Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

Литология. Структурная геология

Р. А. Щеколдин. Конспекты лекций

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):

Рис. 1. Элементы складчатой структуры: Я - ядро; К - крыло; ОП - осевая поверхность; О - ось; ОЛ - осевая линия; Ш - шарнир; γ - угол складки; З - замок

ядро – породы, слагающие центральную часть складки;

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

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

При горизонтальном шарнире крылья складки в плане параллельны, а ядро складки на всем протяжении сложено породами одного возраста (рис. 2).

Рис. 2. Складки с горизонтальным шарниром: а - блок-диаграмма; б - карта

Наклонный шарнир

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

Рис. 3. Складки с наклонным шарниром: а - блок-диаграмма; б - центриклиналь на карте; в - периклиналь на карте

Ундуляция шарнира

Шарнир складки может также волнообразно изгибаться, поочередно погружаясь и воздымаясь (рис. 4а). 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. 4б), а в ядрах антиклиналей - участкам максимального воздымания шарнира (рис. 4в).

Рис. 4. Складки с ундулирующим шарниром: а - блок-диаграмма; б - синклиналь; в - антиклиналь

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. 5а). При пологом погружении шарнира видимые мощности слоев на замыкании значительно больше, чем на крыльях (рис. 5б).

Рис. 5. Изображение на карте синклинальной складки: а - с круто погружающимся шарниром; б - с полого погружающимся шарниром

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. 6). 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; αугол погружения шарнира; h1, h2, h3глубины 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).

Рис. 6. Использование угла погружения шарнира при построении разреза

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 (рис. 7а), или остроугольные (угол складки меньше 90°) и тупые (рис. 7б), 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.

Рис. 7. Складки (разрез): а - острые (сжатые); б - тупые (открытые)

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. 8а). На карте такие складки выглядят симметричными относительно осевой линии, то есть видимые мощности одновозрастных слоев на крыльях приблизительно одинаковы (рис. 8б,в).

Рис. 8. Прямые складки: а - блок-диаграмма; б - карта; в - разрез

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. 9а). На карте такие складки асимметричны относительно осевых линий, видимые мощности одновозрастных слоев на крыльях различны (рис. 9б,в). Осевая поверхность синклинали наклонена в сторону пологого крыла, осевая поверхность антиклинали – в сторону крутого крыла.  

Рис. 9. Наклонные складки: а - блок-диаграмма; б - карта; в - разрез

б) опрокинутые – осевая поверхность наклонная, оба крыла падают в одну сторону, причем одно из крыльев имеет опрокинутое залегание (рис. 10).

Рис. 10. Опрокинутые складки: а - блок-диаграмма; б - карта; в - разрез

Ещё большую степень деформации слоев представляют в) лежачие и г) ныряющие складки. У лежачих складок осевая поверхность горизонтальная (рис. 11а), у ныряющих складок осевая поверхность изогнута до обратного наклона (рис. 11б).

Рис. 11. Складки: а - лежачие; б - ныряющие

III. По соотношению между крыльями и по форме замка выделяются складки: а) обыкновенные – замок округлой формы соединяет крылья, падающие в противоположные стороны (рис. 12а); б) изоклинальные – крылья складки параллельны друг другу, то есть падают в одну сторону под одним и тем же углом (рис. 12б); в) вееробразные – сильно сжатые складки, крылья изменяют падение до опрокинутого в противоположные стороны (рис. 12в); г) коробчатые (сундучные) – широкий плоский замок соединяет относительно крутопадающие крылья (рис. 12г); д) шевронные (аккордеонные, гармониеобразные) – плоские крылья и острый замок (рис.12д); е) гребневидные – узкие острые антиклинали, разделяющие широкие пологие синклинали (рис. 12е).

Рис. 12. Складки: а - обыкновенные: б - изоклинальные: в - веерообразные: г - коробчатые (сундучные); д - шевронные; е - гребневидные

Геометрические размеры складок

У складчатых структур можно определить три размера: длину, ширину и высоту (рис. 13):

Рис. 13. Размеры складок

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. 31 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), брахиформные (l:d<3) и куполовидные (l:d=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. 14).

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.

Рис. 14. Порядок складок в складчатом комплексе

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. 15а).

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. 15б).

Рис. 15. Складки второго порядка: а - карта; б - блок-диаграммва

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. 16а), 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. 16б), у которых мощности слоев в замках и на крыльях одинаковы, но с глубиной изменяется форма.

Рис. 16. Складки в разрезе: а - подобные; б - параллельные

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 (рис. 17). Форма складок в комплексе чередующихся слоев различных пород определяется породами, обладающими меньшей пластичностью («компетентные» слои).

Рис. 17. Дисгармоничные складки

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. 18).

Рис. 18. Складки волочения

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. 19).

Рис. 19. Определение опрокинутого крыла по складкам волочения

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. 20а). 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. 20б).

Рис. 20. Антиклинории и синклинории: а - при прямом и б - при обращенном развитии

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. 21). В направлении погружения зеркала складчатости ядра складок сложены все более молодыми породами.

Рис. 21. Зеркало складчатости

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. 22).

Рис. 22. Использование зеркала складчатости и ширины складок при построении разреза

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. 23а), либо расходиться и сходиться, образуя миндалевидные пучки (рис. 23б), либо соединяться диагональной перемычкой, образуя кулисообразные пучки (рис. 23в).

Рис. 23. Схема виргации складок

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.

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.