Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Structural Geology )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Первоначально горизонтальные пласты деформировались под действием напряжения.

Структурная геология - это изучение трехмерного распределения горных пород с учетом 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 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 - понять структурную эволюцию конкретной области относительно широко распространенных в регионе моделей деформации горных пород (например, горообразование , рифтинг) за счет тектоники плит .

Использование и важность [ править ]

Изучение геологических структур имеет первостепенное значение в экономической геологии , как в нефтяной геологии, так и в горной геологии . [1] 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, в результате чего концентрируются области руды цветных и драгоценных металлов.депозиты. 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 . [2] Кроме того, особое значение для этих ученых имеют области карстовых ландшафтов, которые расположены 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) на 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. [3]

Методы [ править ]

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.

Геометрия [ править ]

Наборы первичных данных для структурной геологии собираются на месте. 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 [ править ]

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 падение - 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, врезания и азимута погружения). Ориентация осевой плоскости складки измеряется по простиранию и падению или направлению падения и падению.

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 ориентацию линеаризации можно рассчитать 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, легче 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 [ править ]

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 основе 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 начать с произвольного числа или присвоить букву (например, S A ). В тех 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 расслоением на 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 - это линия пересечения L 1-0 (также известная 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 s 1, чтобы отличить их от линий пересечения, хотя это обычно избыточно.

Стереографические проекции [ править ]

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 снимаемые с помощью компасного клинометра ), проходящие через воображаемую сферу, наносятся на двухмерную диаграмму. проекция размерной сетки, облегчающая более целостный анализ набора измерений.

Макроструктуры горных пород [ править ]

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-то 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 использованием сейсмической томографии и сейсмических отражений в трех измерениях, что позволяет получить 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 коре.

Микроструктуры горных пород [ править ]

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.
Текстурное исследование включает в себя измерение и характеристику слоистости , зубцов , метаморфических минералов, а также временные отношения между этими структурными особенностями и минералогическими особенностями.
Обычно это включает в себя сбор образцов от руки, которые можно разрезать 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. [4]

Кинематика [ править ]

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 напряжения [ править ]

Понимая основную взаимосвязь между напряжением и деформацией в горных породах, геологи могут преобразовать 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 нормально к осевым плоскостям складки.

Характеристика механических свойств горных пород [ править ]

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 образованию таких структур, 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 являются пластичными. Они могут гнуться, складываться или ломаться. Другими жизненно важными условиями, которые способствуют формированию структуры породы под землей, являются поля напряжений и деформаций.

Кривая напряжения-деформации [ править ]

Напряжение - это давление, определяемое как направленная сила по площади. Когда скала подвергается нагрузкам, она меняет форму. Когда напряжение снимается, скала может вернуться или не 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.

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

Под пластической деформацией понимается необратимая деформация. 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 [ править ]

Твердость сложно 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:

  • Шкала Мооса
  • Тест на истирание по Дорри
  • Тест на истирание Deval
  • Твердость вдавливания

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

Стойкость [ править ]

Вязкость лучше всего описывается сопротивлением материала растрескиванию. Во время пластической деформации материал поглощает энергию, пока не произойдет разрушение. Площадь под кривой напряжения-деформации - это работа, необходимая для разрушения материала. Модуль ударной вязкости определяется как:

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 Page и испытание на удар по Шарпи.

Устойчивость [ править ]

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

где - предел текучести материала, а E - модуль упругости материала. Для повышения упругости требуется повышенный предел упругости и пониженный модуль упругости.

См. Также [ править ]

  • Кренуляция
  • Список каменных текстур
  • Восстановление раздела
  • Стереографическая проекция
  • Тектонофизика
  • Вергенция (геология)
  • Гидрогеология

Ссылки [ править ]

  1. ^ Рассел, Уильям L (1955). «1. Введение» . Структурная геология для геологов-нефтяников . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. п. 1.
  2. ^ «Тектоника плит и люди» . USGS .
  3. ^ Livaccari, Ричард Ф .; Берк, Кевин; Scedilengör, AMC (1981). «Была ли орогения ларамидов связана с субдукцией океанического плато?». Природа . 289 (5795): 276–278. Bibcode : 1981Natur.289..276L . DOI : 10.1038 / 289276a0 . S2CID 27153755 . 
  4. ^ В. Герриеро; и другие. (2011). «Улучшенный многомасштабный статистический анализ трещин в аналогах карбонатных коллекторов». Тектонофизика . Эльзевир . 504 : 14–24. Bibcode : 2011Tectp.504 ... 14G . DOI : 10.1016 / j.tecto.2011.01.003 .В. Герриеро; и другие. (2009). «Количественная оценка неопределенностей в многомасштабных исследованиях аналогов трещиноватых коллекторов: реализован статистический анализ данных линии сканирования карбонатных пород». Журнал структурной геологии . Эльзевир . 32 (9): 1271–1278. Bibcode : 2010JSG .... 32.1271G . DOI : 10.1016 / j.jsg.2009.04.016 .
  • М. Кинг Хабберт (1972). Структурная геология . Издательство Hafner.
  • Г. Х. Дэвис и С. Дж. Рейнольдс (1996). Структурная геология горных пород и регионов (2-е изд.). Вайли . ISBN 0-471-52621-5.
  • CW Passchier и RAJ Trouw (1998). Микротектоника . Берлин: Springer . ISBN 3-540-58713-6.
  • Б.А. ван дер Плюйм и С. Маршак (2004). Строение Земли - Введение в структурную геологию и тектонику (2-е изд.). Нью-Йорк: У. В. Нортон . п. 656. ISBN. 0-393-92467-X.
  • Д. У. Дир и Р. П. Миллер (1966). Инженерная классификация и индексные свойства неповрежденной породы . Технический отчет № AFWL-TR-65-116 Лаборатория вооружений ВВС.