Структурная геология

Структуры складчатых областей

Складки и их элементы

Общепринятое определение складок отсутствует. Вот примеры некоторых определений: «…волнообразные изгибы слоев горных пород, слагающих земную кору, образующиеся под действием тектонических сил» (БСЭ, т. 39); «…структурные формы земной коры любых порядков, как глубинные, так и приповерхностные, ограниченные плавными контурами» (Геологический словарь, 1973); «…волнообразные изгибы в слоистых толщах, образующиеся при пластических деформациях горных пород» (Г.И. Сократов, 1972).

Различают синклинальные и антиклинальные складки (рис.1). У синклиналей центральная часть сложена наиболее молодыми породами, изгиб слоев обычно (но не всегда) обращен выпуклостью вниз. У антиклиналей центральная часть сложена наиболее древними породами, изгиб слоев обычно (но не всегда) обращен выпуклостью вверх.

Элементы складчатой структуры

При описании складок обычно выделяют следующие их элементы (рис. 1):

ядро – породы, слагающие центральную часть складки;

замок – часть складки в месте перегиба слоев (в плане - замыкание - Зм);

крылья – части складок, примыкающие к замку;

угол складки – угол, образованный линиями, являющимися продолжением крыльев;

осевая поверхность – поверхность, проходящая через точки перегиба слоев;

осевая линия – линия пересечения ОП с земной поверхностью;

ось – линия пересечения ОП с вертикальной плоскостью, поперечной к ней;

шарнир – линия пересечения ОП с поверхностью одного из слоев.

Положение шарнира определяется азимутом погружения (воздымания) и углом погружения (воздымания).

Зависимость изображения складки на карте от положения шарнира

Горизонтальный шарнир

Рис. 2. Складки с горизонтальным шарниром.
При горизонтальном шарнире крылья складки в плане параллельны,
а ядро складки на всем протяжении сложено породами одного возраста.

Наклонный шарнир

При наклонном положении шарнира на карте наблюдается косое сечение складки. Крылья складки сближаются и смыкаются, образуя замыкание (косой срез замка) (рис. 3). На замыкании синклинальной складки падения пород направлены к центру, такое замыкание называется центриклинальным (или просто центриклиналью) (рис.4). На замыкании антиклинальной складки падения направлены к периферии. Такое замыкание называется периклинальным (или просто периклиналью) (рис.5).

Ундуляция шарнира.

Шарнир складки может также волнообразно изгибаться, поочередно погружаясь и воздымаясь (рис. 6). Такое поведение шарнира называется ундуляцией, а сам шарнир – ундулирующим (от лат.: undulatio – образование небольших волн). При ундуляции шарнира на карте наблюдается поочередное сближение и расхождение крыльев складки, а в ядре обнажаются поочередно то более древние, то более молодые породы, образуя замкнутые контуры. При этом изображения антиклиналей и синклиналей похожи, однако замкнутые контуры в ядрах синклиналей соответствуют участкам максимального погружения (рис.7), а в ядрах антиклиналей - участкам максимального воздымания шарнира (рис. 8).

Замыкания складок выглядят на карте по-разному в зависимости от того, насколько круто погружаются их шарниры. При крутом погружении шарнира видимые мощности слоев на замыкании и на крыльях различаются незначительно (рис. 9). При пологом погружении шарнира видимые мощности слоев на замыкании значительно больше, чем на крыльях (рис. 10).

Использование угла погружения шарнира при построении разреза

При построении разрезов по картам со складчатой структурой необходимо учитывать угол погружения шарнира, чтобы правильно (на нужной глубине) изобразить замок складки (рис. 11). Для этого можно воспользоваться вспомогательными разрезами вдоль осевых линий складок. На приведенном рисунке три таких разреза (по линиям I-I, II-II, III-III) совмещены в проекции на одну вертикальную плоскость; α – угол погружения шарнира; h₁, h₂, h₃ – глубины от поверхности до замков складок.
На разрезе вкрест простирания (по линии АБ) проводят оси складок и откладывают на них отрезки h₁, h₂, h₃, соответственно. Через нижние концы этих отрезков и пройдет граница слоев, образующих замок складки. При этом исходят из предположения, что угол погружения шарнира не меняется. При ундуляции шарнира этот способ имеет ограниченное применение (если линия разреза проходит вблизи замыкания складки).

Морфологическая классификация складок

При морфологической классификации складки разделяются по форме. В основу разделения могут быть заложены различные особенности формы.

I. По углу складки подразделяют на острые, или остроугольные (угол складки меньше 90°) и тупые, или тупоугольные (угол складки больше 90°). Острые складки называют также сжатыми, а тупые – открытыми.

Определить угол складки по карте можно, сложив величины углов падения ее крыльев: у остроугольной складки сумма углов падения на крыльях больше 90°, а у тупоугольной – меньше.

II. По степени симметрии (по положению осевой поверхности) выделяются складки:

А. Симметричные (прямые).

Осевая поверхность у таких складок вертикальна, углы падения на крыльях одинаковы (рис. 14). На карте такие складки выглядят симметричными относительно осевой линии, то есть видимые мощности одновозрастных слоев на крыльях приблизительно одинаковы (рис. 15).

Б. Асимметричные.

У асимметричных складок осевая поверхность наклонная или горизонтальная, углы падения на крыльях разные (могут быть и одинаковыми – при опрокинутом залегании одного из крыльев). Среди асимметричных складок различают:

а) наклонные – осевая поверхность наклонная, крылья падают в противоположные стороны под разными углами (рис. 16). На карте такие складки асимметричны относительно осевых линий, видимые мощности одновозрастных слоев на крыльях различны (рис. 17). Осевая поверхность синклинали наклонена в сторону пологого крыла, осевая поверхность антиклинали – в сторону крутого крыла.

б) опрокинутые – осевая поверхность наклонная, оба крыла падают в одну сторону, причем одно из крыльев имеет опрокинутое залегание (рис. 18, 19).

Ещё большую степень деформации слоев представляют в) лежачие и г) ныряющие складки. У лежачих складок осевая поверхность горизонтальная (рис. 20), у ныряющих складок осевая поверхность изогнута до обратного наклона (рис. 21).

III. По соотношению между крыльями и по форме замка выделяются складки: а) обыкновенные (открытые) – замок округлой формы соединяет крылья, падающие в противоположные стороны; б) изоклинальные – крылья складки параллельны друг другу, то есть падают в одну сторону под одним и тем же углом; в) вееробразные – сильно сжатые складки, крылья изменяют падение до опрокинутого в противоположные стороны; г) коробчатые (сундучные) – широкий плоский замок соединяет относительно крутопадающие крылья; д) шевронные (аккордеонные, гармониеобразные) – плоские крылья и острый замок; е) гребневидные – узкие острые антиклинали, разделяющие широкие пологие синклинали;

Геометрические размеры складок

У складчатых структур можно определить три размера: длину, ширину и высоту:

а) длина – l - определяется протяженностью осевой линии складки, то есть расстоянием, на которое складка может быть прослежена (по другим представлениям, длина складки - это расстояние между соседними точками перегиба шарнира; по-видимому, это неудачное определение, так как после перегиба шарнира продолжается та же самая складка);
б) ширина – d - кратчайшее расстояние между осевыми линиями (осями) двух равновеликих смежных антиклиналей (синклиналей);
в) высота – h - вертикальное расстояние между замками смежных равновелиих антиклинали и синклинали (по поверхности одного и того же слоя). На рис. 28 длина крупных складок превышает размеры участка, изображенного на карте. Мелкая складка сглаживается, "затухает" по простиранию; l - ее приблизительная длина. Если полная ширина складки по каким-либо причинам не может быть измерена, измеряют расстояние между осями (осевыми линиями) смежных антиклинали и синклинали (d/2) и удваивают его.

По соотношению длины и ширины складки условно подразделяют на линейные (l : d > 3 :1), брахиформные (l : d < 3 : 1) и куполовидные ( l : d = 1 : 1).

Порядок складок

В складчатом комплексе пород совместно присутствуют складки различных размеров. Для классификации складок по размерам используют термин "порядок складки", обозначающий относительный размер складки.

Наиболее крупные складки называют складками первого порядка. Относительно более мелкие складки, осложняющие крылья и замки складок 1-го порядка, называют складками 2-го порядка. Они, в свою очередь, осложняются складками 3-го порядка (рис. 29).

В сложно смятых толщах могут быть выделены складки многих порядков, вплоть до самых мелких, размеры которых исчисляются сантиметрами или даже миллиметрами. Такие складки называют плойчатостью. Однако на геологических картах отражаются складки первых трех-четырех порядков.

При построении разрезов надо внимательно следить за тем, чтобы не пропустить складки высоких порядков. Осевые линии складок высоких порядков будут проходить между знаками элементов залегания, направленными в противоположные стороны, а в случае опрокинутых складок – между знаками нормального и опрокинутого залегания (рис. 30).

Если линия разреза проходит вблизи замыкания складки, то складки высших порядков обнаруживаются по форме замыкания, так как замыкание представляет собой косой срез замка (существует правило: "Форма складки в плане повторяет форму складки в разрезе" - рис. 31).

Концентрические (параллельные) и подобные складки

Различный облик складок обусловлен различными механическими свойствами образующих их пород. При смятии пород в складки происходит послойное перераспределение материала и проскальзывание между слоями. Если смятию подвергаются пластичные породы, преобладающим процессом является послойное перераспределение материала. При этом мощность слоев изменяется - увеличивается в замках складок и уменьшается на крыльях. Если сминаются жесткие, вязкие породы, то складкообразование сопровождается межслоевым проскальзыванием без существенного изменения мощностей. В первом случае возникают подобные складки (рис. 32), у которых форма с глубиной не изменяется, а мощность в замках больше, чем на крыльях (но вертикальные мощности на крыльях и в замках равны). Во втором случае образуются параллельные, или концентрические складки (рис. 33), у которых мощности слоев в замках и на крыльях одинаковы,
но с глубиной изменяется форма

В геологической литературе чаще используется термин "параллельные", предложенный раньше, хотя термин "концентрические" точнее отражает суть дела: эти складки в разрезе представляют собой (упрощенно) как бы дуги окружностей, проведенных из единых центров. Ниже любого такого центра замки антиклиналей приобретают гребневидную форму. Развитие концентрических складок предполагает наличие на глубине какого либо пластичного слоя, по которому происходит срыв и скольжение.
Подобные складки формируются преимущественно в глубинных условиях, параллельные (концентрические) - чаще в приповерхностных условиях. Подобные и параллельные складки в чистом виде редки, чаще наблюдается смешение признаков тех и других.

Дисгармоничная складчатость

Дисгармоничная складчатость - это сочетание одновременных по возникновению, но различных по форме складок, развитых в разнородных по составу горных породах. Она проявляется в зависимости от условий, в которых развиваются складки, и от состава пород.

Наиболее интенсивная складчатость возникает в слоистых толщах аргиллитов, мергелей, известняков, ангидритов, доломитов, гипсов. Напротив, в мощных толщах жестких обломочных и вулканогенных пород возникают крупные плавные складки. При чередовании в разрезе тех и других пород возникают дисгармоничные складки. Особенно резко дисгармония выражается при выжимании пластичных пород в замки складок. Форма складок в комплексе чередующихся слоев различных пород определяется породами, обладающими меньшей пластичностью ("компетентные" слои).

Складки волочения

При изгибе слоистой толщи из-за проскальзывания слоев к каждому из них приложена пара сил - одна к кровле, направлена к замку антиклинали, другая - к подошве, направлена к замку синклинали. При чередовании жестких и пластичных пород в последних при этом образуются мелкие дисгармоничные складки, называемые складками волочения (рис. 35).

В разрезе осевые поверхности складок волочения наклонены под одним и тем же углом к поверхностям наслоения ограничивающих их слоев, причем обычно этот угол меньше в более пластичных породах. В плане осевые линии складок волочения приблизительно параллельны осевой линии основной складки, их шарниры погружаются в одну и ту же сторону. Складки волочения развиваются преимущественно на крыльях основной складки, в замках чаще отсутствуют (так как там проскальзывание меньше или отсутствует полностью).

Свойства складок волочения позволяют использовать их для определения нормального и опрокинутого крыльев опрокинутой складки.

В нормальном крыле основной складки осевые поверхности складок волочения наклонены круче поверхностей наслоения ограничивающих их слоев, а в опрокинутом крыле основной складки они наклонены положе поверхностей наслоения ограничивающих их слоев (рис. 36).

Антиклинории и синклинории

В складчатых областях отдельные складки группируются в крупные складчатые структуры - антиклинории и синклинории. В центральных частях антиклинориев обнажаются наиболее древние и часто метаморфизованные породы, а поверхность, огибающая замки складок, имеет выпуклую кверху форму. В центральных частях синклинориев обнажаются наиболее молодые породы, а поверхность, огибающая замки складок, имеет вогнутую форму. При прямом (унаследованном) развитии антиклинории возникают на месте поднятий внутри геосинклинальной системы, а синклинории - на месте прогибов. Поэтому в синклинориях отложения более тонкозернистые (глубоководные) и имеют большую мощность, чем в антиклинориях. Осевые поверхности составляющих их складок чаще всего расположены веерообразно - дивергентно в антиклинориях и конвергентно в синклинориях (рис. 37). При обращенном развитии антиклинории возникают на месте прогибов, а синклинории - на месте поднятий. Распределение мощностей и фаций в этом случае обратное - в антиклинориях отложения более тонкозернистые (глубоководные) и имеют большую мощность, чем в синклинориях, а осевые поверхности складок часто имеют обратно-веерообразное расположение, конвергентное в антиклинориях и дивергентное - в синклинориях (рис. 38).

Зеркало складчатости и его использование при построении разрезов складчатых структур

При характеристике антиклинориев и синклинориев мы упомянули поверхность, огибающую замки складок. Эта поверхность именуется зеркалом складчатости. Если сформулировать точнее, то зеркало складчатости - это поверхность, проходящая через шарниры складок одного порядка по поверхности одного слоя (рис. 39). В направлении погружения зеркала складчатости ядра складок сложены все более молодыми породами.

При построении разрезов замки синклиналей и антиклиналей, образованные одной и той же слоевой поверхностью, должны совпадать с зеркалами складчатости. Это особенно важно при построении складок, перекрытых породами вышележащего структурного этажа. Определив положение зеркала складчатости, ширину и форму складок на обнаженной части территории, мы экстраполируем эти данные на закрытую площадь (рис. 40).

Виргация складок

При характеристике взаимного расположения складок на местности используется понятие виргации складок. Под виргацией понимается расщепление осевых линий складок с образованием из одной складки нескольких складок того же порядка - пучка складок. Это явление наблюдается обычно на участках погружения и затухания складчатой зоны. Складки могут расходиться в одном или двух направлениях (рис. 41а), либо расходиться и сходиться, образуя миндалевидные пучки (рис. 41б), либо соединяться диагональной перемычкой, образуя кулисообразные пучки (рис. 41в).

Динамические условия образования складок

Изгиб слоев в складки представляет собой упруго-вязкую деформацию. Если деформация не сопровождается пластиче ским смещением вещества, происходит разрушение породы и образование разрывов. В породах с низкой вязкостью (соли, гипсы и др.) при воздействии достаточной нагрузки и различиях в давлении окружающей среды изгиб сопровождается течением вещества. Последнее может возникнуть и в любых других породах в результате снижения вязкости по мере возрастания температуры.

Различия в динамической обстановке позволяют разделить складки на две крупные группы: складки изгиба и складки течения.

Складки изгиба развиваются при продольном сжатии, поперечном изгибе и воздействии пары сил.

Складки продольного изгиба

Продольный изгиб вызывается силами, ориентированными обычно горизонтально и действующими вдоль слоистости (рис. 42).

При однородном составе слоистых толщ скольжение рассредоточивается по всей массе пород: если слои имеют различные свойства, оно концентрируется в наиболее мягких пластичных слоях (например, в прослоях аргиллитов, заключенных среди песчаников). Малопластичные слои при этом нередко разрываются и перемещаются в виде отдельных блоков. При скольжении вещество перераспределяется в пределах одной складки. Оно перемещается к изгибам с меньшим радиусом кривизны от изгибов с относительно большим радиусом. Подобные складки легко воспроизвести, сминая стопку листов бумаги.

Скольжение происходит на фоне общего перемещения вещества в направлении, перпендикулярном к действию сжимающих усилий, в участки с относительно меньшим давлением. Таким образом, при образовании складок продольного изгиба происходит общее сжатие пород в направлении, нормальном к осевым поверхностям складок, и удлинение вдоль осевой поверхности. В прямых складках ось максимального сокращения (с) располагается горизонтально и перпендикулярно к простиранию складок, ось максимального удлинения (а) будет вертикальной, а средняя ось деформации (b) вытянется по направлению складки (рис. 43).

Ширина и высота складок продольного изгиба возрастает с увеличением мощности слоев и вязкости пород. В маломощных слоях складки обычно невелики по размерам.

По отношению к сжимающим усилиям оси складок продольного изгиба ориентируются в поперечном направлении. Однако в вертикальных сечениях они могут иметь различное положение.

При однообразном составе и двухстороннем сжатии образуются симметричные складки, нарушения концентричности или подобия в которых могут быть вызваны различиями в физических свойствах отдельных слоев (рис. 44).

При резких литологических различиях в слоях могут возникнуть более сложные складки с разрывами хрупких пород, сводовыми отслаиваниями и другими нарушениями.

Складки поперечного изгиба

При поперечном равномерном изгибе силовое воздействие ориентировано перпендикулярно к плоскости напластования. Образованию складок на начальных стадиях и в этом случае способствует скольжение слоев, но направленное иначе, чем в складках продольного изгиба (рис. 45).

Вещество станет перемещаться в стороны от участков с максимальным радиусом изгиба в большей степени, чем на участках с меньшим радиусом. Таким образом, при поперечном равномерном изгибе повсеместно будет наблюдаться неодинаковое по интенсивности растяжение пород.

Если силы, вызывающие образование складок поперечного изгиба, сосредоточены вдоль определенных линий, возникают особенно сложные деформации, повторяющие в общих чертах те линейные направления, от которых передаются усилия (см. рис. 4). Участки с интенсивным растяжением в таких складках могут локализоваться в виде узких полос, создавая флексуры.

При значительном поперечном изгибе в породах перпендикулярно к слоистости начинают возникать трещины, а затем и крупные разрывы. Нередко центральные части таких складок отрываются от своих крыльев и опускаются вниз под воздействием силы тяжести (например, на сводах соляных куполов).

В складках поперечного изгиба ось минимального сокращения пород обычно расположена перпендикулярно к слоистости, а ось максимального удлинения – вдоль слоев.

Складки, образующиеся при действии пары сил

Складки, образующиеся при действии пары сил (сдвиговых деформациях), имеют ряд отличительных черт.

Если пара сил действует в горизонтальной плоскости, оси складок обычно располагаются кулисообразно под углом 40—50° к активной паре сил. Если действие сил сосредоточено по разные стороны от линии разрыва, оси складок при приближении к нарушению дугообразно изгибаются в направлении смещения крыльев разрыва (рис. 46).

При расположении пары сил в вертикальной плоскости и их действии в горизонтальном направлении образуются наклонные или опрокинутые складки, часто осложненные разрывами (рис. 47, 48).

Складки течения

Складки течения возникают при вязко-пластическом состоянии вещества и очень большом значении фактора времени. Для направленного течения необходима разность давлений в окружающей среде, способная вызвать перемещение из участков с высоким давлением к участкам, в которых давление относительно ниже.

Складки течения обладают особенно неправильными формами с многочисленными раздувами, утонениями и пережимами слоев (рис. 49).

В верхних слоях земной коры, в условиях относительно невысоких температур и давления, течение свойственно только горным породам, обладающим малой вязкостью: солям, гипсам, углям, глинам.

При достаточно высоких температурах и давлениях высокую пластичность приобретают даже самые крепкие породы, такие как кварциты, аплиты, гнейсы и др. При этом одновременно может происходить и перекристаллизация вещества.

Складки течения, развитые в метаморфических толщах, отличаются небольшими размерами и образуются под воздействием стресса в условиях повышения температуры до сотен градусов и длительного воздействия нагрузок.

Несмотря на значительные перемещения вещества при образовании складок течения, заметить поверхности скольжения почти никогда не удается из-за происходящей одновременно с течением рекристаллизации пород.

Выводы

1. Складки – волнообразные изгибы в слоистых толщах, образующиеся при пластических деформациях горных пород.
2. Различают синклинальные и антиклинальные складки. У синклиналей центральная часть сложена наиболее молодыми породами, изгиб слоев обычно обращен выпуклостью вниз. У антиклиналей центральная часть сложена наиболее древними породами, изгиб слоев обычно обращен выпуклостью вверх.
3. Изображение складки на карте зависит от положения шарнира.
4. При морфологической классификации складки разделяются по форме. В основу разделения могут быть заложены различные особенности формы.
5. В складчатом комплексе пород совместно присутствуют складки различных размеров. Для классификации складок по размерам используют понятие “порядок складки”, обозначающее относительный размер складки.
6. Различный облик складок обусловлен различными механическими свойствами образующих их пород.
7. По динамическим условиям образования складки разделяют на складки изгиба и складки течения. Складки изгиба развиваются при продольном сжатии, поперечном изгибе и воздействии пары сил. Складки течения возникают при вязко-пластическом состоянии вещества в течение длительного времени.

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение антиклинали и синклинали.
2. Назовите основные элементы складчатой структуры и дайте их определение.
3. Как зависит изображение складки на карте от положения её шарнира?
4. Какие складки называют остроугольными и тупоугольными?
5. Перечислите морфологические типы складок и дайте их определение.
6. Как определяется ширина, высота и длина складок?
7. Что понимается под складками разных порядков?
8. Какие явления деформации имеют место при формировании складчатой структуры, и какие условия влияют на процесс этой деформации?
9. Как связаны между собой форма складок и механические свойства слагающих их пород?
10. Какие складки называют параллельными (концентрическими), а какие – подобными?
11. Дайте характеристику дисгармоничной складчатости. В чем причина её возникновения?
12. Как с помощью складок волочения отличить нормальное залегание от опрокинутого в крыльях крупной складки?
13. Дайте определение антиклинория и синклинория.
14. Как образуются складки продольного и поперечного изгиба и складки течения?