Московский государственный университет

им. М.В. Ломоносова

Геологический факультет

Кафедра динамической геологии

Утверждена

Методическим Советом

Геологического факультета МГУ

' ' ______________ 200_ г.

П Р О Г Р А М М А

курса

'ТЕКТОНОФИЗИКА'

Для студентов 401 и 402 групп IV курса

Геологического факультета МГУ

Составили:

Зав. Лабораторией

тектонофизики и геотектоники

им. В.В. Белоусова,

доктор геол.-мин. наук

М.А. Гончаров

Ст. научный сотрудник

Н.С. Фролова

Москва - 2006

ПРЕДИСЛОВИЕ

Курс читается в 7-м и 8-м семестрах студентам Кафедры динамической геологии и Кафедры региональной геологии и истории Земли. Он основан на предшествующих фундаментальных курсах 'Общая геология', 'Физика' и 'Структурная геология и геологическое картирование' и увязан с фундаментальными курсами 'Геоморфология' и 'Геотектоника'.

Основная цель курса - не только приобретение будущими бакалаврами конкретных знаний в области тектонофизики. Очень вероятно, что подавляющее большинство из них в дальнейшем не будут заниматься не только тектонофизикой, но и вообще геологией. Поэтому в курсе предусмотрено преподнесение предмета таким образом, чтобы студенты не столько пассивно воспринимали некоторую обширную информацию, сколько активно думали вместе с преподавателями над различными проблемами и тем самым развивали навыки самостоятельного мышления, которое может пригодиться им в их дальнейшей деятельности на пользу общества.

ВВЕДЕНИЕ

Тектонофизика - научная дисциплина, пограничная между геотектоникой и физикой. Теоретическое и практическое значение понимания кинематики и динамики тектонического процесса. Методы тектонофизики. В.В. Белоусов и М.В. Гзовский - основатели отечественной тектонофизики.

Часть I

ТЕКТОНОФИЗИКА СПЛОШНОЙ (неструктурироваННОЙ) СРЕДЫ

1. ОСНОВЫ МЕХАНИКИ ДЕФОРМАЦИЙ И РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

1.1. Представление о земной коре как механически неоднородной среде. Неоднородности разных рангов. Возможность применения понятия сплошной среды с учетом дискретного строения реальных геологических тел (минералов, пород, толщ). Однородность и неоднородность, изотропия и анизотропия сплошной среды.

1.2. Тектоническое течение как сочетание поступательного движения, вращения и деформации элементарных объемов геологической сплошной среды. Понятие о течении в механике сплошной среды. О судьбе термина 'течение'. Тектоническое течение. Деформация как изменение взаимного расположения частиц элементарного объема. Размерность и единицы измерения деформации. Главные оси деформации. Деформация как тензор. Эллипсоид деформации. Однородные и неоднородные деформации геологических тел. Простейшие типы деформаций. Относительность понятия однородности деформации применительно к телам разного масштабного ранга. Простейшие количественные расчеты в случаях однородной деформации. Скорости компонентов тектонического течения, их размерность и единицы измерения.

1.3. Напряженное состояние сплошной среды. Силы в трех законах Ньютона. Одноосное напряженное состояние. Нормальные и касательные напряжения, их соотношение. Двухосное напряженное состояние. Трехосное напряженное состояние. Главные оси напряжений. Общее напряжение как сочетание равномерного всестороннего сжатия и девиаторного напряжения, роль этих составляющих в деформации элементарного объема. Размерность и единицы измерения напряжений. Поле напряжений.

1.4. Взаимоотношение напряжений и деформаций (элементы реологии). Упругая деформация. Предел упругости. Пластическая деформация. Механизмы пластической деформации в зависимости от ранга деформируемого тела. Релаксация и ползучесть.

1.5. Прочность и разрушение тел. Предел прочности. Отрыв и скалывание. Хрупкое и вязкое разрушение. Относительность понятий о пластической и разрывной деформации в зависимости от соотношения размеров тел и нарушающих их сплошность разрывов (трещин). Разрывная деформация некоторого объема среды как механизм пластической деформации более крупного объема, альтернатива пластической деформации соразмерного объема и координатор пластической деформации более мелких объемов. Разрывное нарушение как предельный случай неоднородности деформации.

2. ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЗМА ТЕКТОНИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ

2.1. Специфика тектонических деформаций, обусловленная большими объемами горных пород и длительностью процесса. Невозможность экспериментов с природными геологическими объектами. Принципы физического моделирования тектонических деформаций. Условия геометрического и физического подобия. Эквивалентные материалы. Упрощение моделирования в случае автоматического выполнения условий подобия.

2.2. Деформационные свойства горных пород и толщ. Различия и изменчивость деформационных свойств горных пород и толщ при разных значениях 'внешних' параметров. Роль поровых и трещинных флюидов. Зависимость деформационных свойств геологических тел от их ранга и размера (минералов, пород, слоистых толщ пород). Влияние неоднородности и анизотропии строения тел на их деформационные свойства.

2.3. Неустойчивость пластической деформации однородной среды. Образование шеек и трещин отрыва при растяжении слоев. Складкообразование при сжатии слоев. Концентрация деформации во все более узкой зоне при сдвиге. Разрывообразование как предельный случай неустойчивости пластической деформации. Энергетическая причина неустойчивости деформации. Усиление неустойчивости деформации в случае неоднородной среды.

2.4. Влияние силы тяжести на тектонические деформации. Тектоническое течение, обусловленное силой тяжести. Инверсия плотности в земной коре, причины ее возникновения и ее роль в тектонических деформациях. Критерий устойчивости Рэлея. Условия возникновения конвекции. Условия функционирования конвекции в линейной или купольной формах.

3. РЕКОНСТРУКЦИЯ ТЕКТОНИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

3.1. Принципы реконструкции и анализа деформаций и напряжений. Отличие реконструкции деформаций от реконструкции напряжений. Значение количественной оценки деформаций горных пород и толщ. Специфика геологической среды, которую надо учитывать при реконструкции деформаций и напряжений. Понятие о стрейн-анализе. Эллипсоид деформации и его форма.

3.2. Методы стрейн-анализа, применяемые к деформированным объектам разного масштаба. Внутрислойные деформации: изучение структур вращения; статистический метод Фрая; полуколичественные методы оценки деформации в кливажированных породах; измерение деформации по включениям, первоначальная форма которых известна; метод R_f/Ø_f. Деформации слоев горных пород. Деформации пачек слоев горных пород. Деформации слоистых толщ. Деформации массивов горных пород.

3.3. Поля деформаций разного ранга. Поле деформаций складчатой толщи. Поле деформаций отдельной складки. Поле деформаций осадочного ритма на крыле складки.

3.4. Приблизительная количественная оценка деформаций и напряжений. Понятие о стрейн-фациях ('тектонофациях') и полуколичественная оценка деформаций. Понятие о стресс-фациях и качественная оценка величины напряжений. Количественная оценка величины напряжений в простейших случаях.

4. СТРУКТУРНЫЕ ПАРАГЕНЕЗЫ

4.1. Структурно-парагенетический анализ. Понятие о парагенезах - значительный прогресс в разных областях геологии. Переход от описания отдельных структурных форм к выявлению парагенезов этих форм, образовавшихся в единой геодинамической обстановке. Представление реальных геодинамических обстановок в земной коре в виде сочетания элементарных обстановок

4.2. Элементарные геодинамические обстановки. Понятие об элементарных геодинамических обстановках. Комбинаторный анализ различных вариантов элементарных геодинамических обстановок. Роль первоначально горизонтальной слоистости в принципиальном различии элементарных геодинамических обстановок. Представление реальных геодинамических обстановок в земной коре в виде сочетания элементарных.

4.3. Структурные формы (составные части структурных парагенезов) в разных элементарных геодинамических обстановках. Горизонтальное сжатие. Горизонтальное растяжение. Горизонтальный сдвиг в горизонтальной плоскости. Горизонтальный сдвиг в вертикальной плоскости. Вертикальный сдвиг.

4.5. Пространственное сочетание элементарных геодинамических обстановок и соответствующих им структурных парагенезов как результат компенсационной организации тектонического течения в земной коре. Отличие понятий 'тектоническое движение' и 'тектоническая деформация'. Структурный парагенез как отражение только деформационного компонента тектонического течения. Взаимная компенсация вертикальных и горизонтальных тектонических движений. Компенсация (в шахматном порядке) горизонтального сжатия на одних участках горизонтальным растяжением на соседних (по латерали и вертикали) участках. Геодинамическая ячейка: координация компенсирующих друг друга движений и деформаций вращением отдельных участков. Структурная ячейка как комплекс взаимно совместимых структурных парагенезов. Две формы поверхностного горизонтального потока.

4.6. Смена элементарных геодинамических обстановок и наложение соответствующих им структурных парагенезов в процессе тектонического течения. Координаты Эйлера для характеристики поступательного движения и вращения и координаты Лагранжа для характеристики деформации. Роль поступательной компоненты тектонического течения в перемещении элементарных объемов горных пород на участки с иной геодинамической обстановкой. Роль вращательной компоненты тектонического течения в изменении знака или направления деформации элементарного объема. Последовательное наложение разных структурных парагенезов. Проблема механизма наложения структурных парагенезов.

Часть II

ТЕКТОНОФИЗИКА СТРУКТУРИРОВАННОЙ СРЕДЫ

5. ФИЗИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ

К ИЗУЧЕНИЮ ДЕФОРМАЦИЙ СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД

5.1. Атомно-молекулярный подход к изучению деформации твердых тел. Идеальный кристалл. Дефекты реальных кристаллических структур: точечные, линейные, плоскостные. Механизмы пластической деформации (пластичности) кристаллов: диффузия, трансляция, смещение зерен по границам. Влияние внешних условий деформирования на пластичность кристаллов.

5.2. Структурообразование в неоднородной, иерархически построенной геологической среде.

Роль неоднородностей геологической среды в протекании динамических процессов. Структурные уровни деформаций геологической среды. Концентраторы напряжений разных уровней.

7. ДЕФОРМАЦИИ УРОВНЯ СЛОЕВ

7.1. Механика изгиба. Особенности строения геологической среды на уровне слоев. Определение изгиба. Продольный изгиб в свободном воздухе. Продольный изгиб в среде, оказывающей сопротивление. Уравнение Био.

7.2. Типы и механизм образования складок продольного укорочения. Концентрические складки: определение, геометрия и механизм образования. Подобные складки: морфология, характерные черты, условия образования. Однородная деформация при складкообразовании. Три этапа складкообразования.

7.3. Складки продольного укорочения в пачках неоднородного состава. Влияние вязкости и мощности слоев на форму складок. Формирование складок в пачках с ритмичным чередованием слоев. Величина деформации при образовании складок продольного укорочения.

7. 4. Особенности складчатой структуры в толщах слоев. Понятие о дисгармонии складчатости. Типы и причины дисгармонии.

8. РАЗРЫВНЫЕ НАРУШЕНИЯ В НЕОДНОРОДНОЙ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЕ

8.1. Природа тектонических разрывов. Разрыв как зона резкой локализации деформации. Появление нового уровня структурной организации геологической среды.

8.2. Образование разрывов. Три типа дизъюнктивных структур: структуры растяжения, сдвига и сжатия. Механизм формирования дизъюнктивов сжатия. Причины и механизмы зарождения зон локализованной деформации.

9. МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ

НЕКОТОРЫХ ПАРАГЕНЕЗОВ СТРУКТУРНЫХ ФОРМ

9.1. Кливажные парагенезы. Кливаж и бороды нарастания. Кливаж и минеральные жилы.

9.2. Кливажно-складчатые парагенезы. Соотношение слоистости и кливажа. Геометрические соотношения кливажа и складок. Парагенетическая связь кливажа и складок. Формирование кливажно-складчатых парагенезов.

9.3. Разрывно-складчатые парагенезы. Парагенез кливаж-складки продольного укорочения-разрывы. Парагенез складки продольного укорочения-разрывы.

10. Складчато-покровные парагенезы

10.1. Понятие о покровах и их классификация. Определение покрова. Покровы-складки и покровы-пластины.

10.2. Строение и условия формирования покровов-пластин. Характеристика комплексов, слагающих покровы-пластины. Ступенчатый профиль поверхности сместителя. Параллельные и смыкающие надвиги. Базальная поверхность срыва. Роль деформационной среды и жесткого основания в их формировании.

10.3. Структурные парагенезы складчато-покровных областей. Шарьяжные пластины, их ограничения, надвиги внутри шарьяжных пластин. Кинематика движения покровов-пластин. Складки в складчато-покровных областях. Шарьяжные системы.

10.4. Моделирование шарьяжей. Физическое моделирование. Кинематическое моделирование, его модернизация с применением компьютера. Решение прямых и обратных задач с помощью моделирования.

10.5. Проблема происхождения шарьяжей. Гравитационная гипотеза. Компрессионная гипотеза. Гипотеза глубинного поддвига. Гипотеза латерального растекания. Конвекционная гипотеза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перспективы развития учения о структурных парагенезах. От структурных форм к их сочетаниям (структурным парагенезам), от структурных парагенезов к их сочетаниям (структурным ячейкам), от структурных ячеек к структурным системам, от структурных систем одного ранга к системам разных рангов - общая тенденция развития данного научного направления. Понятие о пяти аспектах организации геодинамических и соответствующих им структурных систем (компенсационном, многоярусном, иерархическом, разрывно-пластическом и твердо-жидком) как следствии пяти фундаментальных деформационных свойств геологической среды.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ

Помимо лекций, в курсе предусмотрены практические занятия, включающие в себя:

1. Семинары. Они посвящены решению задач двух типов. Первый тип задач направлен на усвоение теоретического курса. Второй тип - это прямые и обратные задач по реконструкции деформаций и напряжений в различных геологических телах.

2. Моделирование на ЭВМ в компьютерном классе. Прогноз структурных парагенезов, возникающих на разных участках конвективной ячейки на последовательных этапах процесса конвекции. Анализ кинематики процесса формирования структур шарьяжного парагенеза.

ФОРМЫ И СРОКИ КОНТРОЛЯ

1. Задание для самостоятельной работы, полученное на практических занятиях, консультируется преподавателем и сдается в законченном виде в конце семестра.

2. 7-й (осенний) семестр завершается зачетом.

3. 8-й (весенний) семестр завершается экзаменом.

ЛИТЕРАТУРА

Основная:

Гончаров М.А., Талицкий В Г., Фролова Н.С. Введение в тектонофизику. М.: Книжный дом 'Университет', 2005. 496 с.

Дополнительная:

Белоусов В.В. Структурная геология. 3-е изд. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. 244 с.

Белоусов В.В., Гончаров М.А. Автоматическое выполнение условий подобия в простейших случаях тектонического моделирования // Экспериментальная тектоника и полевая тектонофизика. Киев, Наукова думка. 1991. С. 16-20.

Гзовский М.В. Основы тектонофизики. М.: Наука, 1975. 536 с.

Гончаров М.А. Механизм геосинклинального складкообразования. М.: Недра, 1988. 264 с.

Гутерман В.Г. Механизмы тектогенеза: По результатам тектонофизического моделирования. Киев: Наук. думка, 1987. 172 с.

Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика сплошных сред. 2-е изд. М.: Гостехиздат, 1954. 796 с.

Лукьянов А.В. Пластическая деформация и тектоническое течение в литосфере. М.: Наука, 1991. 144 с.

Методы моделирования в структурной геологии / В.В. Белоусов, А.В. Вихерт, М.А. Гончаров и др. М.: Недра, 1988. 222 с.

Николя А. Основы деформации горных пород. М.: Мир, 1992. 164 с.

Паталаха Е.И. Тектонофациальный анализ складчатых сооружений фанерозоя. М.: Недра, 1985. 169 с.

Рамберг Х. Сила тяжести и деформации в земной коре. М.: Недра, 1985. 399 с.

Хаин В.Е. Важное достижение отечественной науки (рецензия и комментарий к книге 'Введение в тектонофизику') // Геотектоника. 2006. ? 1. С. 95-96.

Эз В.В. Складкообразование в земной коре. М.: Недра, 1985. 191 с.

Экспериментальная тектоника: (Методы, результаты, перспективы). М.: Наука, 1989. 302 с.

Davis G.H., Reynolds S.J. Structural geology of rocks and regions. 2nd edition. New York: John Wiley & Sons, 1996. 776 pp.

Ramsay J.G., Huber M.I. The techniques of modern structural geology. Vol.1. Strain analysis. London: New York: Acad. Press, 1983. 307 p.

Михаил Адрианович ГОНЧАРОВ

Наталья Сергеевна ФРОЛОВА

П Р О Г Р А М М А

курса

'ТЕКТОНОФИЗИКА'

IV курс

Общий объем 40 часов,

из них 28 ч. лекций,

12 ч. практических занятий

Редактор проф. Н.В. Короновский

Адрес: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ,

Геологический факультет

Телефон: 939-31-18 (учебная часть)

939-20-33 (кафедра динамической геологии)