Внешние силы, которые приводят к образованию складок, в земной коре, по-видимому, действуют чрезвычайно разнообразно. Однако, исследования показывают, что многие типы складкообразования можно рассматривать просто как результат сжатия, действующего параллельно или субпараллельно слоистости, неоднородной нагрузки, действующей под углом к слоистости, и действия силы тяжести. Сложное складкообразование можно рассматривать как наложение этих основных процессов складкообразования. Далее мы приведем классификацию основных типов складкообразования по внешним силам и кратко опишем их общие черты.
Прежде всего рассмотрим складкообразование в слоистых породах, подвергшихся сжатию параллельно или субпараллельно слою. Для облегчения понимания этого типа складчатости представим себе брусок, состоящий из однородного упругого материала с постоянной площадью сечения. Если сила приложена к этому бруску в направлении его оси, то сначала он будет деформироваться под действием равномерного сжатия. Разумеется, такая однородная деформация удовлетворяет уравнениям равновесия сил. Однако, когда сила превышает определенный предел (критическую нагрузку), то для удовлетворения уравнений равновесия произойдет деформация изгиба бруска. Затем под действием этой критической нагрузки становятся возможными два или более видов деформации, и никакого однозначного решения получить нельзя. Если пытаться далее укорачивать брусок, подвергая его деформации, то следует приложить силу, пропорциональную дифференциальной деформации, что приведет к увеличению потенциальной энергии системы. Вместе с тем, деформация изгиба поддерживает потенциальную энергию системы, в целом, на низком уровне, даже если она продолжается. Следовательно, когда сила уже достигла критической нагрузки, однородная деформация не может далее быть стабильной формой деформации и небольшое нарушение легко приводит к превращению деформации в деформацию изгиба. Явления, аналогичные этому, весьма обычны в природе и в математической физике рассматриваются как задачи нестабильности. В механике деформируемых тел явление, когда длинные тонкие структуры, подобные колоннам или балкам, подвергаются деформации изгиба под действием осевой силы, называется «продольным изгибом» (buckling).
Изучение продольного изгиба строящихся сооружений было начато более двух веков назад математиками Л. Эйлером и Дж. Л. Лагранжем. Однако это произошло задолго до того, как была установлена связь между складкообразованием в природе и продольным изгибом. Работа Уиллиса (1893) была, возможно, наиболее важным шагом в этом отношении. Он обнаружил особую значимость различий в механических свойствах между отдельными слоями и продемонстрировал своими экспериментами по моделированию, что форма складок определяется, прежде всего, деформацией изгиба компетентных слоев, а некомпетентные слои пассивно приспосабливаются к деформации компетентных слоев. Его модель не давала полного объяснения механизма складкообразования, но признание механического смысла гетерогенной сложности геологических тел открыло путь дальнейшим исследованиям. То, что деформация изгиба компетентных слоев не что иное, как продольный изгиб, полностью отражается в теории Смолуховского (1909, 1910). В настоящее время известно, что определенный тип механической анизотропии также может вызвать явление продольного изгиба (Био, 1963, он назвал это явление internal buckling — «внутренним продольным изгибом»). Складки, образованные при продольном изгибе компетентных слоев или при- внутреннем продольном изгибе анизотропных горных пород, называются складками продольного изгиба (buckle folds, buckling folds) или истинными складками. Продольный изгиб как явление нестабильности охватывает широкий круг деформаций, и характеристики складок продольного изгиба в значительной степени зависят от внутреннего строения системы в отношении формы и механических свойств. Следовательно, строение системы должно быть точно определено при изучении складок продольного изгиба. Разделы 5.2—5.6 посвящены характеристикам складок продольного изгиба в нескольких типичных системах.
Складки, образованные неоднородными напряжениями, действующими субперпендикулярно слоистости, называются «складками изгиба»2. В этом случае данным внешним напряжениям соответствует один единственный вид деформации, так что складкообразование как явление характеризуется нестабильностью. В противоположность складкам продольного изгиба, неоднородная слоистость или механическая анизотропия в системе не являются основными необходимыми условиями развития складок продольного изгиба; слои могут служить просто маркерами для определения формы складок. Форма складок продольного изгиба контролируется главным образом типом неоднородных внешних напряжений, а не внутренним строением системы. Изучают этот тип складчатости относительно недавно, с работы Хафнера (1951). В разделе 5.7 будут рассмотрены характеристики складок продольного изгиба.
Все вещества на Земле и внутри нее подвергаются действию гравитационного поля Земли, и все складкообразование происходит в этом поле. Гравитация может оказывать прямо противоположные действия на развитие складок, т. е. стабилизирующее или дестабилизирующее. Рассмотрим пример, когда слои у поверхности становятся складчатыми с образованием синклинальных и антиклинальных ундуляций. В этом случае в синклинальной части действует плавучесть, а антиклинальная часть подвергается силе ее собственного веса, направленной вниз. Следовательно, рост складки сдерживается силой тяжести. В основном считают, что стабилизирующее воздействие силы тяжести в системе такого рода более заметно по мере увеличения масштаба складки. Итак, сила тяжести чрезвычайно важный фактор при рассмотрении проблем, связанных с крупными геологическими структурами, поперечник которых превышает несколько десятков километров. Стабилизация складчатости в результате действия силы тяжести изучалась, главным образом, на теоретическом уровне со времени опубликования работы Смолуховского (1910).
В земной коре слои, имеющие высокую плотность, часто перекрывают слои с низкой плотностью, что приводит к образованию так называемых «систем с инверсией плотности». Примеры геологических тел — структуры, содержащие каменную соль, нефть или магму. Состояние таких систем в поле силы тяжести нестабильно, слои с низкой плотностью стремятся всплыть под действием их собственной плавучести. С тех пор как Аррениус (1912) указал, что такая инверсия плотностей сама по себе служит основной причиной образования соляных куполов или диапиров, всплывание материалов с низкой плотностью стало изучаться более детально. С позиций механики сплошных сред возможно более двух форм поднятия, а в реальных условиях проявляется форма с наибольшей скоростью поднятия. Таким образом, всплывание материала с низкой плотностью под действием силы тяжести по существу явление нестабильное.
Влияние силы тяжести на деформацию в общих чертах обсуждается Рамбергом [87]. Разделы 5.8 и 5.9 описывают влияние силы тяжести на образование однослойных складок и диапиров, чтобы проиллюстрировать соответственно стабилизирующее и дестабилизирующее действия силы тяжести.
Примечания
1. Уиллис (1893) ввел коэффициент компетентности (competency) как меру, указывающую на тенденцию определенных слоев вдавливаться во вмещающие породы и образовывать складки под действием деформации изгиба. Он полагал, что жесткие (компетентные) слои могут, изгибаясь, выдерживать действие внешних сил, тогда как более деформируемые (некомпетентные) слои легко сокращаются при деформации, не испытывая деформацию изгиба, необходимую для образования складки. Даже в настоящее время не просто обсуждать механическое значение компетентности в общих чертах, чтобы охватить геологические тела с чрезвычайно разнообразными механическими свойствами. Однако, многие исследователи, работавшие после Уиллиса, пришли к точному определению компетентности на относительно простых моделях складок. Например, в случае упругих и вязких слоев, компетентным слоем является тот из двух упругих слоев, у которого наиболее высокий модуль упругости, или тот из двух вязких слоев, у которого вязкость выше. Следовательно, компетентность определенного слоя зависит от относительного различия механических свойств между этим слоем и вмещающими породами.
2. Продольный изгиб, описанный выше, называется также «longitudinal bending», а термин «изгиб» (bending), используемый здесь, — «поперечным изгибом» (transverse bending).