленное тектоническое напряжение вызывает превышение предела прочности коренных пород в результате растяжения слоев горных пород в условиях повышенного давления поровой жидкости и направленного тектонического напряжения. Тектонические швы часто отражают локальные тектонические напряжения, связанные с местными складчатостями и разломами. Тектонические трещины встречаются как несистематические, так и систематические, включая ортогональные и сопряженные трещины. [2] [4] [8]
Гидравлические соединения образуются, когда давление поровой жидкости повышается в результате вертикальной гравитационной нагрузки. Проще говоря, накопление отложений, вулканического или другого материала вызывает увеличение порового давления грунтовых вод и других жидкостей в подстилающей породе, когда они не могут двигаться ни в латеральном, ни в вертикальном направлении в ответ на это давление. Это также вызывает увеличение порового давления в ранее существовавших трещинах, что увеличивает растягивающее напряжение в них перпендикулярно минимальному главному напряжению (направлению, в котором растягивается порода). Если растягивающее напряжение превышает величину наименьшего главного сжимающего напряжения, порода становится хрупкой, и эти трещины распространяются в процессе, называемом гидравлическим разрывом . Гидравлические соединения встречаются как несистематические, так и систематические, включая ортогональные и сопряженные соединения. В ряде случаев трещины могут представлять собой тектонико-гидравлический гибрид. [2] [4] [8]
Отслаивающиеся трещины представляют собой наборы плоских, изогнутых и крупных трещин, которые ограничены массивно обнаженными скалами в глубоко эродированном ландшафте. Расслаивающаяся трещиноватость состоит из веерных трещин размером от нескольких метров до десятков метров, расположенных субпараллельно рельефу. Вертикальная гравитационная нагрузка массы коренной породы размером с гору вызывает продольное раскалывание и выпучивание наружу в сторону свободного воздуха. Кроме того, палеонапряжение, запечатленное в граните до того, как гранит был эксгумирован в результате эрозии и освобождено в результате эксгумации и прорезания каньонов, также является движущей силой фактического растрескивания. [2] [9]
Разгрузочные или разгрузочные швы возникают у поверхности, когда залегающие осадочные породы приближаются к поверхности во время поднятия и эрозии; когда они остывают, они сжимаются и эластично расслабляются. Возникает напряжение, которое в конечном итоге превышает предел прочности основной породы и приводит к образованию трещин. В случае разгрузочных швов сжимающие напряжения снимаются либо вдоль ранее существовавших структурных элементов (например, спайности), либо перпендикулярно прежнему направлению тектонического сжатия. [2] [4] [8]
Охлаждающие швы - это столбчатые швы, которые возникают в результате охлаждения либо лавы с обнаженной поверхности лавового озера, либо паводкового базальтового потока, либо стенок таблитчатой магматической, обычно базальтовой, интрузии. Они имеют структуру соединений, которые соединяются в тройных стыках под углом 120 ° или около него. Они разделяют тело скалы на длинные призмы или колонны, которые обычно имеют шестиугольную форму, хотя относительно распространены 3-, 4-, 5- и 7-гранные колонны. Они образуются в результате фронта остывания, который движется от какой-либо поверхности, будь то обнаженная поверхность лавового озера или паводкового базальтового потока, или борта таблитчатого магматического внедрения либо в лаву озера, либо в лавовый поток, либо в магму дайки, либо в подоконник. [10] [11]
Распространение суставов можно изучать с помощью методов фрактографии , в которых характерные метки, такие как перья и перистые структуры, используются для определения направлений распространения и, в некоторых случаях, ориентации главных напряжений. [12] [13]
Некоторые трещины, которые выглядят как суставы, на самом деле являются трещинами сдвига, которые по сути являются микроразломами. Они образуются не в результате перпендикулярного раскрытия трещины вследствие растягивающего напряжения, а в результате сдвига трещин, вызывающего боковое перемещение граней. Сдвиговые трещины можно спутать с суставами, поскольку латеральное смещение поверхностей трещин не видно ни в обнажении, ни в образце. Из-за отсутствия диагностического орнамента или отсутствия какого-либо заметного движения или смещения их можно не отличить от суставов. Такие переломы возникают плоскопараллельными наборами под углом 60 градусов и могут иметь тот же размер и масштаб, что и суставы. В результате некоторые «сопряженные суставы» на самом деле могут представлять собой сдвиговые переломы. Сдвиговые переломы отличаются от суставов наличием сторон скольжения — продуктов сдвигового движения, параллельных поверхности перелома. Стороны скольжения представляют собой мелкомасштабные, тонкие линии гребней в канавках на поверхности изломов. [2]
Соединения важны не только для понимания местной и региональной геологии и геоморфологии , но также для разработки природных ресурсов, безопасного проектирования сооружений и защиты окружающей среды. Соединения имеют глубокий контроль над выветриванием и эрозией коренных пород. В результате они оказывают сильный контроль над развитием топографии и морфологии ландшафтов. Понимание местного и регионального распределения, физического характера и происхождения трещин является важной частью понимания геологии и геоморфологии территории. Соединения часто придают коренной породе хорошо развитую проницаемость, вызванную трещинами. В результате трещины сильно влияют и даже контролируют естественную циркуляцию ( гидрогеологию ) жидкостей, например, грунтовых вод и загрязняющих веществ в водоносных горизонтах , нефти в резервуарах и гидротермальную циркуляцию на глубине, в коренных породах. [14] Таким образом, суставы важны для экономичной и безопасной разработки нефтяных, гидротермальных и подземных вод и являются предметом интенсивных исследований, касающихся этих ресурсов. Региональные и местные системы суставов осуществляют сильный контроль над тем, как рудообразующие гидротермальные жидкости (состоящие в основном из H 2 O , CO 2 и NaCl, которые образовали большую часть рудных месторождений Земли ) циркулируют в ее коре. В результате понимание их генезиса, строения, хронологии и распространения является важной частью поиска и прибыльной разработки рудных месторождений. Наконец, стыки часто образуют разрывы , которые могут иметь большое влияние на механическое поведение (прочность, деформацию и т. д.) грунта и горных пород, например, при строительстве туннелей , фундаментов или откосов . В результате швы являются важной частью инженерно-геологической практики на практике и в исследованиях. [2] [4] [13]
