Разрывные нарушения земли

Общие понятия. Paзрывными нарушениями называют такие тектонические структуры в массивах горных пород, которые характеризуются нарушением сплошности геологических тел и перемещением разобщенных частей друг относительно друга. Разрывные нарушения вызывают изменения в сформировавшемся ко времени их возникновения геологическом строении того или иного участка земной коры.

Особенно отчетливо это наблюдается при расчленении осадочных толщ разрывами на отдельные блоки и перемещении последних в разных направлениях. Нарушения сплошности массивов возникают тогда, когда рост тектонических напряжений приводит к превышению предела прочности пород и хрупкому их разрушению.

Образование разрывного нарушения начинается с возникновения трещины. С появлением трещины напряжения падают, но последующий их рост приводит к возникновению параллельной трещины или дополнительному развитию предыдущей.

Образование на одном и том же участке целого ряда приблизительно параллельных трещин вызывает формирование зоны сильной трещиноватости, по которой связь между расчленившимися частями массива ослабляется, а затем нарушается.

Под действием продолжающихся тектонических напряжений начинается медленное скольжение разделившихся частей массива (крыльев блоков) друг относительно друга, чередующееся со скачками и периодами покоя.

В геосинклинальных областях возникновение разрывов начинается параллельно с пластическими деформациями горных пород, которым подвергается толща, но особенно интенсивно продолжается после завершения основного этапа складчатости, т.е. после того, как дислоцированные породы уже не способны к дальнейшему образованию складок малого радиуса и по разрывам начинается их хрупкое разрушение с образованием раздробленных и перетертых продуктов.

Крупные разломы отражаются в рельефе земной поверхности, определяют положение горных хребтов, речных долин и др. В платформенных областях разрывные нарушения развиты менее интенсивно.

Классификации разрывных нарушений, тектонические структуры

Классифицируют разрывные нарушения по нескольким признакам: по размерам, по возрасту и времени действия, по морфологической характеристике.

По размерам — длине (l), мощности зоны дробления (b) и амплитуде перемещения (A) разрывные нарушения подразделяют на несколько порядков: от глубинных разломов, уходящих в мантию (l — сотни и тысячи км, b — сотни и тысячи м, A — несколько км) и разбивающих земную кору на литосферные плиты и структурно-тектонические блоки, до локальных (l — сотни м, b — десятки см, A — сантиметры и дециметры).

Незначительные разрывы сплошности — трещины — также подразделяют по крупности на несколько порядков. Трещиной называют разрыв сплошности породы без смещения или с очень маленьким смещением.

Возраст (время возникновения) разрывных нарушений датируют в соответствии с принятой в геологии геохронологической шкалой и устанавливают по смещениям пересекаемых пород, возраст которых определен. Известно значительное число разрывов, заложившихся еще в начале палеозоя или даже в протерозое, по которым тектонические движения протекают и в настоящее время. тектонические структуры

Но это не значит, что в течение всего времени существования разрыва по нему шло движение — перемещения по разломам идут преимущественно во время тектонической активности, периодически охватывающей тот или иной район. Знание времени прохождения складчатости также помогает в датировке разрывов, как и возраст интрузий, которые они пересекают.

Важным, в инженерно-геологическом отношении, является подразделение разрывных нарушений на активные (действующие), по которым движения происходят в настоящее время или они шли в недавнем прошлом (и, следовательно, могут возобновиться в ближайшем будущем и представлять опасность для людей и сооружений) и разломы, по которым тектоническая деятельность прекратилась, а продукты дробления сцементировались, что омонолитело разорванные блоки.

Активные разломы нередко хорошо выражены в современном рельефе в виде уступов, зияющих или частично заполненных обломочным материалом трещин.

Тектонические структуры

При разделении разрывных нарушений по морфологической характеристике взято два критерия: I) направление взаимного относительного перемещения расчлененных разрывом блоков пород (рис. 8.1) и 2) угол наклона поверхности перемещения.

По этим признакам выделяют пять основных типов разрывных структур: сбросы, взбросы, надвиги, сдвиги и раздвиги. Первые четыре типа характеризуются относительным перемещением блоков вдоль поверхности разрыва, пятый — перпендикулярно к ней.

Первые три типа объединяет общий признак — относительное перемещение блоков по падению поверхности сместителя (или в направлении, обратном падению — по восстанию). При сдвигах перемещение блоков происходит по простиранию поверхности разрыва.

При отклонении движения блоков от направления падение — восстание при сбросах и взбросах и от простирания разрыва при сдвигах более чем на 10° в каждую сторону, нарушения получают двойное название — сбросо-сдвиги или взбросо-сдвиги.

Рис. 8.1. Типы разрывных нарушений в зависимости от направления перемещения блоков (в центральной части рисунка на плоскости сместителя стрелками показано относительное перемещение висячего блока).

Основные типы разрывных нарушений

Сброс — представляет собой разрывное нарушение, у которого поверхность разрыва наклонена в сторону расположения опущенных пород (рис. 8.2-б). Раньше считалось, что при сбросе массы горных пород непременно перемещаются вниз по поверхности разрыва, отчего и произошло название этой структуры.

Действительно, такому движению легче осуществиться, так как помогает сила тяжести, но тем не менее такой характер перемещения не обязателен. Возможно, взаимное перемещение обеих разорванных частей друг относительно друга или даже движение только поднятой части вверх.

При осуществлении сбросового разрывного нарушения, обычно крутонаклонного, происходит растяжение земной коры. Скважины, пересекающие сброс, показывают выпадение некоторых слоев из общей последовательности напластования пород.

Предпосылкой для образования сброса обычно является трещина, возможна и флексура — при дальнейшем растяжении изгиба последней происходит нарушение сплошности и развивается сброс.

Рис. 8.2. Геологическое строение участка земной коры (разрез): до разрывных нарушений (а), после разрывных нарушений — сброса (б) и взброса (в). Строение зоны дробления (г)

Взбросом называют разрывную структуру, у которой поверхность разрыва наклонена в сторону расположения приподнятых пород (рис. 8.2-в). Считают, что при взбросе массы горных пород чаще перемещаются вверх по разрыву, но это не обязательно. Угол падения сместителя у взбросов более 30°. Взброс осуществляется при сжатии участка земной коры.

В результате возникновения этой структуры образуется перекрытие опущенного блока поднятым, а скважины, пересекающие взброс, обнаруживают повторение некоторых слоев.

Тектонические структуры

Надвигом называют разрывную структуру, по характеру движения подобную взбросу, но поверхность разрыва, по которой осуществляется передвижение, наклонена к горизонту менее 30°, причем в движении участвует только верхний поднятый блок (если подвижным оказывается нижний блок, такое движение называется поддвигом, осуществляется оно редко).

Образование надвигов связано со скалыванием, развивающимся при пластических деформациях слоистых толщ в условиях сильного сжатия. Нередко разрывы зарождаются в антиклинальных складках и при движении происходит надвигание антиклинали на соседнюю синклиналь (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Образование из антиклинальной складки (а) при дальнейших тектонических движениях надвига (б)

Надвиг с огромным перекрытием, обычно с очень пологой, но нередко волнистой поверхностью перемещения называют тектоническим покровом или шарьяжем. Крупные шарьяжи по нескольким поверхностям волочения с амплитудой перемещения до 40-50 км обнаружены в Альпах (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Шарьяж Гларус в Альпах

Разделенные разрывом части массива называют крыльями (блоками). В сбросах и взбросах (надвигах) различают поднятые и опущенные крылья по направлению их взаимного относительного перемещения по сместителю, а так же висячие — находящиеся над сместителем, и лежачие, располагающиеся под сместителем. тектонические структуры

Расстояние, на которое смещены крылья относительно друг друга называют амплитудой перемещения. Различают амплитуду по сместителю (1-2) рис. 8.2 — б, в), стратиграфическую (1-3) амплитуду, вертикальную (1-4) и горизонтальную (2-4) амплитуды. По отношению к смещенным пластам сбросы (взбросы) классифицируют на продольные, диагональные и поперечные (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Блок-диаграммы сбросов — после смещения и после денудации лежачего крыла: а) продольного напластованию пород, б) поперечного, в) диагонального

Изменение геологического строения на участках пересечения сбросом складок проиллюстрировано рис. 8.6

Рис. 8.6. Блок-диаграммы, показывающие изменения геологического строения на участках, пересечённых поперечными сбросами: а) антиклинали и б) синклинали — до нарушения, после нарушения и в результате денудации

Тектонические структуры

Классификация разрывных нарушений проводится по результирующей амплитуде перемещения, но в течение своей «жизни», тектонические движения по разрыву нередко происходили в разных направлениях.

Сдвигом называют разрывное нарушение с перемещением масс горных пород в направлении, близком к горизонтальному, по простиранию сместителя.

В зависимости от угла наклона сместителя сдвиги бывают горизонтальные (угол наклона от 0 до 10°), пологие (10-45°), крутые (45-80°) и вертикальные (80-90°), рис. 8.7, а по отношению к слоистым толщам — продольные, поперечные и диагональные. Амплитуда у продольных сдвигов одна — горизонтальная, а у диагональных и поперечных две — горизонтальная и стратиграфическая.

Особенно часто сдвиги развиваются вдоль ранее возникших крупных трещин и вызываются воздействием на массив горных пород противоположно направленных сил. Крупнейшим в земной коре и самым изученным сдвигом с громадной амплитудой перемещения является сдвиг Сан-Андреас в Калифорнии (США), протянувшийся на тысячу километров, с которым связаны гипоцентры землетрясений и современная ползучесть со скоростью 6-9 см/год и в виде срывов с амплитудой в несколько метров, происходящих несколько раз в столетие.

Рис. 8.7.Блок диаграммы сдвигов: а) вертикального, б) наклонного, в) горизонтального

Раздвигом называют смещение, при котором разорвавшиеся по трещине отрыва блоки двигаются в противоположные стороны перпендикулярно поверхности разрыва, создавая зияние между крыльями. Так как осуществляться такого рода движениям сложно — пустоты в земной коре нет, амплитуды перемещений невелики, измеряются метрами и десятками метров. Возникшая полость довольно быстро заполняется посторонним обломочным материалом и залечивается солями, приносимыми подземными водами.

Системы разрывных нарушений

Одиночные разрывные нарушения в толщах пород встречаются редко. Гораздо чаще, особенно в горно-складчатых областях, земная кора разорвана многочисленными нарушениями, группируя которые можно выделить определенные тектонические структуры.

Ступенчатые сбросы (взбросы) — системы параллельных или почти параллельных сбросов или взбросов, по которым произошли перемещения в одних и тех же направлениях. Структура напоминает лестницу, отсюда и название.

Чешуйчатый надвиг — многоэтажная тектоническая структура, возникающая при надвигании по более менее параллельным пологим поверхностям пластин с более старыми породами на более молодые.

Грабен — удлиненный опущенный блок земной коры, отделенный сбросами, реже взбросами (одиночными или ступенчатыми) от смежных, относительно приподнятых участков (рис.8.8-а). Часто причиной образования грабенов является возникновение растягивающих сил на сводах поднятий при их формировании. В результате денудации происходит выравнивание рельефа и в центральной части грабена оказываются более молодые породы, которые по разрывам граничат с более старыми.

Горст — поднятый по одиночным или ступенчатым разломам блок земной коры (рис. 8.8-б). Образуются горсты в периоды формирования сводово-глыбовых поднятий.

Рис. 8.8. Блок-диаграммы: а) грабена, б) горста

Грабены и горсты нередко протягиваются на сотни и тысячи километров, а суммарные амплитуды перемещений достигают сотен и тысяч метров. Молодые грабены и горсты хорошо выражены в рельефе, например, грабен озера Байкал.

Тектонические структуры

Самые крупные грабены на Земле находятся в Восточной Африке — протягиваются на шесть тысяч километров через систему Великих Африканских озер; с ними связана современная вулканическая деятельность. Приподнятые в недавнем геологическом прошлом горные массивы — горсты Вогезы (Франция) и Шварцвальд (Германия) разделены широким и глубоким грабеном с амплитудой смещения по сбросам более километра, к которому приурочена долина р. Рейна (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Схематический геологический разрез через Рейнский грабен

Строение зон дробления разрывных нарушений

Только самые мелкие тектонические разрывы выражены одной трещиной. При тектонических перемещениях блоков, обычно происходящих в условиях сильного сжатия, возникают выдержанные трещины скалывания более менее параллельные друг другу, по которым происходит скольжение отдельных пластин. Вдоль этих трещин при любом типе тектонического разрыва происходит разрушение породы в виде дробления и перетирания и формируется так называемая зона дробления.

Чем крупнее разрывное нарушение, больше амплитуда перемещения по нему, чем более долгоживущим нарушение является, тем больше мощность зоны дробления и сложнее ее внутреннее строение. Каждая новая подвижка вызывает образование новых трещин или обновление уже существующих и дополнительное дробление породы. В крупных разрывных нарушениях ширина зоны дробления достигает сотен и тысяч метров.

Зона дробления (рис.8.2-г) обычно состоит из продуктов дробления разной крупности. Наиболее грубыми продуктами дробления являются тектонические брекчии. Они состоят из вовлеченных в движение обломков материнской породы размером от сантиметров до многих метров, промежутки между которыми заполнены более мелкими. Продукты тектонического дробления до размеров крупности песка называют катаклазитом.

Со временем тектонические брекчии и катаклазиты цементируются приносимыми подземными водами солями кальция, оксидами железа и кремнистыми выделениями. Тонкоперетертые продукты зон дробления называют глинкой трения, если пылеватые и глинистые частицы, ее слагающие, находятся в пластичном состоянии, или милонитом, если произошла их цементация или даже частичная перекристаллизация. В пределах зоны дробления может находиться порода в состоянии сильной трещиноватости, но еще не подвергшаяся смещению — какирит.

За пределами зоны дробления в крыльях разломов в результате их деформации при тектонических движениях возникают так называемые трещины оперения, которые по механизму образования подразделяются на трещины скалывания и трещины отрыва. Трещины оперения делают породу, примыкающую к разрыву, повышенно трещиноватой и создают вдоль разлома с обеих сторон зоны влияния разрыва.

Изображение разрывных нарушений на геологических картах и разрезах

На геологической карте разрывные нарушения получают путем проектирования прослеженного на местности разрыва на горизонтальную плоскость и показывают линиями красного (иногда черного) цвета. Разрывное нарушение на геологической карте может быть обнаружено по перемещению пластов вдоль разлома, по повторению выходов пластов, по их исчезновению, по изменению простирания пород вдоль линии шарнирного сброса и др.

При вертикальном положении разрывного нарушения на изображение его на карте не влияет рельеф местности. В этом случае, если сместитель разрыва представляет собой плоскость, то на геологической карте разрывное нарушение изобразится прямой линией. Если сместитель представляет собой поверхность, то — даже при вертикальном её положении — на карте разрыв будет выглядеть в виде изогнутой линии.

При наклонном положении сместителя разрывное нарушение изобразится на геологической карте в виде прямой линии только при горизонтальном рельефе (и в случае, если оно представляет собой плоскость). При неровной дневной поверхности влияние рельефа на изображение на карте разрывного нарушения будет тем сильнее, чем более рельеф расчленен, а также зависит от соотношения наклонов дневной поверхности и падения разрыва.

Тектонические структуры

Изображение наклонного разрывного нарушения на геологической карте подобно изображению наклонного пласта, и поэтому справедливо все сказанное в разделе 7.2.2.2.

Для обозначения направления наклона и угла падения разрывных нарушений на геологической карте применяется такое же условное обозначение, как и для наклонных пластов. Длинная сторона этого знака прочерчивается параллельно простиранию разрывного нарушения в непосредственной близости от него, короткая — направлена в сторону падения.

Если условный знак не поставлен, установить направление падения разрывного нарушения может помочь рельеф местности — в общем случае нанесенный на карту разлом на участках понижений местности изгибается в сторону его падения. Однако надо иметь в виду, что горизонтали рельефа и знаки залеганий ставятся только на крупномасштабных и детальных картах.

Тектонические структуры

На геологических разрезах разрывные нарушения показывают также линиями красного цвета. Под истинным углом падения (замеренным в натуре) разрывное нарушение на разрезе будет показано только в случае ориентации линии разреза на карте перпендикулярно простиранию разрыва, в косых пересечениях и при разном вертикальном и горизонтальном масштабах разреза, так же как и для наклонных пластов, следует вводить поправки (см. раздел 7.2.2.2).

На геологических картах и разрезах показывают направление относительного перемещения крыльев по разрыву: на картах на поднятом крыле ставят знак «+», на опущенном «-«, на разрезах направление смещения крыльев показывают стрелками.

Рис. 8.10. Геологическая карта (а) и разрез (б) на участке сброса

Рассмотрим геологическую карту (рис. 8.10-а). На ней изображен участок земной коры, где распространены юрские породы, представленные всеми тремя отделами этой системы. Породы залегают наклонно, под углом 57° с падением по азимуту 250°, в нормальной стратиграфической последовательности (более молодые на более старых).

Толща юрских пород пересечена разрывным нарушением, падающим на ЮВ 110° под углом 75°, крылья разрыва смещены друг относительно друга. По линии I-II с северо-западной стороны разрыва выходят на поверхность породы нижней юры, с юго-восточной — средней юры.

Так как породы нижней юры старше, чем породы средней юры, они должны были залегать глубже, но породы обоих отделов залегают приблизительно на одних и тех же отметках, следовательно, северо-западное крыло разрыва, где выходят более старые породы J₁, приподнято, а юго-восточное крыло, где на поверхности более молодые породы J₂, — опущено.

Тектонические структуры

Если при анализе геологической карты остаются какие-то сомнения относительно направления перемещения крыльев разлома, полезно построить разрез (рис. 8.10-б). Особенно наглядно поднятое и опущенное крылья разрывного нарушения можно увидеть, если воспроизвести реконструкцию верхней части разреза, т.е. показать геологическое строение, которое существовало в прошлом, но было уничтожено денудацией.

Продлив на северо-западном крыле разрыва границу нижнеюрских пород со среднеюрскими в воздух до спроектированного положения разрыва (точка Iа), видим, что на этом крыле разрыва граница J₁-J₂ проходит выше, чем на юго-восточном крыле (поставим на этой границе у разрыва точку I), а до образования разрывного нарушения и движения по нему граница J₁-J₂ шла беспрепятственно (т.е. точки I и Iа представляли собой одну и ту же точку).В настоящее время расстояние I-Ia — это амплитуда перемещения по сместителю.

Для определения по геологической карте типа разрывного нарушения следует внимательно рассмотреть изменения в конфигурации пластов, произошедшие по разные стороны разрыва. На рис. 8.11 проиллюстрированы такие изменения на участках замыканий антиклинальной и синклинальной складок при пересечении их сбросом и сдвигом.

В случае пересечения замыкания антиклинальной складки сбросом (рис. 8.11-а-2) на опущенном блоке расстояние между одноименными пластами скачкообразно уменьшилось (некоторая полоса карты как бы вырезана). Это произошло потому, что в соприкосновение по разрыву приведены блоки, залегавшие до перемещения на разных глубинах.

Антиклинальная складка с глубиной расширяется — расстояния между одноименными пластами, залегающими на противоположных крыльях складки, увеличиваются, в связи с этим на опущенном блоке сброса антиклинальная складка будет более узкой, так как до перемещения по разрыву этот блок залегал гипсометрически выше и, наоборот, на приподнятом блоке сброса, залегавшем глубже, складка более широкая.

Тектонические структуры

На участке сброса, пересекающего замыкание синклинальной складки (рис. 8.11-б-2) на опушенном блоке к разрыву примыкает более широкая складка, чем на приподнятом (получается повторение некоторой полосы карты по длине складки), так как синклинальная складка с глубиной становится более узкой. При сдвигах конфигурации складок (и антиклинальной, и синклинальной), рис. 8.11-а-3, б-3 при перемещении блоков по простиранию разрыва не изменяются.

Рис. 8.11. Изображение на геологических картах антиклинальной (а) и синклинальной (б) складок на участках замыканий: 1 — до разрывных нарушений, 2 — при пересечении сбросом, 3 — при пересечении сдвигом

Возраст разрывных нарушений определяют исходя из возраста пересекаемых и покрывающих разрыв пород, сообразуясь с периодами складчатостей, которым подверглись те или иные регионы. В качестве примера рассмотрим рис. 8.12, на котором изображена моноклинально залегающая толща верхнепермских и нижне- и среднетриасовых пород, нарушенная взбросом.

На ней несогласно залегают отложения верхнего мела, перекрывающие взброс (т.е. взброс их не затрагивает). Разрывное нарушение, следовательно, могло произойти в промежуток времени Т₃ — К₁.

Тектонические структуры

Зная, например, что район подвергся киммерийской складчатости и наиболее ярко проявилась её фаза, протекавшая в конце триасовой — начале юрской эпохи, наиболее вероятно, что в позднюю эпоху триаса ещё существовал водоём и продолжалось осадконакопление, а в самом конце триаса — начале юры произошёл подъём земной коры, вызвавший изменения в залегании пород (они стали залегать наклонно) и возникли рассматриваемый разрыв и перемещение по нему образовавшихся крыльев.

Продолжая реконструкцию геологической истории, надо отметить, что в среднюю и позднюю эпохи юрского периода и в раннюю эпоху мелового периода участок, очевидно, существовал в континентальных условиях, подвергался денудации, в результате чего верхняя часть пермотриасовой толщи была уничтожена. В начале позднемеловой эпохи произошло опускание земной коры, снова возник водоём.

Дерибон