Форма складок и распределение деформаций
Кинкбанды на основании их геометрических особенностей можно подразделить на три типа, как показано на рисунке 5.20.
Кинкбанды типа А (рис. 5.20, а, а') обычно наблюдаются в сильно сланцеватых породах (например, в материалах, созданных экспериментально Патерсоном и Вейссом, 1966). Перечислим характерные признаки кинкбандов типа А.
1. Кинкбанды развиваются из маленького зародышевого кинкбанда, что видно на рис. 5.20 от а до а'.
2. Не только ширина кинкбанда S, но также и его длина PQ увеличивается по мере развития деформации.
3. Углы у и ук, определенные на рис. 5.20, б, остаются почти неизменными в процессе деформации (по результатам экспериментов Патерсона и Вейсса γ ≈ 58° γk ≈ 65°).
4. Плоскостные структуры очень резко изогнуты вдоль поверхностей излома. Внутрикристаллические кинкбанды характеризуются теми же особенностями (Макклинток й Аргон, 1966).
Кинкбанды типа В (рис. 5.20, б, б') обычно обнаруживаются в глинистых сланцах и в кристаллических сланцах с развитой сланцеватостью, но без отчетливой полосчатости состава (Донат, 1964, 1968). Они характеризуются следующими особенностями.
1. Плоскостные структуры резко изогнуты.
2. γk не остается постоянным, а уменьшается в процессе образования кинкбанда (в экспериментах Доната у сохранялся почти равным 68°, но γk уменьшался до 55°).
3. Ширина кинкбанда S остается почти неизменной (S, возможно, только немного возрастает) во время образования кинкбанда.
По второму и третьему пунктам особенности типа В отличаются от характеристик типа А. Кинкбанды также часто образовывались в геологических телах, состоящих из двух или более типов чередующихся слоев. Кинкбанды типа С (см. рис. 5.20, в, в') обычно обнаруживаются, когда чередующиеся слои содержат многочисленные зернистые минералы, а сланцеватость в них отсутствует (Хара, 1965, Хара и Паулих, 1971). По характерным особенностям они аналогичны кинкбандам типа В, за исключением, что эти зернистые слои не образуют резких изгибов вдоль плоскостей излома. В природных кинкбандах, о которых сообщали Хара и Паулих, угол γ почти постоянен и составляет около 60°, а γk меняется, уменьшаясь до 29°. Этот тип кинкбандов представляет собой значительный интерес в том плане, что они обнаруживают распределение деформаций, аналогичное наблюдаемому в складках продольного изгиба (рис. 5.21). Кинкбанды типа С часто называют сопряженными складками.
Очень важная особенность, общая для всех трех типов, заключается в том, что угол между плоскостями излома и направлением максимального сжимающего напряжения больше 45° (в отличие от разломообразования) и обычно составляет около 60°.
Механизмы образования кинкбандов
Механизмы образования кинкбандов до сих пор не выяснены достаточно хорошо. Изучение внутрикристаллических кинкбандов позволили установить что: 1) существует единая плоскость скольжения в направлении, предрасположенном к скольжению и 2) существуют некоторые ограничения, которые препятствуют скольжению вдоль плоскости скольжения. Оба эти условия очень важны для развития кинкбандов (Макклинток и Аргон, 1966). Пример, иллюстрирующий образование кинкбандов, приведен на рис. 5.22. Цилиндрические образцы с одной плоскостью скольжения сжимаются между поршнями. Кинкбанды будут развиваться только в случаях б и в, когда скольжение ограничивается поршнями. Патерсон и Вейсс (1966) пришли к тому же заключению, выполняя эксперименты по образованию кинкбандов в филлитах. Хара и Паулих [50] изучали кинкбанды в кристаллических сланцах и обнаружили, что зернистые слои были интенсивно деформированы во время их образования (см. рис. 5.21). Однако, в них не обнаружено признаков .скольжения вдоль сланцеватости1. Следовательно, скольжение нельзя всегда: рассматривать как необходимое условие развития кинкбандов. Главными геометрическими особенностями, общими для всех кинкбандов, являются:
- 1) направление плоскости излома или угол у остается почти, неизменным в процессе образования кинкбандов;
- 2) длина кинкбандов PQ намного больше, чем их ширина 5 (см. рис. 5.20).
Это свидетельствует, что существуют общие причины образования всех типов кинкбандов, даже если они отличаются некоторыми деталями. Разумеется, экспериментально было показано, что, по крайней мере, кинкбанды типов А и С образуются,, когда локальная деформация, сопровождающая зародышевые кинкбанды, распространяется вдоль определенного направления и что упомянутые геометрические особенности отражают этот процесс образования кинкбандов [71, 91] и др. Установив, что кинкбанды, таким образом, характеризуются гиперболическим» решениями (объяснения даны в предыдущем разделе) Джонсон (1970), Кобболд и др. (1971) указали на возможность того, что кинкбанды образуются в результате внутреннего продольного изгиба Био второго рода.
Внутренний продольный изгиб второго рода (internal buckling of the second kind) происходит, когда M и L, определяемые уравнением (5.15), удовлетворяют условиям (Био, 1963, 1965):
В этом случае сжимающее напряжение Р, которое удовлетворяет характеристическому уравнению (5.16), имеет минимум при (рис. 5.23):
что дает характеристическое направление, соответствующее наименьшему сжимающему напряжению Р, т. е. направление, вдоль которого наиболее вероятно возникновение деформации. Из уравнений (5.25) и (5.26) 1 ≥ ξd > 0. Следовательно, если это характеристическое направление можно сопоставить с напряжением плоскости излома, то теория предсказывает, что плоскость излома образуется под углом 45—90° к направлению Р. Угол γ на рис. 5.20 почти всегда больше 45°, таким образом, теория Био определяет направление плоскости излома, по крайней мере, качественно.
Однако, с количественной стороны теоретический прогноз не вполне удовлетворителен. Применение теории Био к экспериментальным данным Патерсона и Вейсса (1966) дает γ = 46° (ξd = 0,96), тогда как наблюдаемое значение равно 58°. Основная причина этого несоответствия заключается, вероятно, в теоретическом допущении, что до возникновения кинкбандов деформация является упругой. Однако, Классен-Неклюдова и др. [71] установили путем тщательных наблюдений, что началу образования кинкбандов предшествует пластичная деформация. Для анализа механизма формирования кинкбандов необходимо сначала понять природу этой пластичной деформации, а затем увязать это с теоретическими положениями.
Фрэнк и Строх (1952) предложили теорию внутрикристаллической природы кинкбандов, основанную на механизмах дислокации, но попыток сравнить теорию с кинкбандами в породообразующих минералах не предпринималось.
Внешние условия возникновения кинкбандов и складкообразования
Рассмотрим внешние физические условия образования кинкбандов. В поясе Самбагава, как и во многих других региональных метаморфических поясах, кинкбанды формируются на заключительной стадии деформации, вслед за складками с едиными осевыми плоскостями. Хара (1974) анализировал деформационные полоски и петроструктурные оси с кварца в кинкбандах и в складках и обнаружил, что деформация, сопровождающаяся кинкбандами, происходила при более низких температурах, чем складкообразование. Это свидетельствует, что характер деформации изменяется от кинкбандов до складкообразования по мере того, как повышается температура, хотя существует возможность, что и давление воды играет значительную роль. Если физические условия, необходимые для появления кинкбандов и складок, были бы установлены, стало бы возможно определить общие условия, преобладающие во время образования кинкбандов и складкообразования. Если в качестве образцов использовать тонкозернистые филлиты, то существующие технологические возможности позволяют исследовать этот переход от кинкбандов к складкам. Значит, можно надеяться, что этот переход будет изучен в ближайшем будущем.
Примечания
1. В условиях метаморфизма преобладает пластичная деформация. Скольжение вдоль дискретных поверхностей обычно не будет проявляться в таких, случаях, потому что сопротивление трению равно напряжению течения самой; породы (Орован, 1960, Моги, 1974).