Бургундская сдвиговая зона Европейской рифтовой системы

В тектоническом режиме сдвигания образуется сложный комплекс структур, который обычно описывается термином “сдвиговая тектоника”, и который включает

• (1) структуры, представляющие более или менее горизонтальный скол на субвертикальных по­верхностях;
• (2) структуры сжатия, такие как складки и надвиги;
• (3) структуры растяжения, включая сбросы, отрывы, дайки и т.п.

Как правило, разрывы, складки и депрессионные структуры расположены в сдвиговой зоне эшелонированно. Важнейшими факторами контроля присдвигового структурного рисунка являются степень конвергенции или дивергенции смежных блоков при сдвиге; величина смещения; механические свойства деформируемых пород; конфигурация ранее существующих структур (Biddle, Cristie-Blick, 1985). Выраженный конвергентный сдвиг похож по структурному стилю на складчато-надвиговый пояс; для дивергентных сдвигов характерны обычно флексуры, ориентированнные скорее параллельно, чем под углом к зоне главного смещения. Структурный стиль сдвиговых зон может зависеть, кроме того, от наличия общих компонент надвигания или сброса на основном разломе, а также от расстояния между парами сдвигов фундамента или сегментов поверхностной сдвиговой зоны. Геометрические и динамические соотношения между разномасштабными сдвиговыми разрывами и ассоциированными с ними структурами могут быть объяснены двумя главными механизмами: механизмом чистого сдвига, который часто называется моделью Кулона — Андерсона, и механизмом простого сдвига.
При чистом сдвиге формируются относительно короткие, в типичном случае сопряженные системы разрывов сдвиговой кинематики. Как правило, чистый сдвиг имеет ромбическую симметрию и не связан с ротацией.
Простой сдвиг имеет моноклинную симметрию при значительной ротационной компоненте главного поля напряжений, и объясняет кинематику сдвигов во всех трех измерениях

Чистый сдвиг

Этот механизм был первоначально предложен Андерсоном (Anderson, 1905). для объяснения ориентировки разломов в трехосном поле напряжений в однородной среде. Для разрывов сдвиговой кинематики этот механизм предполагает, что сопряженная система комплементарных левых и правых сдвигов будет формироваться под углом ф и -ф относительно направления сокращения, где ф - угол внутреннего трения; при этом трещины растяжения или сбросы будут формироваться перпендикулярно к оси удлиннения, а складки и надвиги - перпендикулярно к оси сокращения (рис. 1). В большинстве опубликованных диаграмм главные оси напряжений предполагаются параллельными главным осям деформаций в предположении однородности среды и мгновенного деформирования, что, однако, очень редко реализуется в природе. Сопряженные разломы могут компенсировать неротационную компоненту деформаций до тех пор, пока они действуют одновременно, иначе возникает проблема пространства, которая может быть решена только ротацией и изменением направления скольжения на каждом из сопряженных сдвигов. Максимальные амплитуды разрывов сдвиговой кинематики в областях чистого сдвига могут достигать нескольких десятков километров; большие амплитуды недостижимы из-за проблем пространства, связанных с конвергенцией больших коровых масс, которые отчетливо видел и сам Андерсон, не оценивший, однако, роли альтернативногом механизма простого сдвига в коровом сдвигообразовании (Silvester, 1988). Фактически, в дискуссии с Кеннеди (1946) относительно сдвига Грейт Глен в Шот­ландии, Андерсон предполагал, что сдвиги возникают в комплементарных парах Х-образной формы, разделенных углом в 50 градусов, что сдвиг на разломе Грейт Глен — левосторонний, и что равный правосторонний должен быть обнаружен по соседству. Комплементарный правосторонний сдвиг, имеющий амплитуду сдвига Грейт Глен однако обнаружен не был, поскольку разлом Грейт Глен является результатом простого, а вовсе не чистого сдвигания.
Тем не менее, области регионального чистого сдвига с системами сопряженных сдвиговых разрывов, имеющие многокилометровые амплитуды, являются реальными и хорошо изученными. Типичны эти области для складчато-надвиговых поясов, где сопряженные сдвиги пересекают складчатые структуры. Один из лучших примеров - складчатый пояс Асеак на севере Канады, который смещен правыми сдвигами север--северо-восточной ориентировки длиной более чем 50 км, и сопряженными с ними запад--северо-западными левосторонними сдвигами. В складчатом поясе развиты разрывы всех масштабов; амплитуды движений на некоторых из них превышают 15 километров. Геометрические особенности и палинспастические реконструкции показывают, что обе системы разломов формировались первоначально под углом 25-30 градусов к широтному направлению сжатия, а потом были развернуты вокруг вертикальной оси в разные стороны от этого направления. Примерно в той же манере Р.Фр­ойнд интерпретировал развитие сопряженных разломов вокруг блока Систан в Иране. Кроме того региональные области, порожденные чистым сдвигом в областях коровой конвергенции были установлены в Аппенинах, в Панновской впадине (Кар­паты), в Макране, в Тянь-Шане, в южной части Чилийских Анд, и в некоторых других регионах

Простой сдвиг

Крупнейшие сдвиги, в т.ч. структуры, перечисленные в сводной таблице под индексом (21)КТ₂ имеющие размеры во многие сотни километров длиной и десятки километров шириной при амплитудах горизонтальных движений, измеряемых сотнями километров, расположены в областях простого сдвига. Внутри области простого сдвига самый активный современный разрыв может иметь ширину всего в несколько метров (например, некоторые отрезки Таласо-Ферганского разлома.

Простой сдвиг имеет моноклинную симметрию стрейна, поскольку он является еще и ротационным. В условиях простого сдвига формируется неизмеримо большее разнообразие структур, чем в при чистом сдвиге. Как правило, структуры здесь фор­мируются эшелонированно в относительно узких зонах. Одни и те же пять систем разрывов формируются при простом сдвиге в экспериментах на модельных материалах, в экспериментальном деформирование однородных горных пород при ограниченном общем давлении и при деформациях поверхностных отложений во время землетрясений Это:

• (1) сколы Риделя (R), или синтетические сдвиги;
• (2) сопряженные риделевские сколы (R’), или антитетические сдвиги;
• (3) вторичные синтетические сдвиги, расположенные под углом -ф/2 к направлению предполагаемого скола (Р-сколы),
• (4) трещины растяжения (Т-трещины), или сбросы, которые развиваются под углом около 45° к основной зоне смещения;
• (5) разломы, параллельные основной зоне смещения (Y-сколы).

В лабораторные экспериментах обычно моделируется жесткий фундамент, включающий разлом (например из двух жестких досок), перекрытый покровом осадочных пород (обычно это слой глины). Когда доски сдвигают параллельно друг другу, первыми структурами в перекрывающей глине оказываются эшелонированные сколы Риделя, причем их кулисное расположение прямо зависит от направления сдвигания в подстилающих досках - они образуют левокулисное перекрытие при правом сдвиге и правокулисный ряд при левом сдвиге, хотя в некоторых местах могут быть и обратные соотношения. Ширина зон трещиноватости в плане является функцией толщины покрывающих глин. Эти эксперименты были повторены бесчисленное количество раз академическими и производственными учеными с результатами, которые изменялись соответственно типу материала, который подвергался скалыванию.

Направление сдвигания вдоль сколов R, P, Y то же самое что и в разломе фундамента, а в R’ — противоположное. Все разломы, исключая надвиги, близки к вертикальным во время образования. Сколы R и R’ составляют с основной зоной смещения углы ф/2 и 90° - ф/2 соответственно, где ф — угол внутреннего трения. Это обозначает, что риделевские сколы ориентированы под углом от 15° до 20° к зоне главного смещения, а R’ — под углом от 60° до 75°. В песчаных моделях получающийся угол явно зависит от мощности перекрывающего “фундамент” чехла - угол мал, если мощность мала, но увеличивается до 15°, если чехол относительно мощный. Трещины растяжения делят пополам угол между R и R’ и ориентированы параллельно к аналитическому направлению сжатия и под углом 45° к главному сдвигу.
Сколы R’ редко развиваются в природе, исключая случаи, когда имеется существенное перекрытие между соседними сколами Риделя. В модельных исследованиях вскоре после начального образования зования R-сколов поле напряжений в деформационной зоне местами меняется, создавая возможность для развития Р-сколов и короткоживущих косых разломов. Последние формируются на окончаниях R-сколов и изгибаются параллельно к трещинам растяжения. Таким образом, сколы Риделя будут иметь сдвиговую кинематику в центральной части деформационной зоны и сбросовую на ее периферии. Р-сколы формируются из-за уменьшения сопротивления скалыванию вдоль R-сколов, вследствии чего полное смещение фундамента не может быть аккомодировано в прерывистых эшелонах R-сколов. Таким образом, в обычном случае ось сжатия между двумя перекрывающимися сколами Риделя будет переориентирована в сторону сколов, при этом будут образованы новые разломы в этом локальном поле напряжений, которые будут расположены под угом -ф/2 к зоне главного смещения. Наиболее продвинутый этап деформации выражается в том, что зона главных смещений заполняется густой и запутаной сетью вертикальных трещин, в которых основной поверхностный скол локализуется в центральной части нерегулярных сквозных трещин, которые собираются из кусочков R- и P - сколов. Чаленко показал, что ансамбль трещин, сформированных в условиях простого сдвига, геометрически подобен от микро- до региональных масштабов (Tchalenko, 1970).

1. эшелонной природы сколов на поверхности,
2. их выпуклой верх геометрии, характерной даже для случаев, когда они образуются при нуле­вых компонентах конвергенции или диверенции,
3. необходимостью объединения отдельных разрывов в единый разлом фундамента на глубине. На геологическом разрезе такой разлом выглядит как надвиг на глубине и как оползень (листрический сброс) вблизи поверхности.

Транспрессия

Понятие "транспрессия" и симметричное ему понятие "транстенсия" впервые были использованы Харландом на примере каледонских сооружений Шпитцбергена для описания деформаций, возникающих при косой конвергенции (дивергенции) плит (Harland, 1971). Сандерсон и Марчини в 1984 году смоделировали транспрессию как деформацию, включающую сдвиг, сопровождаемый сжатием (сокращением) поперек плоскости разлома и вертикальное удлинение вдоль этой плоскости (Sanderson, Marchini, 1984), т.е. как комбинацию механически чистого и простого сдвига, каждый из которых возникает при некоторых специфических условиях. На рисунке слева показана исходная геометрия транспрессивной деформации, и расчетные ориентировки основных трещин при транспрессивных, сдвиговых и транстенсивных деформациях
При транспрессии проявлены (Silvester, 1988): уплощающий стрейн, крутой кливаж и линейность сжатия, которая может быть вертикальной или горизонтальной складки и надвиги, ориентированные под малым углом к деформационной зоне, сбросы, дайки, жилы и другие структуры растяжения, простирающиеся под большим углом к деформационной зоне, утолщение коры и вертикальные поднятия
Компенсационное поднятие.в условиях транспрессии (конвергентного сдвигания) было отчетливо продемонстрировано в лабораторных моделях, где над зоной главных сдвиговых смеще­ний из-за аккомодации поднятием компоненты сжатия формируется удлинен­ный, ограниченный разломами вал; эти разломы, имеющие извилистые очертания, почти вертикальны на глубине и выполаживаются кверху, перенося часть материала вала на соседние стабильные блоки. Это ветвящееся вверх строение разломов в сдвиговых зонах было обнаружено многими авторами (Willis, 1937, Kingma, 1958, Wallace, 1949, Clayton, 1966, Sylvester, Smith, 1976, и мн. др.), и было воспроизведено осо­бенно отчетливо в экспериментах в слоистой среде (Emmons, 1969, Bartlett et al., 1981, и др.)

Известная блок-диаграмма транспрессии Ловела (Lowell, 1972) показывает центральную часть вертикальной пластины, которая растет вверх и наружу на выгнутых вверх разломах через сопряженные блоки, подобно пакету перекрывающихся надвигов. Вилкокс и др. (Wilcox et al., 1973) назвали эти ветвящиеся вверх разломы “положитель­ными цветочными структурами”.

Эшелонированные складки

Складки, ассоциированные со сдвигами, в типичном случае образуют эшелоны, в которых складки ориентированы в основном косо к направлению сдвига. Они осо­бенно хорошо изучены нефтяными геологами, посколько являются привлекательными ловушками для нефти и газа. Обычно эшелоны складок распределены в относительно узких и устойчивых зонах над главным сдвигом, и могут также формироваться в широкой зоне между двумя главными сдвигами. Присутствие эшелонов складок или разломов, параллельных зоне деформации, не обязательно связано со сдвигообразованием. Они могут отражать также сложное воздействие глубинных структур фундамента или могут представлять наложение различно ориентированных, образованных в разное время складок. В идеальном случае шарниры эшелонированных складок должны располагаться в плане под углом 45° к направлению сдвига, представляя компоненту сжатия в общей деформации. Однако направление реальных складок незначительно варьируют от 10° до 35° к простиранию разломной зоны. Осевые поверхности эшелонированных складок (в слоистых разрезах перекрывающих жесткий фундамент) почти вертикальны и параллельны разлому на уровне фундамента. Но выше, в перекрывающих слоях, они выполаживаются вверх и выворачиваются от направления разлома, так что могут совсем уйти из зоны главных смещений.
В целом же осевые поверхности эшелонированных складок имеют геликоидальную геометрию, такую же как R-сколы. за исключением того, что R-сколы выкручиваются вверх, а осевые поверхности складок вверх выполаживаются. Это подразумевает, что угловые соотношение между осями эшелонированных складок и зоной главных смещений могут местами зависеть от глубины эрозии, а также от величины внутренней ротации в сколовой зоне.

Эшелонированные складки часто называют “складками волочения” там, где они изгибаются параллельно главному сдвигу, однако этот термин не слишком удачен в контексте сдвигообразования, поскольку складки, как это показали многие экспериментальные работы, эшелонируются уже при своем зарождении. Другой при­чиной, почему естествен­ные складки не всегда соответствуют оптимальной ориенти­ровке, предсказан­ной в мо­дели гетероген­ного про­стого сдвига, яв­ляется то, что они могут вращаться или внутренне раскалы­ваться при частич­ном скольжении на R-ско­лах, и, соответственно, преобразовываться в складки волочения .

Изучение эшелонированных складок на глиняных моделях показывает, что складки формируются симметрично над главной зоной смещения. В природе, однако, их распределение по крыльям и трассе сдвига может быть нерегулярным. Направление горизонтальных движений на сдвиге выявляется по взаимному расположению складок. Правокулисные складки формируются при правом сдвиге и левокулисные при левом. Из геометрии поля на­пряжения в простом сдвиге можно вывести ожидаемые направления ассоциирован­ных риде­левских сколов, сбросов и надвигов

Эти соображения проиллюстрированы таблицей типов и кинематических характеристик сдвигов, которая расположена здесь.