Zestaw 10

1. Scharakteryzuj współrzędne odkształcenia: regionalne, strukturalne i kinematyczne

Jeżeli przyjąć założenie, że objętość odkształcanego materiału nie zmienia się, to w stosunku do średnicy pierwotnej kuli jedna oś musi ulec wydłużeniu, druga skróceniu, a trzecia pozostaje niezmienna (w przybliżeniu). Wyznaczają one lokalny układ współrzędnych deformacyjnych oznaczany X, Y i Z i X > Y > Z. Jeżeli orientacja elipsoid odkształcenia na danym terenie jest zbliżona lub taka sama (kierunkowa jednorodność odkształcenia), to jest to też układ współrzędnych regionalnych: X jest kierunkiem poszerzania - ekstensji, Z kierunkiem skrócenia tektonicznego - kontrakcji, a Y odpowiadają niewielkie zmiany lub jest ich brak. Przejawem odkształceń ciągłych są fałdy, dlatego dla opisu osi odkształceń w fałdach stosuje się symbole A, B i C, gdzie A > B > C. Oś B odpowiada osi fałdów, A leży w linii upadu powierzchni osiowej, a oś C jest do niej prostopadła. Są to więc osie układu współrzędnych strukturalnych, ale nie należy ich utożsamiać z układem XYZ, ponieważ kierunki głównego odkształcenia w fałdach nie są dokładnie skorelowane z kierunkami deformacyjnymi, a elipsoidy odkształceń w fałdach mają dodatkowo różną orientację. Osie układu współrzędnych kinematycznych służą do opisywania ruchów i oznacza się je a, b, c (w przypadku fałdów) oraz x, y, z, aby uniknąć konotacji strukturalnych, a często osie a, b, c nie pokrywają się z osiami x, y, z.

2. Jak można wyznaczyć zwrot przemieszczenia uskokowego?

• za pomocą spękań pierzastych (spękania Riedla) - są one ustawione konsekwentnie względem zwrotu przemieszczenia

• za pomocą zadziorów tektonicznych - zwrot ruchu zgodny z tzw. kryterium gładkości, gdy zadziory są wykształcone w pokrywie mineralnej wykazującej lineację sekrecyjną. Gdy zwrot niezgodny z kryterium gładkości, gdy zadziory są wykształcone bezpośrednio w skale.

• za pomocą wskaźników kinematycznych w skałach magmowych i metamorficznych:

• wzajemne położenie przemieszczonych obiektów po obu stronach strefy ścinania

• kierunek sigmoidalnego wygięcia foliacji s na brzegach strefy ścinania lub w miejscach przecięcia z równoległymi do tych brzegów powierzchniami foliacji c, wzdłuż których zachodzi ścinanie - ze wzrostem intensywności deformacji powierzchnie s ulegają do rotacji do położenia c

• kierunek obrotu zrotowanych porfiroblastów, w których ciągi wrostków mineralnych wyznaczają reliktową foliację

• położenie tzw. ogonów dynamicznej rekrystalizacji w strefie cieni naciskowych - struktury σ i δ

• zwrot wzajemnego przemieszczenia fragmentów pokruszonych lub rozłupanych wzdłuż płaszczyzn łupliwości osobników mineralnych

• uporządkowane ułożenie (widoczne zwykle pod mikroskopem) dynamicznie zrekrystalizowanych ziarn mineralnych (zwłaszcza Q), ukośne względem foliacji s

3. Jak powstają spękania pierzaste?

Spękania pierzaste są formowane w trakcie jednego epizodu tektonicznego, ale mogą być także formowane podczas kilku epizodów - struktury pierzaste mają wtedy różną orientację, a gdy poszczególne epizody następowały kolejno po sobie, lecz ich orientacja była podobna, wówczas mogą powstawać sekwencje struktur pierzastych. Relief pierzasty powstaje dla ścięć typu I. Środkiem struktury pierzastej zazwyczaj biegnie szew, wzdłuż którego odbywała się propagacja naprężeń. Spękania są wygięte zgodnie z kierunkiem propagacji naprężeń. Wśród struktur pierzastych wyróżnia się strukturę miotlastą, która przypomina w planie zarys miotły:

4. Jak można klasyfikować uskoki?

a) kąt upadu powierzchni uskokowej α. Wyróżnia się:

• uskoki pionowe: α = 90°

• uskoki strome: α od 45° do 90°

• uskoki połogie: α od 0° do 45°

• uskoki listryczne: uskoki o zmieniającym się systematycznie kącie upadu powierzchni uskokowej w przekroju poprzecznym. Wyróżnia się:

• uskoki szuflowe - wartość kąta upadu maleje w głąb

• uskoki nawieszone - wartość kąta upadu rośnie w głąb

b) kierunek ruchu uskokowego względem powierzchni uskokowej - najpopularniejsze kryterium klasyfikacyjne, dzielące uskoki na:

• uskoki zrzutowe: ruch jest równoległy do linii upadu powierzchni uskokowej. Są tu 3 możliwości:

• uskok normalny - powierzchnia uskokowa nachylona w stronę skrzydła zrzuconego

• uskok odwrócony (inwersyjny) - powierzchnia uskokowa nachylona w stronę skrzydła wiszącego

• uskok progowy (termin nieużywany w literaturze zagranicznej) - pionowa powierzchnia uskokowa.

Bliskie sobie, równoległe uskoki normalne lub progowe o tym samym kierunku zrzutu to uskoki progowe.

• uskoki przesuwcze - ruch równoległy do linii biegu powierzchni uskokowej. 2 możliwości:

• uskoki lewoprzesuwcze (lewoskrętne, sinistralne) - ruch wywołuje rotację lewoskrętną

• uskoki prawoprzesuwcze (prawoskrętne, dekstralne) - rotacja przyuskokowe prawoskrętna

• uskoki zrzutowo-przesuwcze - kierunek ruchu zawiera się między liniami biegu i upadu powierzchni uskokowych. 3 możliwości:

• uskoki normalno-przesuwcze - powierzchnia uskokowa nachylona w stronę skrzydła zrzuconego

• uskoki inwersyjno-przesuwcze - powierzchnia uskokowa nachylona w stronę skrzydła wiszącego

• uskoki progowo-przesuwcze - powierzchnia uskokowa pionowa

c) tor ruchu uskokowego:

• uskoki translacyjne - tor ruchu prostoliniowy lub łamany

• uskoki rotacyjne - łukowy tor ruchu. 2 możliwości:

• uskok zawiasowe - wzdłuż całego uskoku jest jeden zwrot ruchu

• uskoki nożycowe - wzdłuż uskoku występują 2 przeciwne zwroty ruchu

d) zwrot ruchu uskokowego względem struktury ogólnej - podstawa dla praktycznego wyróżnienia wśród uskoków zrzutowych:

• uskoków antytetycznych - przeciwdziałają następstwom strukturalnym nachylenia warstw lub działania uskoku nadrzędnego

• uskoków homotetycznych - wzmacniają następstwa strukturalne nachylenia warstw lub działania uskoku nadrzędnego

Terminy te mogą być też przydatne przy opisywaniu uskoków przesuwczych

e) przebieg uskoku względem ogólnego trendu strukturalnego:

• uskoki podłużne

• uskoki poprzeczne

• uskoki skośne

Analogicznie, ale w odniesieniu do lokalnego trendu strukturalnego można mówić o:

• uskokach wzdłuż biegu

• uskokach wzdłuż upadu

• uskokach diagonalnych

5. Czym różnią się nasunięcia sekwencyjne od pozasekwencyjnych? Podaj przykłady

• nasunięcia sekwencyjne tną warstwy w górę profilu (nasuwają starsze skały na młodsze). Nasunięcie sekwencyjne w strefach sfałdowanych tnie daną warstwę tylko raz;

• nasunięcia pozasekwencyjne tną warstwy skalne w górę lub w dół profilu (nasunięcia skał starszych na młodsze lub na odwrót). W warstwach sfałdowanych nasunięcie pozasekwencyjne może ciąć daną warstwę w obydwu skrzydłach fałdu pojedynczego:

------------------------------------------------------

Zestaw 11

1. Czym różni się ścinanie proste od ścinania czystego? Podaj przykłady

a) ścinanie proste - oddziaływanie na dany element jednej pary sił przeciwnie skierowanych. Dąży ono do rotacji elementu ścinanego, a jeżeli rotacja nie jest możliwa, element doznaje odkształcenia w płaszczyźnie wektorów pary sił. Na przykładzie przekroju sześcianu w płaszczyźnie odkształcenia łatwo dostrzec, że zapoczątkowanie odkształcenia ścięciowego powoduje wywiązanie się naprężeń normalnych: ściskającego σ1 wzdłuż przekątnej ulegającej skracaniu i rozciągającego σ3 wzdłuż przekątnej wydłużanej. Oś σ2 jest prostopadła do płaszczyzny działania naprężeń skrajnych. Osie odkształceń elipsoidy deformacji będą się ustawiać mniej więcej przekątnie względem działającej pary sił w początkowej fazie odkształcenia, następnie będą się obracać aż do teoretycznego pokrycia osi X z płaszczyzną kinematyczną ab. W wyniku takiego procesu powstają fałdy asymetryczne lub obalone, a odkształcenie jest nazywane odkształceniem rotacyjnym.

b) ścinanie czyste - oddziaływanie dwóch par sił przeciwnie skierowanych. Prowadzi ono do powstania odkształcenia nierotacyjnego - osie nie zmieniają położenia, powstają fałdy stojące.

1. Scharakteryzuj procesy związane z tektoniką naskórkową

Tektonika naskórkowa to pojęcie obejmujące procesy deformacyjne związane z płytkim i rozległym odkłuciem górnych poziomów skorupy, na które składają się: odkłucie, ścięcie, uskokowanie denudacyjne.

Odkłucie - najczęstszy sposób powstawania struktur szariażowych (nasunięciowych). Z tego typu procesem jest związany rozwój dupleksów. Najczęściej odkłucie następuje wzdłuż powierzchni na granicy warstw skalnych o różnych własnościach mechanicznych. Odkłucie następuje wzdłuż powierzchni predysponowanej litologicznie. W przypadku powstawania dupleksów kontrakcyjnych mechanizm ten przedstawia się następująco: nasunięcie musi być skompensowane przez sfałdowanie lub wyjście powierzchni uskokowej na powierzchnię. Dalszy ruch powstałego w ten sposób pakietu skalnego wymaga pokonywania tylko oporów tarcia. Dźwiganie się powierzchni nasunięcia następuje wzdłuż tzw. stopnia rampowego, wzdłuż uskoku inwersyjnego. Najczęściej występuje kilka stopni rampowych. Stopień rampowy zazwyczaj występuje w miejscach kontaktów litologicznych, a zatem nacisk nasuwanego pakietu powoduje pozioma propagację pęknięcia wzdłuż powierzchni kontaktu, a po wyczerpaniu się możliwości poziomego ruchu pakietu, zachodzi wygięcie powierzchni odkłucia ku górze i wyodrębnienie łuski. Taki proces następuje wielokrotnie i łuski starsze przemieszczają się na młodszych (tzw. piggyback mechanism, jazda na barana).

Uskokowanie denudacyjne - jest to wielkoskalowa ekstensja, w wyniku której powstają połogie uskoki normalne szuflowe, o amplitudzie nawet kilkudziesięciu km. Charakterystyczny dla tych uskoków jest dla tych uskoków bardzo długi poziomy odcinek. Dzięki tego typu uskokom powstają struktury typu domino.

2. Wymień i krótko scharakteryzuj główne typy spękań

a) ze względu na stopień uporządkowania:

• spękania systematyczne - płaskie, ściśle równoległe, w wyrównanych odstępach, zachowujące ciągłość na znacznych obszarach

• spękania niesystematyczne - zakrzywione, o znacznym zróżnicowaniu kierunków, w zmiennych odstępach; utykają na spękaniach systematycznych

b) ze względu na stosunek do biegu fałdów i/lub ułożenia warstw:

• spękania podłużne

• spękania poprzeczne

• spękania diagonalne (ukośne)

• spękania ławicowe - nie posiadają często natury spękaniowej, są one równoległe do uławicenia

c) ze względu na układ naprężeń:

• Typ I - spękania ekstensyjne. Ruch względny jest prostopadły do powierzchni spękania;

• Typ II - spękania ścięciowe. Ruch ślizgowy jest prostopadły do krawędzi spękania;

• Typ III - spękania ścięciowe. Ruch ślizgowy jest równoległy do krawędzi spękania;
  
  

d) ze względu na naturę mechaniczną:

• spękania ekstensyjne

• spękania ścięciowe

• spękania hybrydowe - spękania sprzężone o kącie dwuściennym praktycznie 0<2θ<45°; pojawiają się na granicy ekstensji i kompresji

Zestaw 12

1. Scharakteryzuj procesy zginania

Zginanie występuje pospolicie w procesach fałdowania, więc należy je rozpatrzyć na przykładzie zginanej warstwy. W zewnętrznej części (wypukłej) warstwy następuje przyrost długości łuku - wywiązują się naprężenia rozciągające. W kierunkach prostopadłych do powierzchni fałdu następuje skrócenie osi elipsoidy odkształcenia. Inaczej jest w wewnętrznej części zginanej warstwy: następuje skrócenie długości łuku. Oś fałdu pokrywa się z osią naprężenia σ2. Między strefą wydłużania i skracania łuku istnieje powierzchnia neutralna, gdzie nie następują większe odkształcenia. Teoretycznie znajduje się ona w połowie miąższości warstwy, ale z postępem zginania może się pokryć z powierzchnią wewnętrzną i wtedy w całej warstwie występuje poprzeczne względem osi fałdu rozciąganie.

Zginanie występuje najczęściej w jednej płaszczyźnie, wymiar wzdłuż osi Y zazwyczaj zmienia się niewiele, więc często zginanie analizuje się w płaskim stanie naprężeń.

2. Wymień znane Ci klasyfikacje uskoków

Klasyfikacja geometryczna uskoków dzieli je ze względu na:

a) kąt upadu powierzchni uskokowej α. Wyróżnia się:

• uskoki pionowe: α = 90°

• uskoki strome: α od 45° do 90°

• uskoki połogie: α od 0° do 45°

• uskoki listryczne: uskoki o zmieniającym się systematycznie kącie upadu powierzchni uskokowej w przekroju poprzecznym. Wyróżnia się:

• uskoki szuflowe - wartość kąta upadu maleje w głąb

• uskoki nawieszone - wartość kąta upadu rośnie w głąb

b) kierunek ruchu uskokowego względem powierzchni uskokowej - najpopularniejsze kryterium klasyfikacyjne, dzielące uskoki na:

• uskoki zrzutowe: ruch jest równoległy do linii upadu powierzchni uskokowej. Są tu 3 możliwości:

• uskok normalny - powierzchnia uskokowa nachylona w stronę skrzydła zrzuconego

• uskok odwrócony (inwersyjny) - powierzchnia uskokowa nachylona w stronę skrzydła wiszącego

• uskok progowy (termin nieużywany w literaturze zagranicznej) - pionowa powierzchnia uskokowa.

Bliskie sobie, równoległe uskoki normalne lub progowe o tym samym kierunku zrzutu to uskoki progowe.

• uskoki przesuwcze - ruch równoległy do linii biegu powierzchni uskokowej. 2 możliwości:

• uskoki lewoprzesuwcze (lewoskrętne, sinistralne) - ruch wywołuje rotację lewoskrętną

• uskoki prawoprzesuwcze (prawoskrętne, dekstralne) - rotacja przyuskokowe prawoskrętna

• uskoki zrzutowo-przesuwcze - kierunek ruchu zawiera się między liniami biegu i upadu powierzchni uskokowych. 3 możliwości:

• uskoki normalno-przesuwcze - powierzchnia uskokowa nachylona w stronę skrzydła zrzuconego

• uskoki inwersyjno-przesuwcze - powierzchnia uskokowa nachylona w stronę skrzydła wiszącego

• uskoki progowo-przesuwcze - powierzchnia uskokowa pionowa

c) tor ruchu uskokowego:

• uskoki translacyjne - tor ruchu prostoliniowy lub łamany

• uskoki rotacyjne - łukowy tor ruchu. 2 możliwości:

• uskok zawiasowe - wzdłuż całego uskoku jest jeden zwrot ruchu

• uskoki nożycowe - wzdłuż uskoku występują 2 przeciwne zwroty ruchu

d) zwrot ruchu uskokowego względem struktury ogólnej - podstawa dla praktycznego wyróżnienia wśród uskoków zrzutowych:

• uskoków antytetycznych - przeciwdziałają następstwom strukturalnym nachylenia warstw lub działania uskoku nadrzędnego

• uskoków homotetycznych - wzmacniają następstwa strukturalne nachylenia warstw lub działania uskoku nadrzędnego

Terminy te mogą być też przydatne przy opisywaniu uskoków przesuwczych

e) przebieg uskoku względem ogólnego trendu strukturalnego:

• uskoki podłużne

• uskoki poprzeczne

• uskoki skośne

Analogicznie, ale w odniesieniu do lokalnego trendu strukturalnego można mówić o:

• uskokach wzdłuż biegu

• uskokach wzdłuż upadu

• uskokach diagonalnych

3. Czym odznaczają się fałdy cylindryczne?

Fałdy cylindryczne - powierzchnie ławic stanowią powierzchnie walcowe dające się odwzorować przez ruch tworzącej. Powierzchnie sfałdowane są rozwijalne do płaszczyzny.

4.Jak można scharakteryzować orientację spękań?

Należy zmierzyć kąt biegu i upadu za pomocą kompasu geologicznego. Spękania muszą cechować się regularnością, by można je było aproksymować płaszczyzną. Można wykonywać pomiary bezpośrednio na podkładce lub celując z pewnej odległości, lecz spękania nie mogą być zbyt strome. Gdy istnieje ciągłe, łukowate przejście między dwoma zespołami spękań, a gdy te dwa zespoły w innych miejscach występują jako kierunki niezależne, należy potraktować takie spękania osobno. W pomiarach podziemnych stosuje się orientowniki. W przypadku zorientowanych rdzeni wiertniczych pomocny jest przymiar intersekcyjny.

Celem pomiaru w danym miejscu jest statystyczne określenie rozkładu spękań, reprezentatywnego dla jakiegoś obszaru. Trzeba dokonać selekcji miejsc pomiaru tak, by były one rozmieszczone w miarę równolegle pokrywać analizowany obszar. Odcinki frontu odsłonięcia powinny reprezentować jak największy wachlarz kierunków i mieć porównywalną długość, by spękania były odsłonięte w porównywalnej ilości. Do porównywania spękań nadają się pomiary wykonane w skałach o tej samej litologii i zbliżonej miąższości, na podobnej głębokości od powierzchni terenu. Jeśli głębokość jest zróżnicowana, należy prowadzić pomiary dla poszczególnych poziomów. W naturze zwykle nie udaje się spełnić wszystkich warunków, ale niespełnienie jednego warunku w odsłonięciu należy zrównoważyć w druga stronę w następnym odsłonięciu. Pomiary spękań ciosowych są szczególnie wrażliwe na odchylenie ściany. Taki pomiar przed wprowadzeniem do zbioru należy skorygować arytmetycznie.

Przedstawienie wyników jest możliwe w formie tabelarycznej lub graficznej. W formie numerycznej przedstawia się tabelę z przedziałami kierunków, liczby przypadających nań pomiarów, udziału procentowego w całej populacji, charakterystykę statystyczną. Umieszcza się też charakterystykę jakościową spękań, np. morfologię i kształt spękań, mineralizację, rozwarcie. Wśród metod graficznych: metoda wektorowa i metoda map powierzchni trendu, lecz najpopularniejsze są diagramy orientacji rozetowe, przestrzenne punktowe lub łukowe lub gęstościowe.

W obszarach pustynnych najbardziej przydatna jest analiza zdjęć lotniczych wielkoskalowych, ale taka analiza musi być poprzedzona stworzeniem klucza do interpretacji sporządzonego z badań terenowych. W terenach o wyższym stopniu zakrycia informacje są niepewne i obarczone dużym prawdopodobieństwem błędu, a wyznaczyć można jedynie bieg największych spękań.

Badanie orientacji spękań w rdzeniach wiertniczych i otworach nie jest zbyt obiecujące, gdyż przedstawiają one wycinek skały o niewielkiej średnicy.

5. Jak powstały płaszczowiny Karpat zewnętrznych?

Powstanie płaszczowin Karpat zewnętrznych tłumaczy się kolizją bloku Adria, należącego do płyty afrykańskiej z kontynentem europejskim na przełomie oligocen/miocen. Zachodnia jego część - Blok Pólnocnopanoński spowodował wypiętrzenie Alp. Wschodni blok, którego częścią jest Alkapa, powodował ruch przeciwny do ruchu wskazówek zegara i sfałdowanie Karpat północnych. Część wschodniego fragmentu - blok Tisia-Dacia powodował ruch zgodny z ruchem wskazówek zegara i sfałdowanie Karpat południowo-wschodnich. Ruch bloku Adria powodował odkłucia utworów osadowych na przedpolu i ich intensywne fałdowanie. Obszarem źródłowym dla utworów Karpat fliszowych jest Kotlina Panońska.

------------------------------------------------------

Zestaw 13

1. Scharakteryzuj naprężenia normalne i styczne w dwuosiowym stanie naprężenia

Rozpatrzmy izotropową próbkę skalną w przecięciu wzdłuż płaszczyzny, w której leżą osie działających na ten wycinek naprężeń głównych σ1 i σ3, σ1>σ2>σ3. Naprężenie σ2 nie odgrywa istotnej roli deformacyjnej. σ1 działa poziomo, a σ3 pionowo, obydwa są ściskające - sytuacja nacisku tektonicznego + ciśnienie nadkładu. Aby dowiedzieć się, jakich deformacji można oczekiwać przy różnych proporcjach naprężeń przyczynowych, musimy określić stan naprężeń w strefie przekroju, poprowadzonego pod kątem α do osi naprężenia σ3.

Naprężenia normalne do linii przekroju to suma naprężeń: σn1 + σn3, wynikających z działania sił σ1 i σ3:

σn = σn1 + σn3 = σ1cos2α + σ3sin2α = (σ1 + σ3)/2 + ((σ1 - σ3)/2)cos2α

W przekrojach o α = 0° σn1 = σ1 i α = 90° σn3 = σ3. Naprężenie styczne jest przeciwnie skierowane - jest ono różnicą naprężeń cząstkowych τ1 i τ3. Naprężenie to spada do 0 w przekrojach o α = 0° i 90°, a największe jest gdy α = 45° i wynosi:

τmax = (σ1 - σ3)/2

Warunek ten jest spełniony w dwóch przekrojach, przypadających na 2 wzajemnie prostopadłe płaszczyzny największego ścinania, symetralne względem osi σ1 i σ3, krzyżujące się wzdłuż osi σ2. Dla tektoniki ważnym faktem wyrażonym przez wzór na τ jest to, że ważna jest różnica naprężeń σ1 i σ3, a nie bezwzględna ich wartość. Różnica ta nazywana jest naprężeniem dewiatorowym i odpowiada ono za możliwość powstawania uskoków, zatem na większych głębokościach, gdzie panuje stan zbliżony do hydrostatycznego możliwość będzie mniejsza niż w strefach płytszych.

2. Jak powstają baseny międzyprzesuwcze?

Baseny międzyprzesuwcze, pull-apart basins, powstają przy zakończeniach uskoków przesuwczych, w miejscach, gdzie linia uskoku jest nieregularna: występują „zakładki”, zazębienia skrzydeł uskoku. Gdy następuje ruch transtensyjny (ruch przesuwczy + ekstensja), następuje otwieranie szczeliny, która może mieć w planie kształt romboidalny lub soczewkowaty, w zależności od własności mechanicznych ośrodka skalnego. Ponieważ uskoki stanowią często drogę migracji roztworów, następuje zapełnianie powstałego zapadliska wodą. Jeśli zapadlisko to ma małe rozmiary w planie i jest głębokie, to w jego obrębie występuje jedno depocentrum, jeśli jest ono duże i płytkie - 2 depocentra.

Baseny międzyprzesuwcze mogą powstawać także w wyniku łączenia się otwierających się spękań R i R', Y i P.

3. Jak powstają strefy trójkątne? Podaj stosowne przykłady

struktura trójkątna - struktura zbliżona w przekroju poprzecznym do trójkąta, ograniczona od dołu połogą powierzchnią odkłucia, a od góry dwiema przeciwnie zapadającymi powierzchniami nasunięć, które wykazują przeciwstawne zwroty przemieszczeń nasuwczych. W jej przedniej części występuje wsteczne nasunięcie frontalne i monoklina frontalna, powstałe wskutek ruchu orogenu w stronę przedgórza i odkłucia części pakietów skalnych zapadliska przedgórskiego (można zrobić rysunek).

Przykłady:

• Appalachy Południowe,

• b) Tajwan Zachodni - w miejscu kolizji płyty filipińskiej i eurazjatyckiej. Płyta filipińska porusza się w kierunku NW z prędkością 8,2 cm/rok, nasuwając się na utwory platformowe płyty eurazjatyckiej. W wyniku tego ruchu powstają uskoki inwersyjne i łuski; jest to strefa aktywna współcześnie,

• c) Kordyliery,

• d) Góry Zagros,

• e) Himalaje - w okolicy granicy między Himalajami Niższymi a Wyższymi, w podłożu występuje strefa nasuwcza, która generuje wstrząsy sejsmiczne w tym rejonie - jest zatem aktywna współcześnie,

• f) Góry skaliste w Kanadzie - w tektonice nasuwczej biorą udział najwyższe ogniwa kredy (orogen - od strony W) oraz te same ogniwa wraz z paleogeńskim wypełnieniem basenu przedgórskiego (od strony E). W tym orogenie po raz pierwszy opisano struktury trójkątne'

• g) obecnie dyskutuje się nad możliwością istnienia stref tektoniki klinowej w paleozoicznym podłożu Lubeszczyzny, a także w karbońskim piętrze fałdowo-nasuwczym Sudetów Wschodnich,

• h) Karpaty Zewnętrzne, Karpaty Wschodnie (okolice Tarnowa, Wojnicza)

4. Przedstaw podział spękań ze względu na cechy mechaniczne

Odpowiednio do rodzaju powierzchni spękań wyróżnia się:

a) spękania ekstensyjne

b) spękania ścięciowe

c) spękania hybrydowe - kąt 2θ≤60°, lecz generalnie kąt 2θ zawiera się między 0 a 45°

5. Jak rozpoznasz fałdy z płynięcia?

Płynięcie plastyczne może dokonywać się po części wzdłuż uławicenia, co pociąga zmianę miąższości ławic. W mało zaawansowanym stadium objawia się to nabrzmieniem przegubów i powstaniem struktury symilarne. W miarę wzrostu stopnia zaawansowania fałdy symilarne mogą przechodzić w fałdy grubiejące. Dochodzi do rozwoju form niecylindrycznych. Litologiczne uwarunkowania podatności są powodem, że;

• zmiany miąższościowe zachodzą niejednakowo w poszczególnych warstwach,

• w obrębie warstw o wysokiej podatności może dojść do usamodzielnionych deformacji wewnętrznych,

• najsilniej naprężone partie jądrowe podlegają wyciskaniu i mogą powstawać struktury diapirowe,

Powstają więc struktury dysharmonijne z rosnącym stopniem nieregularności. W stadium najwyższej plastyczności (wzorzec: wewnętrzne sfałdowania wysadów solnych) obserwuje się szybką zmienność lokalną struktur deformacyjnych, skrajną dysharmonię wewnętrzną, brak organizacji kierunkowej. Zjawiska te występują także w „sztywnych” typach litologicznych w sytuacjach wymuszających zachowania wysokoplastyczne.

------------------------------------------------------

Zestaw 14

1. Scharakteryzuj własności plastyczne skał

Czynniki najsilniej wpływające na własności plastyczne skał to: ciśnienie otaczające, temperatura, płyny porowe i czas.

• funkcję ciśnienia otaczającego pełni ciśnienie litostatyczne. Wyniki badań laboratoryjnych w aparacie trójosiowego ściskania wykazały, że radykalny wzrost odkształceń plastycznych następuje po podniesieniu ciśnienia litostatycznego do pewnej krytycznej wartości; systematyczny wzrost wytrzymałości następuje wraz z przyrostem ciśnienia otaczającego, co prowadzi do systematycznego wzmacniania deformowanej skały; skały o drobniejszym ziarnie wykazują znacznie wyższą wytrzymałość, wyższe wartości granic sprężystości i plastyczności. Ciśnienia uzyskane w laboratorium odpowiadają warunkom na głębokości do kilkunastu km w głąb skorupy, a to daje pogląd o głębokościowych uwarunkowaniach stylów deformacji (ciągłe zachodzą częściej na większych głębokościach niż nieciągłe)

• rola temperatury - doświadczenia laboratoryjne wykazały, że wzrost temperatury wraz z głębokością podwyższa podatność skał, obniża granicę plastyczności i wytrzymałość, co wpływa na możliwości powstawania uskoków ( poniżej 15 km dla skał osadowych oprócz kwarcytu odkształcenia są w pełni podatne)

• rola płynów porowych - doświadczenia wykazały, że ich wpływ jest trojaki:

• oddziaływanie chemiczne - długa obecność wody w skałach powoduje znaczny wzrost podatności. Rozpuszczanie pod ciśnieniem to rozpuszczanie pobudzane naprężeniem ośrodka skalnego - materiał poddany w polu ściskającym działaniu rozpuszczalnika łatwiej się rozpuszcza, a rozpuszczana substancja przenosi się miejsc o najniższych naprężeniach i tam ulega redepozycji. Proces ten następuje bez przerwania ciągłości ośrodka i uwarunkowany jest obecnością wody i więzi hydraulicznej. Koncentracja naprężeń następuje w szczelinkach i tam następuje rozpuszczanie - powstaje tzw. szew stylolitowy, których nagromadzenie jest cennym wskaźnikiem tektogenicznym. Poza stylolitami mogą powstawać wciski - wgłębienia jednych ziarn w drugie. Stylolityzacja prowadzi do zamykania porów skały.

• oddziaływania krystalochemiczne - wiele skał zmienia swe własności po nasyceniu wodą, np. spada wytrzymałość (tzw. współczynnik rozmiękczenia, czyli stosunek wytrzymałości w stanie nasyconym wodą do stanu powietrzno suchego). Zjawisko to odpowiada za przekształcenia krystalochemiczne niektórych minerałów. Niższa wytrzymałość oznacza zazwyczaj większą zdolność do odkształcenia plastycznego (powstawanie niektórych deformacji ciągłych). Innym zjawiskiem jest osłabienie hydrolityczne, występujące w kwarcu, powodujące ułatwienie płynięcia plastycznego kwarcu wzbogaconego w wodę. Gdy następuje dehydratacja (np. gipsu) po przekroczeniu pewnej temperatury, wytrzymałość skał spada, a kruchość wzrasta.

• oddziaływanie fizyczne - wzmacnia kruchość skał. Gdy do ściskanej próbki doprowadzi się płyn pod dowolnym ciśnieniem, to okazuje się, że im większe ciśnienie wody, tym mniejsza podatność odkształcenia i mniejsza wytrzymałość skały. Wnikająca do skały woda przejmuje część naprężeń normalnych równych własnemu ciśnieniu, zmniejszając o tę część oddziaływanie naprężeń na skały. Naprężenie realnie funkcjonujące w skale (naprężenie czynne) to różnica naprężenia całkowitego i ciśnienia porowego. Ważny jest też stosunek cisnienia porowego do litostatycznego oznaczany jako λ, bo gdy λ zbliża się do 1, następuje bardziej kruche zachowanie się skał

• rola czynnika czasu - czas jest specyficznym geologicznym czynnikiem plastyczności. Powolne odkształcanie ciągłe, nieodwracalne, pod działaniem obciążenia o stałej wartości, niższej od granicy sprężystości, plastyczności i wytrzymałości ustąpienia to tzw. pełzanie. Nauka zajmująca się odkształceniami z uwzględnieniem czynnika czasu to reologia.

• Ogólna krzywa pełzania pokazuje funkcję ε/t przy σ = const.: pierwszy, stromy odcinek krzywej to odkształcenie sprężyste - gdy zdejmiemy obciążenie nastąpi nawrót sprężysty. Pierwszą fazą pełzania jest płynięcie sprężyste (sprężysto-lepkie, lepko-sprężyste) - krzywa łukowato się wygina, z upływem czasu następuje spadek przyrostu odkształcenia. Nawrót sprężysty w tej fazie jest całkowity, ale nie natychmiastowy. Druga faza pełzania to płynięcie plastyczne (plastyczno-lepkie, lepko-plastyczne) - występuje liniowy, powolny przyrost odkształceń. Nawrót sprężysty, ale po zakończeniu pozostaje pewna wielkość nieodwracalna - odkształcenie trwałe.

Płynięcie skał przypomina płynięcie lepkich cieczy, więc można stosować lepkość (η) jako podstawowy parametr reologicznej charakterystyki skał:

η = σ/(Δε/Δt)

Lepkość ciał jest zależna od naprężenia, więc jest to lepkość pozorna. Znając lepkość pozorną w danych warunkach naprężenia i temperatury, można określić prędkość plastycznego płynięcia skał dokonującego się pod wpływem czasu, lub określić naprężenie konieczne do osiągnięcia określonej prędkości.

2. Omów główne koncepcje tłumaczące powstawanie rowów tektonicznych

rów tektoniczny - struktura ograniczona co najmniej z dwóch przeciwnych stron uskokami i obniżona względem otoczenia;

• obrzeżenia rowów stanowią najczęściej uskoki normalne o genezie grawitacyjnej - bezwzględnemu przemieszczeniu ulega skrzydło zrzucone. Wynika z tego, że rowy powstają w wyniku obniżania danego obszaru. W doświadczeniach H. Cloos wykazał, że uskoki na zboczach rowów typowo grawitacyjnych, powstałych w wyniku rozsuwania płyt w podłożu, zyskują kształt tym bardziej szuflowy, im szybszy jest ruch rozsuwający. Uwidacznia się to w ryftach. Według współczesnych badań do powstania dużych rowów niezbędna jest tensja dewiatorowa - przewaga naprężenia litostatycznego nad naprężeniem poziomym;

• rowy ograniczone uskokami inwersyjnymi powstają prawdopodobnie w wyniku pionowych ruchów podłoża - widoczne to jest np. na obrzeżeniach dźwiganego po kredzie górotworu świętokrzyskiego;

• teoria ramowa: rowy tektoniczne są następstwem wgniatania skorupy przez naciski poziome

• grabeny obramowane uskokami inwersyjnymi, powstałymi dzięki kompresji, poddane następnie tensji, podlegają obniżaniu;

3. Scharakteryzuj procesy związane z tektoniką skorupową

Ścinanie - następuje w wyniku działania sił o przeciwnie skierowanych zwrotach. Powierzchnia ścinania jest najczęściej ukośna względem struktur. W odniesieniu do tektoniki skorupowej ścinanie generalnie angażuje głębsze partie skorupy ziemskiej.

4. Wymień i scharakteryzuj główne typy żył

• żyły syntaksjalne - krystalizują od ścian ku centrum żyły. zbudowane z tych samych minerałów co skały otaczające. Obydwie powłoki mineralne spotykają się w miejscu szwu centralnego. Minerały włókniste narastają poprzecznie do ścian szczelin, w kierunku przeciwnym do kierunku rozwierania spękań. Powstają w warunkach ogólnej ekstensji. Zakrzywienia włóknistych nasilają się ku centrum, wskazując na zmieniający się kierunek poszerzania szczeliny.

• żyły antytaksjalne - krystalizują od centrum do ścian. Zbudowane są z włóknistych minerałów o składzie mniej lub bardziej zbliżonym do składu skały otaczającej. Minerały te przerastają w poprzek szczelinę. Niekiedy wzdłuż środka szczeliny rozciągają się inkluzje pochodzące ze skał ościennych. Wskazują one na epizodyczny proces rozwierania szczeliny. Kierunek krystalizacji jest zgodny z kierunkiem rozwierania szczeliny. Powstają w warunkach ogólnej kontrakcji, przy lokalnej ekstensji. Mechanizm pękania: hydrauliczny. Włókniste kryształy zakrzywiają się w miarę zbliżania się do ścian spękań, wskazując na zmieniający się kierunek poszerzania szczeliny.

• żyły złożone - stanowią kombinację żył syntaksjalnych i antytaksjalnych. Kierunek krystalizacji może być zgodny lub przeciwny z kierunkiem rozwierania szczelin. Powstają w zmieniających się warunkach kontrakcji i ekstensji.

• żyły kryształów „rozciągniętych” - powstają na skutek krystalizacji od ścian, przy czym krystalizacja nadąża za rozwieraniem szczeliny - brak szwu centralnego. Powstają podczas powolnej ekstensji przy udziale pękania hydraulicznego.

Według innych kryteriów można wyróżnić:

• żyły dylatacyjne - powstające dzięki mechanicznemu otwieraniu przestrzeni dla żyły;

• żyły niedylatacyjne - powstające w wyniku metasomatycznego zastępowania materiału skały otaczającej przez materiał żyły w określonym spękaniu;

5. Jak powstają fałdy i pasma kolankowe?

fałdki kolankowe (załomowe), skupione w pasmach kolankowych, to struktury niższego rzędu, stowarzyszone z fałdowaniem nadrzędnym. Traktuje się je jako zgięciowo-fałdowy ekwiwalent zaczątkowego ścinania w płaszczyznach ukośnych względem gęstych powierzchni anizotropii sedymentacyjnej lub metamorficznej, pod działaniem ściskania równoległego lub bliskiego równoległości do tych powierzchni i raczej pod znacznym ciśnieniem otaczającym, utrudniającym posuw fałdowy. Klinencja takich fałdków tworzących się podczas ustromiania skrzydła fałdu nadrzędnego, jest przeciwna niż tradycyjnie.

------------------------------------------------------

Zestaw 15

1. Scharakteryzuj główne układy sił

W przyrodzie znaczenia mają: ściskanie (kompresja), rozciąganie (tensja), ścinanie (para lub pary sił), zginanie. Zazwyczaj te układy sił występują w różnych kombinacjach.

• ściskanie i rozciąganie jednoosiowe - kula zmienia się w elipsoidę obrotową w kształcie dysku lub wrzeciona, co wskazuje na przeciwstawność ściskania i rozciągania. W przyrodzie występuje głównie ściskanie 1-osiowe na obszarach poddanych działaniu tylko siły ciężkości i ewentualnie pionowego dźwigania. Ściskanie trójosiowe to przypadek ogólny, spotykany częściej niż przypadek 1-osiowy. Stan naprężeń zależy od stosunku 3 sił, bo gdy są takie same, występuje tylko odkształcenie objętościowe (hydrostatyczny stan napręzeń). Najczęstszy przypadek: wszystkie 3 siły są różne - dotyczy to obszarów o ściskaniu 3 - osiowym, a także tych, gdzie działa w jednym kierunku siła rozciągająca, albo gdzie istnieje kierunek ułatwionego odprężania, a także tych, gdzie siły rozciągające działają w 2 kierunkach poziomych, ale z różną intensywnością.

• ścinanie - polega na oddziaływaniu na element jednej lub dwu par sił przeciwnie skierowanych. Wyróżnia się ścinanie proste (1 para sił) i czyste (2 pary sił). Ścinanie proste dąży do rotacji elementu ścinanego, a jeżeli rotacja nie jest możliwa, element doznaje odkształcenia w płaszczyźnie wektorów pary sił. Na przykładzie przekroju sześcianu w płaszczyźnie odkształcenia łatwo dostrzec, że zapoczątkowanie odkształcenia ścięciowego powoduje wywiązanie się naprężeń normalnych: ściskającego σ1 wzdłuż przekątnej ulegającej skracaniu i rozciągającego σ3 wzdłuż przekątnej wydłużanej. Oś σ2 jest prostopadła do płaszczyzny działania naprężeń skrajnych. Osie odkształceń elipsoidy deformacji będą się ustawiać mniej więcej przekątnie względem działającej pary sił w początkowej fazie odkształcenia, następnie będą się obracać aż do teoretycznego pokrycia osi X z płaszczyzną kinematyczną ab. W wyniku takiego procesu powstają fałdy asymetryczne lub obalone, a odkształcenie jest nazywane odkształceniem rotacyjnym. Ścinanie czyste - oddziaływanie dwóch par sił przeciwnie skierowanych. Prowadzi ono do powstania odkształcenia nierotacyjnego - osie nie zmieniają położenia, powstają fałdy stojące.

• Zginanie występuje pospolicie w procesach fałdowania, więc należy je rozpatrzyć na przykładzie zginanej warstwy. W zewnętrznej części (wypukłej) warstwy następuje przyrost długości łuku - wywiązują się naprężenia rozciągające. W kierunkach prostopadłych do powierzchni fałdu następuje skrócenie osi elipsoidy odkształcenia. Inaczej jest w wewnętrznej części zginanej warstwy: następuje skrócenie długości łuku. Oś fałdu pokrywa się z osią naprężenia σ2. między strefą wydłużania i skracania łuku istnieje powierzchnia neutralna, gdzie nie następują większe odkształcenia. Teoretycznie znajduje się ona w połowie miąższości warstwy, ale z postępem zginania może się pokryć z powierzchnią wewnętrzną i wtedy w całej warstwie występuje poprzeczne względem osi fałdu rozciąganie.

Zginanie występuje najczęściej w jednej płaszczyźnie, wymiar wzdłuż osi Y zazwyczaj zmienia się niewiele, więc często zginanie analizuje się w płaskim stanie naprężeń.

2. Scharakteryzuj główne typy sieci uskokowych

Sieci uskoków mogą mieć w planie układ regularny lub bezładny.

• sieć równoległa - związany z jednokierunkową ekstensją w kierunku prostopadłym (rozciąganie, rozpychanie, odprężanie);

• sieć prostokątna - efekt przewartościowania naprężeń: w trakcie regionalnego odprężania spadek naprężenia σ3 prowadzi do powstania pierwszego zespołu uskoków, następnie rolę σ3 przejmuje naprężenie prostopadłe do niego, leżące również w płaszczyźnie poziomej. Narastająca różnica naprężeń σ1 - σ3 może spowodować powstanie drugiego zespołu uskoków. Jeśli trajektorie naprężeń przebiegają mniej więcej prostoliniowo i wpływ anizotropii nie modyfikuje przebiegu uskoków, to taka sieć uskoków może się zachować na dużym obszarze. Jeśli występuje mała różnica czasu pomiędzy powstaniem poszczególnych zespołów uskoków i reorientacją naprężeń, to oznaczenie kolejności wiekowej tych uskoków może być niejednoznaczne; sieć prostokątna może być obserwowana na obszarach kratonicznych, gdzie plan naprężeń przetrwał niezwykle długo;

• sieć równoległoboczna - występuje tam, gdzie między powstaniem zespołów uskoków, a także reorientacją naprężeń głównych nastąpiła dłuższa przerwa. Stosunek wiekowy jest tutaj łatwiejszy do odczytania

• sieć kulisowa - bardziej lokalny układ uskoków; układ taki, jak kulisów w teatrze. Geneza tego typu uskoków normalnych jest związana z działaniem drugorzędnych naprężeń wywołanych przez ścinanie proste o wektorach równoległych do osi szeregu

• sieć centralna - uskoki skupione wokół niewielkiego centrum. Tą sieć reprezentują głównie uskoki koncentryczne, stanowiące podstawę do wyodrębniania struktur kolistych. Geneza zespołu uskoków jest związana z punktową przyczyną, która są zazwyczaj pionowe ruchy podłoża (dźwiganie kopuł, wulkanów, parcie pnia magmowego, wysadu solnego lub zapadanie się ich stropu). W okresie uskokowanie występował współśrodkowy układ naprężenia σ2 i promienisty σ3. Sieć centralna uskoków stanowi zainteresowanie pod względem występowania surowców, bowiem często szczeliny są wypełnione produktami mineralizacji (np. dajki stożkowe, pierścieniowe).

• sieć radialna - powstaje, gdy naprężenie σ3 jest współśrodkowe, a σ2 promieniste. Czasem uskoki w tej sieci są zajęte przez dajki promieniste.

Sieć centralna i radialna często współwystępują ze sobą, co wskazuje na reorientację kierunków naprężeń o 90 stopni w poziomie.

3. Czym różnią się dupleksy kontrakcyjne od ekstensyjnych?

Dupleksy kontrakcyjne charakteryzują się poślizgami międzyłuskowymi wykształconymi jako uskoki inwersyjne. Poszczególne łuski są nachylone w kierunku obsekwentnym w stosunku do kierunku transportu tektonicznego. Dupleksy ekstensyjne w odróżnieniu od kontrakcyjnych posiadają poślizgi międzyłuskowe wykształcone jako uskoki normalne, a kierunek nachylenia skib jest konsekwentny w stosunku do kierunku transportu tektonicznego.

4. Jak powstają spękania ciosowe?

cios na obszarach płytowych - najefektywniej rozwija się w pokrywach osadowych. Jest wybitnie uporządkowany, często ortogonalny, przyjmuje ustawienie pionowe lub bardzo strome. Powstało wiele hipotez tłumaczących powstanie ciosu na tych obszarach:

a) hipoteza tensyjna - większość spękań ciosowych na platformach ma charakter ekstensyjny, lecz ekstensję obserwuje się w kratonach w strefach ryftowych. Seryjne spękania tworzą się tam w sposób seryjny w warunkach podatnych, natomiast cios ma charakter kruchy lub półkruchy. Powstawanie systemu ortogonalnego wymaga dwóch faz rozciągania prostopadłych do siebie, co nie jest jednak powszechne. Mechanizm tensyjny występuje w strefach ugięć sprężystych, gdzie naprężenia mogą spowodować powstanie spękań radialnych w fałdach ze zginania;

b) hipoteza kompresyjna - według tej hipotezy dwuskładnikowe systemy ciosu byłyby sprzężonymi zespołami powierzchni ścinania. Jednak większość systemów ciosowych to spękania ortogonalne, a kąt ścinania w warunkach kruchych rzadko przekracza 60 - 70°. Sieci ciosu kompresyjnego powstają na obszarach poddanych skracaniu: w fałdach, na przedpolu tektogenów, w strefach przyuskokowych, w okolicy kolizji płyt litosfery;

c) hipoteza skręceniowa - skręcenie w przyrodzie miałoby być następstwem odpowiednio rozłożonych sił pionowych, dzięki czemu możliwe jest rozciąganie w dwóch mniej więcej prostopadłych kierunkach. Zastrzeżenie budzi wielkość sił w warunkach szerokopromiennego skręcania na dużych obszarach;

d) hipoteza zmęczeniowa - przyczyną powstawania ciosu według tej teorii są pulsacje pływów księżycowych, którym poddany jest każdy element skorupy. Skały są wrażliwe na zmęczenie dynamiczne i po kilkudziesięciu cyklach obciążenia-odciążenia pękanie jest znacznie ułatwione. Jednak na Ziemi obserwuje się raczej lokalne niż globalne uporządkowanie ciosu, zależne od lokalnych struktur tektonicznych. Obliczono, że głębokość powstawania ciosu w skałach w wyniku pływów wynosi max. 2 m.

e) hipoteza sejsmiczna - zasięg ciosu powstałego w trakcie jednego epizodu sejsmicznego jest niewielki, ale w przypadku zmęczenia mechanicznego jego zasięg znacznie się rozszerza na strefy o mniejszej aktywności sejsmicznej. Hipoteza ta tłumaczy powstawanie ciosu w strefach aktywnych sejsmicznie, a także powstawanie spękań odbiegających od pionu;

f) hipoteza diagenetyczno-kontrakcyjna - zakłada, że źródło energii spękaniotwórczej znajduje się w samej skale, dzięki czemu cios występuje w różnorodnych sytuacjach geotektonicznych. Naprężenia prowadzące do powstania spękań są następstwem zmian objętościowych zachodzących podczas lityfikacji lub oddawania ciepła. W tej hipotezie brak jest uzasadnienia kierunkowości ciosu. Czynnikami porządkującymi według niektórych badaczy są: pierwotne nachylenie warstw związane z nierównomierna kompakcją, wpływ basenu sedymentacyjnego, anizotropia sedymentacyjna. Jednak opisy spękań powstałych w etapach wczesno diagenetycznych są rzadkie, ponadto przekształcenia tektoniczne ciosu są również mało spotykane. Jednak nie wyklucza się, że niekiedy wczesny cios ulega zatarciu w wyniku zmian warunków ciśnienia i temperatury. W wapieniach cios ze strukturami pierzastymi na powierzchni spękań ma założenia diagenetyczne;

g) hipoteza planetarna - odnosi się do pochodnych sił ruchu obrotowego. Głównymi źródłami energii są: diageneza, odwodnienie, kontrakcja termiczna. Wpływy planetarne stanowią: czynnik spustowy, powodujący ostateczne przesilenie w podkrytycznej fazie napięć konsolidacyjnych; czynnik porządkujący. Jako argumenty za służą:

• globalne i regionalne uporządkowanie ciosu (głównie ortogonalnego) względem kierunków świata. Niekiedy cios ten wykazuje dość duże kierunki wahań. Część badaczy dopatruje się roli takiego porównywalnej do wskaźnika paleomagnetycznego;

• wspólna sieć ciosu planetarnego dla obszarów płytowych i sfałdowanych, świadcząca o braku udziału naprężeń tektonicznych w jego powstaniu. W takim wypadku cios katetalny powinien być klinowato rozwarty w strukturach fałdowych, co się rzadko obserwuje, trudno też zakwestionować brak udziału naprężeń tektonicznych, gdyż to one decydują o orientacji zespołów ciosu, zależnych od regionalnych trendów strukturalnych;

• porządkowanie spękań poszczególnym ławicom i nie przechodzenie spękań do wyżej ległych warstw;

• pionowość położenia większości powierzchni ciosowych. Taka sytuacja odpowiada jednak rombowej symetrii pól naprężeń. Na obszarach platformowych obserwuje się przejścia między pionowymi spękaniami ekstensyjnymi a hybrydowymi (widoczny udział naprężeń tektonicznych). Hipoteza ta może uchodzić za uniwersalne rozwiązanie problemu;

h) hipoteza grawitacyjno-odprężeniowa - powstawanie spękań w związku z odprężaniem górotworu zaobserwowano już dawno. Głównymi założeniami tej hipotezy to:

• stan naprężeń przejawiający się powstawaniem spękań ciosowych reprezentuje naprężenia szczątkowe w górotworze, które mogły przetrwać nawet miliony lat. Założenie spękań może być wcześniejsze niż samo ich otwarcie. Proces powstawania spękań to proces ciosotwórczy;

• główną przyczyną spękania skał jest ich ciężar skał spękanych i ciężar nadkładu. Sprężenie następuje w kierunku pionowym, w tym też kierunku następuje odprężanie np. wskutek usunięcia nadkładu. Cios ławicowy pojawia się w skałach pozbawionych połogich powierzchni osłabienia. Pozioma orientacja składowych pola naprężeń grawitacyjnych, jeśli nie zostanie zaburzona przez późniejsze zjawiska tektoniczne, to przesądza ona o pionowej orientacji powierzchni ciosowych;

• możliwość poziomego odprężania zapewnia epejrogeniczne dźwiganie, któremu prędzej czy później ulega prawie każdy element kontynentu. Należy uwzględnić wpływ spadku obciążenia pionowego.

• skały wydźwignięte z pewnej głębokości do powierzchni mają możność sprężystego poszerzania się pod wpływem działania pokaźnych naprężeń ekstensyjnych. Skały są zdolne do przechowywania naprężeń szczątkowych i po wydźwignięciu następuje odśrodkowe poszerzanie się skał. Tłumaczy to regularność powstających spękań. Każda ławica jest oddzielona od pozostałych powierzchniami osłabienia, dlatego w każdej ławicy może powstać odrębny cios.

• w miarę wynurzania skał na powierzchnię obserwuje się stopniową relaksacje naprężeń, jednak jej tempo w porównaniu z ruchem wynoszącym jest niewielkie. Gdy skała ma niewielką wytrzymałość na rozciąganie, otwarcie spękań ekstensyjnych może nastąpić przed wynurzeniem się skały na powierzchnię.

• na poziomie „startowym” naprężenia poziome kształtowane pod wpływem ciężaru nadkładu powinny mieć mniej więcej równe wartości. W obrębie platform występują naprężenia, które po zsumowaniu z naprężeniami statycznymi dają zróżnicowanie pola naprężeń w płaszczyźnie poziomej. Łatwość odprężania w różnych kierunkach jest zróżnicowana dzięki temu, że elementy litosfery nie są izometrycznymi bryłami. Po osiągnięciu stanu krytycznego na danej głębokości otwiera się pierwszy zespół spękań. W tym czasie naprężenie ekstensyjne staje się naprężeniem pośrednim, rolę naprężenia ekstensyjnego przejmuje naprężenie pośrednie. W dalszym etapie mogą otwierać się kolejne zespoły ciosu;

• Gdy skały początkowo były poddane naprężeniom statycznym i dodatkowo dynamicznym, obciążenie pionowe ma wartość najmniejszą σ3. W miarę wynurzania naprężenie σ2 może przejść w ekstensyjne naprężenie σ3. Naprężenie pionowe staje się pośrednie. Umożliwia to powstanie ciosu ostrokątnie sprzężonego. Powstanie ciosu ścięciowego powoduje rozładowanie σ1 i obciążenie pionowe znów może stać się największe. Gdy proces epejrogenezy trwa dalej, system ostrokątny może zostać przecięty przez system prostokątny. Taki przypadek jest często spotykany w obszarach fałdowych. Jeśli warunki tektoniczne nie umożliwiają ścinania, następstwem kompresji jest powstanie ciosu ortogonalnego, przy czym jako pierwszy wykształca się zespół spękań prostopadłych do osi naprężeń (cios odciążeniowy).

Z teorii tej wynikają następujące wnioski:

• ewolucyjny proces ciosotwórczy wskazuje, że należy spodziewać się istnienia sytuacji pośrednich między skałą spękaną i niespękaną i rzeczywiście tak jest (istnienie anizotropii wytrzymałościowej, stosunki między ciosem a stylolitami);

• skoro warunkiem powstawania ciosu jest możliwość odprężania w poziomie, to orientacja ciosu wskazuje na kierunki najłatwiejszego odprężania. Dotyczy to spękań ciosowych, powstałych w warunkach naprężeń poziomych σ2≈σ3. W takim wypadku cios może wskazywać na wgłębne struktury;

• spękania ciosowe ekstensyjne i kompresyjne odzwierciedlają naprężenia z etapu jego założenia;

• na gęstość spękań może mieć wpływ morfologia - dlatego najlepszym miejscem do badania ciosu są kamieniołomy, kopalnie podziemne, płytkie wyrobiska;

• ilość spękań jest zależna od głębokości, ale w poszczególnych piętrach strukturalnych może występować rożna gęstość spękań;

• nie należy mówić o wieku spękań ciosowych a jedynie o wieku konkretnego etapu ciosotwórczego;

Koncepcją odprężeniową trudno uzasadnić powstawanie ortogonalnego ciosu w powierzchniowych, słabo zdiagenezowanych osadach. Zagadkowy jest też związek struktury ekstensyjnej z kompresyjną (np. stylolity i spękania), a także stosunek spękań systematycznych i niesystematycznych. Systematyczne spękania mogą występować do 12 km w głąb.

i) powstawania ciosu hydraulicznego - powstaje w wyniku procesu subsydencji - kompakcji - odwodnienia pod nadkładem przekraczającym 5 km miąższości. Dodatkowym czynnikiem przyrostu ciśnienia porowego jest wzrost temperatury. W przypadku skał zawierających substancję węglistą czynnikiem powodującym powstawanie spękań może być wydzielanie się gazów. Ostatnio przyjmuje się argumenty, że cios powstaje w wielu fazach cyklu diastroficznego.

j) koncepcja pulsacyjnego rozwoju ciosu - szerzenie się spękań w nasyconych fluidami skałach dokonuje się skokowo przyrostami przedzielonymi okresami napływu fluidów do poszerzonych pustek od wewnątrz, jeśli odbywa się on w trakcie epejrogenicznego dźwigania. Powoduje to spadek ciśnienia porowego i w rezultacie wzrost naprężeń głównych normalnych i w rezultacie zahamowanie rozwoju spękań. W etapie ekstensyjnym prostopadłe do powierzchni spękań naprężenie σ3 odpowiada poprzedniemu położeniu naprężenia σ2. Przyrost wartości naprężeń czynnych przy powolnej relaksacji i trwającej erozji nadkładu może nadać temu spękaniu wartość największą σ1. Spełnione zostają warunki do powstania stylolityzacji na wczesnym etapie w płaszczyznach szczelinek inicjalnych. Po skróceniu i związaną z nim stylolityzacją może nastąpić cykl wynoszenia - odprężania, powodując spadek naprężenia z σ1 do σ3 i ponowne rozszerzanie się spękań. Opisany proces może prowadzić do wielokrotnego powtarzania się cyklu pękania ekstensyjnego-rozpuszczania pod ciśnieniem, zabliźniania szczelin. Można też w ten sposób tłumaczyć powstawanie regularnych spękań na platformach przez reprodukowanie geometrii spękań podczas każdego cyklu „pulsacji”;

k) cios w fałdach - w fałdach występuje większa gęstość spękań oraz kompletność sieci ciosowej i częstość zespołów ścięciowych, wynikająca z większego zasobu energii sprężystej, a także obecność lokalnych systemów ciosowych wywołanych naprężeniami fałdotwórczymi. W fałdach występują 2 klasyczne systemy ciosu: ortogonalny (podłużne i poprzeczne względem osi fałdu zespoły) i romboidalny (sprzężone zespoły diagonalne względem osi fałdu). Zazwyczaj jest to cios katetalny względem uławicenia. Spękania przewodnie są rzadkie i niekatetalne. Dostosowane kierunkowe spękań ciosowych do fałdu tłumaczy się powstawaniem ciosu i fałdów w tych samych ramach geotektonicznych w tym samym okresie strukturotwórczym, prostopadle do osi naprężenia σ1. Jednak katetalnośći ciosu w fałdach sprzeciwia się to, że spękania takie powinny być klinowato rozwarte w antyklinach. Z drugiej strony powstanie spękań w uformowanym fałdzie powinno dać spękania przewodnie. Jeżeli uwzględnić długotrwałość procesu ciosotwórczego, rozwiązanie staje się możliwe: naprężenia szczątkowe zostały zmagazynowane jeszcze na początku etapu fałdo twórczego w poziomych jeszcze warstwach. Podczas wyginania naprężenia szczątkowe zachowały współkształtność z warstwami. Po utworzeniu spękań w miarę odprężania spowodowały one powstanie spękań prostopadle do ich osi. Należy uwzględnić też predysponowanie powstawania ciosu w miejscach mikrospękań inicjalnych albo rozpuszczania pod ciśnieniem. Otwarcie sieci spękań katetalnych następuje po fałdowaniu. Tam, gdzie doszło do fałdowania w kilku etapach, zakończonych powstaniem „własnych” spękań ciosowych, analiza stosunków między spękaniami ciosowymi może pomóc w analizie generacji struktur fałdowych: spękania przedfałdowe są wykształcone jako spękania otwarte, wypełnione żyłami lub wykazujące przejawy rozpuszczania pod ciśnieniem, a ich częstość i regularność jest dużo mniejsza niż spękań pofałdowych. Spękania ciosowe są związane z fałdami ze zginania lub z takimi, gdzie zginanie odgrywało rolę w fałdowaniu. Występują zazwyczaj w strefach przegubowych, gdyż są produktem naprężeń wywiązujących się przy zginaniu płyty. Spękania takie powstają po zewnętrznej stronie powierzchni neutralnej, propagując równolegle do osi fałdu - tzw. spękania radialne przegubowe. W węższych fałdach są one bardziej równoległe do powierzchni osiowej fałdu niż prostopadłe do powierzchni uławicenia, w strefach zondulowanych mogą mieć przebieg poprzeczny do osi fałdu. W przypadku fałdowania poprzecznego ze zginania spękania ciosowe mogą sięgać do jądra antyklin, przyjmując rolę spękań przewodnich. W brachyantyklinach najpierw powstaje zespół podłużny, potem poprzeczny. Spękania radialno-koncentryczne powstają w miejscach dźwigania wysadów solnych, lecz otwarcie spękań może nastąpić w wyniku działania naprężeń szczątkowych po ustaniu ruchu wysadu. W warunkach bardziej podatnych powstają sprzężone systemy spękań ścięciowych. W trakcie fałdowania mogą następować transformacje naprężeń głównych, co może spowodować powstanie dwóch sprzężonych systemów spękań ścięciowych. Niektóre ze spękań ścięciowych mogą przekształcić się w uskoki przesuwcze lub odwrócone, a w antyklinach spękania ekstensyjne w uskoki normalne.

5. Co to jest budinaż?

Jest to podział ławic mniej podatnych w otoczeniu bardziej podatnych na bochenkowate fragmenty (budiny) częściowo lub całkowicie izolowane od siebie przez bardziej podatny materiał. Orientacja budin jest funkcją naprężeń panujących w okresie budinowania. Przy typowym układzie - gdy σ1 jest pionowe - powstają budiny o najdłuższym wymiarze równoległym do uławicenia. Znane są przypadki prawie izometrycznych budin. Budinaż może występować poza fałdami: w strefach nasunięć, przy uskokach, w strefach podatnego ścinania. Budinaż może służyć do odtwarzania warunków i stanu odkształcenia. Znane są przypadki powstawania budinaż na etapie sedymentacyjno-diagenetycznym.

------------------------------------------------------

Zestaw 16

1. Od czego zależy wartość kąta ścinania?

kąt ścinania - kąt θ między osią σ1 a powierzchniami ścięć, mający dla danej skały mniej więcej stałą wartość. Dla skał podatnych kąt ten jest większy niż dla niepodatnych, a dla skał kruchych następuje pękanie ekstensywne. Przeciętnie w skałach litych kąt ten ma ok. 30°. Wpływ na wahania kąta ścinania ma anizotropowość mechaniczna masywu skalnego - wpływ jest największy, gdy kąt β między osią σ1 a powierzchniami anizotropii wynosi 15 - 45° - jeden z zespołów ścięć rozwija się wzdłuż powierzchni osłabionych, drugi rozwija się pod zwiększonym kątem lub nie wykształca się wcale. Gdy β zawiera się w granicach 0 - 15° lub 45 - 60°, wykorzystanie powierzchni anizotropowych przy ścięciu zachodzi tylko w niektórych stanach naprężeń. Gdy anizotropia jest gorzej wyrażona, następuje tylko pewna zmiana kąta ścinania, a wykorzystanie powierzchni osłabienia zachodzi w przypadkach, gdy kąt β jest zbliżony do kąta θ. Wpływ anizotropii jest znacznie większy w przypadku rozciągania.

2. Opisz kryteria umożliwiające odtworzenie zwrotu przemieszczenia uskokowego

a) zadziory tektoniczne - schodkowato ustawione nierówności w poprzek kierunku ruchu uskokowego. Zwrot ruchu jest zgodny z tzw. kryterium gładkości, zadziory są wykształcone w pokrywie mineralnej wykazującej lineację sekrecyjną. Gdy zwrot niezgodny z kryterium gładkości, zadziory są wykształcone bezpośrednio w skale. Występują 3 główne kategorie zadziorów:

• z oderwania - oderwanie fragmentu powierzchni ślizgowej zachodzi najłatwiej przy kruchym zachowaniu się materiału, w poprzek żyłki mineralnej. Zadziory tektoniczne z oderwania są zwrócone stromą ścianką w stronę ruchu powierzchni przyległej. Najczęściej występują w ośrodku 3-warstwowym (np. skała-minerał-skała, skała-mączka uskokowa skała), w przypadku występowania spękań w kierunkach równoległym i obsekwentnym. Przy odrywaniu łatwo dochodzi do przemieszczenia materiału mineralnego, który krystalizuje w cieniach ciśnienia za nierównościami powierzchni ślizgowej już istniejącymi i tworzącymi się, a także w szczelinkach pierzastych;

• z wyorania, z wcięcia - powstają przy strukturze 2-warstwowej (skała-skała), w skale litej. Wyoranie wytwarza szerokie bruzdy, pogłębiające się zwykle w kierunku ruchu powierzchni przyległej, zakończone od tej stron stroszą ścianką, gdzie czasem zachowują się resztki narzędzia - ułatwione jest wtedy odczytanie zwrotu ruchu. Mechanizm wcinania znamionuje bardziej podatny stan uskokowanego materiału. W ośrodku 2-warstwowym tworzą się pojedyncze spękania Riedla R i R'. Po odsłonięciu powierzchni ślizgowej klin skalny nad spękaniem łatwo się wykrusza, pozostawiając zagłębienie zakończone stroma ścianką, często o półkolistym zarysie, zwróconym wypukłością w kierunku ruchu powierzchni przyległej;

• spękania dachówkowate - powstają po odsłonięciu powierzchni ślizgowej i wykruszeniu się klina skalnego nad spękaniami Riedla., zwrócone w kierunku ruchu skrzydła przyuskokowego;

• slikolity - formy bliskie stylolitom; spękania zagłębiające się w skałę pod dużym kątem;

b) za pomocą spękań pierzastych (spękania Riedla) - są one ustawione konsekwentnie względem zwrotu przemieszczenia

za pomocą wskaźników kinematycznych w skałach magmowych i metamorficznych:

• wzajemne położenie przemieszczonych obiektów po obu stronach strefy ścinania

• kierunek sigmoidalnego wygięcia foliacji s na brzegach strefy ścinania lub w miejscach przecięcia z równoległymi do tych brzegów powierzchniami foliacji c, wzdłuż których zachodzi ścinanie - ze wzrostem intensywności deformacji powierzchnie s ulegają do rotacji do położenia c

• kierunek obrotu zrotowanych porfiroblastów, w których ciągi wrostków mineralnych wyznaczają reliktową foliację

• położenie tzw. ogonów dynamicznej rekrystalizacji w strefie cieni naciskowych - struktury σ i δ

• zwrot wzajemnego przemieszczenia fragmentów pokruszonych lub rozłupanych wzdłuż płaszczyzn łupliwości osobników mineralnych

• uporządkowane ułożenie (widoczne zwykle pod mikroskopem) dynamicznie zrekrystalizowanych ziarn mineralnych (zwłaszcza Q), ukośne względem foliacji s

3. Jak powstaje dupleks?

W przypadku powstawania dupleksów kontrakcyjnych mechanizm ten przedstawia się następująco: nasunięcie musi być skompensowane przez sfałdowanie lub wyjście powierzchni uskokowej na powierzchnię. Dalszy ruch powstałego w ten sposób pakietu skalnego wymaga pokonywania tylko oporów tarcia. Dźwiganie się powierzchni nasunięcia następuje wzdłuż tzw. stopnia rampowego, wzdłuż uskoku inwersyjnego. Najczęściej występuje kilka stopni rampowych. Stopień rampowy zazwyczaj występuje w miejscach kontaktów litologicznych, a zatem nacisk nasuwanego pakietu powoduje pozioma propagację pęknięcia wzdłuż powierzchni kontaktu, a po wyczerpaniu się możliwości poziomego ruchu pakietu, zachodzi wygięcie powierzchni odkłucia ku górze i wyodrębnienie łuski. Taki proces następuje wielokrotnie i łuski starsze przemieszczają się na młodszych (tzw. piggyback mechanism, jazda na barana). Gdy dupleksy występują jako pakiety ponasuwane na siebie, to tworzą one tzw. spiętrzenie antyformalne.

Dupleksy podłoża tworzą się, gdy uskoki imbrykacyjne zlewają się z nasunięciem spągowym.

Dupleksy ekstensyjne powstają w wyniku połogiego rozciągania w podłożu lub ześlizgu grawitacyjnego. Poślizgi międzyłuskowe są wykształcone wtedy jako uskoki normalne. Łuski są nachylone konsekwentnie w stosunku do kierunku transportu tektonicznego, w przeciwieństwie do obsekwentnego ułożenia łusek dupleksów kontrakcyjnych.

4. Scharakteryzuj cios w strukturach fałdowych

W fałdach występuje większa gęstość spękań oraz kompletność sieci ciosowej i częstość zespołów ścięciowych, wynikająca z większego zasobu energii sprężystej, a także obecność lokalnych systemów ciosowych wywołanych naprężeniami fałdotwórczymi. W fałdach występują 2 klasyczne systemy ciosu: ortogonalny (podłużne i poprzeczne względem osi fałdu zespoły) i romboidalny (sprzężone zespoły diagonalne względem osi fałdu). Zazwyczaj jest to cios katetalny względem uławicenia. Spękania przewodnie są rzadkie i niekatetalne. Dostosowane kierunkowe spękań ciosowych do fałdu tłumaczy się powstawaniem ciosu i fałdów w tych samych ramach geotektonicznych w tym samym okresie strukturotwórczym, prostopadle do osi naprężenia σ1. Jednak katetalnośći ciosu w fałdach sprzeciwia się to, że spękania takie powinny być klinowato rozwarte w antyklinach. Z drugiej strony powstanie spękań w uformowanym fałdzie powinno dać spękania przewodnie. Jeżeli uwzględnić długotrwałość procesu ciosotwórczego, rozwiązanie staje się możliwe: naprężenia szczątkowe zostały zmagazynowane jeszcze na początku etapu fałdo twórczego w poziomych jeszcze warstwach. Podczas wyginania naprężenia szczątkowe zachowały współkształtność z warstwami. Po utworzeniu spękań w miarę odprężania spowodowały one powstanie spękań prostopadle do ich osi. Należy uwzględnić też predysponowanie powstawania ciosu w miejscach mikrospękań inicjalnych albo rozpuszczania pod ciśnieniem. Otwarcie sieci spękań katetalnych następuje po fałdowaniu. Tam, gdzie doszło do fałdowania w kilku etapach, zakończonych powstaniem „własnych” spękań ciosowych, analiza stosunków między spękaniami ciosowymi może pomóc w analizie generacji struktur fałdowych: spękania przedfałdowe są wykształcone jako spękania otwarte, wypełnione żyłami lub wykazujące przejawy rozpuszczania pod ciśnieniem, a ich częstość i regularność jest dużo mniejsza niż spękań pofałdowych. Spękania ciosowe są związane z fałdami ze zginania lub z takimi, gdzie zginanie odgrywało rolę w fałdowaniu. Występują zazwyczaj w strefach przegubowych, gdyż są produktem naprężeń wywiązujących się przy zginaniu płyty. Spękania takie powstają po zewnętrznej stronie powierzchni neutralnej, propagując równolegle do osi fałdu - tzw. spękania radialne przegubowe. W węższych fałdach są one bardziej równoległe do powierzchni osiowej fałdu niż prostopadłe do powierzchni uławicenia, w strefach zondulowanych mogą mieć przebieg poprzeczny do osi fałdu. W przypadku fałdowania poprzecznego ze zginania spękania ciosowe mogą sięgać do jądra antyklin, przyjmując rolę spękań przewodnich. W brachyantyklinach najpierw powstaje zespół podłużny, potem poprzeczny. Spękania radialno-koncentryczne powstają w miejscach dźwigania wysadów solnych, lecz otwarcie spękań może nastąpić w wyniku działania naprężeń szczątkowych po ustaniu ruchu wysadu. W warunkach bardziej podatnych powstają sprzężone systemy spękań ścięciowych. W trakcie fałdowania mogą następować transformacje naprężeń głównych, co może spowodować powstanie dwóch sprzężonych systemów spękań ścięciowych. Niektóre ze spękań ścięciowych mogą przekształcić się w uskoki przesuwcze lub odwrócone, a w antyklinach spękania ekstensyjne w uskoki normalne.

5. Scharakteryzuj fałdki ciągnione

Gdy fałdowany pakiet zawiera powtarzające się ławice o podatności większej niż otoczenie, posuw fałdowy dokonuje się na granicy ławic lub w ich obrębie. Obserwuje się charakterystyczne formy: fałdki ciągnione, kliważ spękaniowy. Klinencja fałdków ciągnionych i przechylenie powierzchni kliważu spękaniowego ku przegubom antyklinalnym świadczy o istotnym czynniku „ciągnienia”. Genezę fałdków ciągnionych można tłumaczyć różnicami w łatwości posuwu fałdowego na poszczególnych granicach litologicznych. Fałdki ciągnione mają prawidłowy stosunek do większości fałdów, niektórych uskoków i nasunięć - są do nich synkinematyczne. Fałdki ciągnione są wykorzystywane do określania położenia przegubu antyklinalnego, następstwa stratygraficznego, odtwarzania kierunków nasunięć. Drobne fałdy różnych typów, jeśli maja cechy struktur syn kinematycznych względem fałdu nadrzędnego, odznaczają się też przybliżoną zgodnością parametrów osiowych, co pozwala na stosowanie ich do orientacyjnej charakterystyki przestrzennej dużych struktur fałdowych. Reguły tej nie można stosować do fałdów dalekich od cylindryczności (duży udział płynięcia). Przy dużym zróżnicowaniu lepkości ławic geometria ich wewnętrznych odkształceń może wykazywać znaczny rozrzut (np. refrakcja kliważu).

------------------------------------------------------

Zestaw 17

1. Omów główne typy naprężeń

• naprężenie - ogół sił wewnętrznych wywiązujących się w ciele stałym w rezultacie działania czynników dążących do odkształcenia ciała (działanie sił zewnętrznych, siły ciężkości, zmiany cieplne i przekształcenia substancjalne). Jest to wielkość tensorowa, którą można sobie wyobrazić jako całość sił działających na nieskończenie mały element

• naprężenia normalne - jeżeli wyobrazimy sobie, że nasz nieskończenie mały element ma kształt sześcianu, to naprężenia normalne działają prostopadle do ścian tego sześcianu. Oznacza się je jako σx, σy, σz lub jako σ1, σ2, σ3, gdzie σ1 > σ2 > σ3. Naprężenia główne mogą wynikać ze zbliżania się sąsiednich sześcianów elementarnych ku sobie - są to naprężenia kompresyjne, ściskające (oznaczane jako dodatnie) lub z ich oddalania się - naprężenia tensyjne, rozciągające(oznaczane jako ujemne).

• naprężenia styczne, ścinające - naprężenia działające wzdłuż ścian sześcianu, oznaczane symbolem τ. Naprężenia ścinające dążą do wzajemnego przesunięcia sześcianów elementarnych w płaszczyznach ich ścian, a jeżeli zaistnieje swoboda zmiany ustawienia elementów, niezrównoważone naprężenia styczne mogą spowodować rotację elementu.

2. Scharakteryzuj elementy składowe płaszczowiny

• allochton - skały, które w wyniku ruchu nasuwczego zostały oderwane i przemieszczone na znaczną odległość i w związku z tym utraciły kontakt z pierwotnym obszarem, w którym powstały. W stosunku do innych płaszczowin i skał na danym obszarze przemieszczone skały często wykazują zmienność facjalną oraz stratygraficzną;

• autochton - skały podłoża płaszczowiny, które nie zostały przemieszczone;

• parautochton - masy skalne pomiędzy autochtonem i allochtonem, nieco przemieszczone, ale zachowujące bezpośredni i bliski związek z autochtonem;

• korzenie płaszczowiny - strefa, w której miał miejsce początek ruchu płaszczowinowego, najczęściej odcięta od płaszczowiny;

• okno tektoniczne - powierzchnia, na której znajdują się wychodnie warstw podłoża płaszczowiny. Najczęściej okno tektoniczne jest pochodzenia erozyjnego, może też powstać w wyniku rozcięcia erozyjnego, lub też na granicy dwóch płaszczowin. Otoczone jest dokoła allochtonem;

• Na podstawie odległości czoło płaszczowiny - zatoka płaszczowiny, okno tektoniczne - czapka tektoniczna można ocenić maksymalne nasunięcie płaszczowiny.

• czapka tektoniczna - izolowany ostaniec allochtonu;

• dygitacje - rozwidlenia czołowej części płaszczowiny;

• płaszczowiny cząstkowe - rozwidlenia sięgające głębiej w płaszczowinę, powodujące powstanie nieco usamodzielnionych części składowych płaszczowin;

3. Wymień i opisz struktury towarzyszące uskokom przesuwczym

• niezgodna stratygrafia - wzdłuż powierzchni uskokowej w planie mogą występować anomalne kontakty utworów skalnych różnego wieku, genezy itd. Wynika to z ruchu przesuwczego;

• przerwanie sieci drenażu - w wyniku ruchu przesuwczego następuje wzajemne przesunięcie dwóch części koryta rzecznego, jak to ma miejsce np. w Kalifornii na uskoku San Andreas. Ciek wodny często wykorzystuje powierzchnię uskokową jako drogę połączenia przesuniętych części koryta

• ugięcia otwierające i zamykające - przy poziomym ruchu skrzydeł uskoku wzdłuż nieregularnej w planie linii uskoku mogą lokalnie tworzyć się baseny międzyprzesuwcze - pull apart basins (w wyniku rozbieżnego ruchu skrzydeł uskoku - transtensji) o kształcie romboidalnym lub soczewkowatym, lub wypiętrzenia międzyprzesuwcze (gdy ruch skrzydeł jest zbieżny - transpresja);

• struktury typu końskiego ogona jedno- i dwustronne - pęk podrzędnych uskoków kulisowych normalnych lub przesuwczych na zakończeniach uskoków przesuwczych, układających się w charakterystyczny wzór; w przekroju powodują one powstawanie łusek;

• spękania Riedla (R i R') - spękania przyuskokowe, powstające w strefie ścinania, w układzie dwuwarstwowym skała-skała, rozdzielone wcześniejszą powierzchnią nieciągłości, przy zachowaniu podatnym ośrodka. Spękania typu R to pojedyncze, konsekwentnie ułożone szczeliny, płytko zagłębiające się w skałę. spękania R' występują rzadziej - są to ścięcia stromiej wcięte niż spękania R. Spękania R i R' występują raczej oddzielnie. Zespół R powstaje przy koncentracji ścinania przyuskokowego w węższej strefie, zespół R' - przy ścinaniu rozproszonym w szerszym paśmie skały.

• spękania typu P - obsekwentne spękania, które nie występują w większych seriach, lecz częściej łączą spękania typu R i R'. Czasem następuje poślizg wzdłuż spękań P, co powoduje otwieranie się spękań Riedla;

• sfałdowania

• nasunięcia lub seria uskoków odwróconych na styku z przedpolem

• komprymacja skał

• wyciskanie skał pod ciśnieniem

• spękania typu Y - spękania mniej więcej równoległe do głównej powierzchni poślizgu, stanowiące pomocnicze powierzchnie poślizgu; w wyniku silnego rozwoju tych spękań uskok przybiera formę szerokiej strefy ścinania;

• przejawy rozpuszczania pod ciśnieniem - występuje głównie stylolityzacja w skałach węglanowych; jest to skrócenie danego skrzydła uskoku pod wpływem narastającego ciśnienia obocznego - powierzchnie ziarn mineralnych napierają na siebie z coraz większa siłą, co powoduje ich rozpuszczanie i odprowadzenie roztworów obecnych w skale do obszarów o mniejszym ciśnieniu, z pozostawieniem substancji ilastych między ziarnami (zadziory stylolitowe); stylolity tektoniczne maja zazwyczaj rozciągłość prostopadłą do osi największego naprężenia;

4. Opisz główne hipotezy rozwoju ciosu

cios na obszarach płytowych - najefektywniej rozwija się w pokrywach osadowych. Jest wybitnie uporządkowany, często ortogonalny, przyjmuje ustawienie pionowe lub bardzo strome. Powstało wiele hipotez tłumaczących powstanie ciosu na tych obszarach:

a) hipoteza tensyjna - większość spękań ciosowych na platformach ma charakter ekstensyjny, lecz ekstensję obserwuje się w kratonach w strefach ryftowych. Seryjne spękania tworzą się tam w sposób seryjny w warunkach podatnych, natomiast cios ma charakter kruchy lub półkruchy. Powstawanie systemu ortogonalnego wymaga dwóch faz rozciągania prostopadłych do siebie, co nie jest jednak powszechne. Mechanizm tensyjny występuje w strefach ugięć sprężystych, gdzie naprężenia mogą spowodować powstanie spękań radialnych w fałdach ze zginania;

b) hipoteza kompresyjna - według tej hipotezy dwuskładnikowe systemy ciosu byłyby sprzężonymi zespołami powierzchni ścinania. Jednak większość systemów ciosowych to spękania ortogonalne, a kąt ścinania w warunkach kruchych rzadko przekracza 60 - 70°. Sieci ciosu kompresyjnego powstają na obszarach poddanych skracaniu: w fałdach, na przedpolu tektogenów, w strefach przyuskokowych, w okolicy kolizji płyt litosfery;

c) hipoteza skręceniowa - skręcenie w przyrodzie miałoby być następstwem odpowiednio rozłożonych sił pionowych, dzięki czemu możliwe jest rozciąganie w dwóch mniej więcej prostopadłych kierunkach. Zastrzeżenie budzi wielkość sił w warunkach szerokopromiennego skręcania na dużych obszarach;

d) hipoteza zmęczeniowa - przyczyną powstawania ciosu według tej teorii są pulsacje pływów księżycowych, którym poddany jest każdy element skorupy. Skały są wrażliwe na zmęczenie dynamiczne i po kilkudziesięciu cyklach obciążenia-odciążenia pękanie jest znacznie ułatwione. Jednak na Ziemi obserwuje się raczej lokalne niż globalne uporządkowanie ciosu, zależne od lokalnych struktur tektonicznych. Obliczono, że głębokość powstawania ciosu w skałach w wyniku pływów wynosi max. 2 m.

e) hipoteza sejsmiczna - zasięg ciosu powstałego w trakcie jednego epizodu sejsmicznego jest niewielki, ale w przypadku zmęczenia mechanicznego jego zasięg znacznie się rozszerza na strefy o mniejszej aktywności sejsmicznej. Hipoteza ta tłumaczy powstawanie ciosu w strefach aktywnych sejsmicznie, a także powstawanie spękań odbiegających od pionu;

f) hipoteza diagenetyczno-kontrakcyjna - zakłada, że źródło energii spękaniotwórczej znajduje się w samej skale, dzięki czemu cios występuje w różnorodnych sytuacjach geotektonicznych. Naprężenia prowadzące do powstania spękań są następstwem zmian objętościowych zachodzących podczas lityfikacji lub oddawania ciepła. W tej hipotezie brak jest uzasadnienia kierunkowości ciosu. Czynnikami porządkującymi według niektórych badaczy są: pierwotne nachylenie warstw związane z nierównomierna kompakcją, wpływ basenu sedymentacyjnego, anizotropia sedymentacyjna. Jednak opisy spękań powstałych w etapach wczesno diagenetycznych są rzadkie, ponadto przekształcenia tektoniczne ciosu są również mało spotykane. Jednak nie wyklucza się, że niekiedy wczesny cios ulega zatarciu w wyniku zmian warunków ciśnienia i temperatury. W wapieniach cios ze strukturami pierzastymi na powierzchni spękań ma założenia diagenetyczne;

g) hipoteza planetarna - odnosi się do pochodnych sił ruchu obrotowego. Głównymi źródłami energii są: diageneza, odwodnienie, kontrakcja termiczna. Wpływy planetarne stanowią: czynnik spustowy, powodujący ostateczne przesilenie w podkrytycznej fazie napięć konsolidacyjnych; czynnik porządkujący. Jako argumenty za służą:

• globalne i regionalne uporządkowanie ciosu (głównie ortogonalnego) względem kierunków świata. Niekiedy cios ten wykazuje dość duże kierunki wahań. Część badaczy dopatruje się roli takiego porównywalnej do wskaźnika paleomagnetycznego;

• wspólna sieć ciosu planetarnego dla obszarów płytowych i sfałdowanych, świadcząca o braku udziału naprężeń tektonicznych w jego powstaniu. W takim wypadku cios katetalny powinien być klinowato rozwarty w strukturach fałdowych, co się rzadko obserwuje, trudno też zakwestionować brak udziału naprężeń tektonicznych, gdyż to one decydują o orientacji zespołów ciosu, zależnych od regionalnych trendów strukturalnych;

• porządkowanie spękań poszczególnym ławicom i nie przechodzenie spękań do wyżej ległych warstw;

• pionowość położenia większości powierzchni ciosowych. Taka sytuacja odpowiada jednak rombowej symetrii pól naprężeń. Na obszarach platformowych obserwuje się przejścia między pionowymi spękaniami ekstensyjnymi a hybrydowymi (widoczny udział naprężeń tektonicznych). Hipoteza ta może uchodzić za uniwersalne rozwiązanie problemu;

h) hipoteza grawitacyjno-odprężeniowa - powstawanie spękań w związku z odprężaniem górotworu zaobserwowano już dawno. Głównymi założeniami tej hipotezy to:

• stan naprężeń przejawiający się powstawaniem spękań ciosowych reprezentuje naprężenia szczątkowe w górotworze, które mogły przetrwać nawet miliony lat. Założenie spękań może być wcześniejsze niż samo ich otwarcie. Proces powstawania spękań to proces ciosotwórczy;

• główną przyczyną spękania skał jest ich ciężar skał spękanych i ciężar nadkładu. Sprężenie następuje w kierunku pionowym, w tym też kierunku następuje odprężanie np. wskutek usunięcia nadkładu. Cios ławicowy pojawia się w skałach pozbawionych połogich powierzchni osłabienia. Pozioma orientacja składowych pola naprężeń grawitacyjnych, jeśli nie zostanie zaburzona przez późniejsze zjawiska tektoniczne, to przesądza ona o pionowej orientacji powierzchni ciosowych;

• możliwość poziomego odprężania zapewnia epejrogeniczne dźwiganie, któremu prędzej czy później ulega prawie każdy element kontynentu. Należy uwzględnić wpływ spadku obciążenia pionowego.

• skały wydźwignięte z pewnej głębokości do powierzchni mają możność sprężystego poszerzania się pod wpływem działania pokaźnych naprężeń ekstensyjnych. Skały są zdolne do przechowywania naprężeń szczątkowych i po wydźwignięciu następuje odśrodkowe poszerzanie się skał. Tłumaczy to regularność powstających spękań. Każda ławica jest oddzielona od pozostałych powierzchniami osłabienia, dlatego w każdej ławicy może powstać odrębny cios.

• w miarę wynurzania skał na powierzchnię obserwuje się stopniową relaksacje naprężeń, jednak jej tempo w porównaniu z ruchem wynoszącym jest niewielkie. Gdy skała ma niewielką wytrzymałość na rozciąganie, otwarcie spękań ekstensyjnych może nastąpić przed wynurzeniem się skały na powierzchnię.

• na poziomie „startowym” naprężenia poziome kształtowane pod wpływem ciężaru nadkładu powinny mieć mniej więcej równe wartości. W obrębie platform występują naprężenia, które po zsumowaniu z naprężeniami statycznymi dają zróżnicowanie pola naprężeń w płaszczyźnie poziomej. Łatwość odprężania w różnych kierunkach jest zróżnicowana dzięki temu, że elementy litosfery nie są izometrycznymi bryłami. Po osiągnięciu stanu krytycznego na danej głębokości otwiera się pierwszy zespół spękań. W tym czasie naprężenie ekstensyjne staje się naprężeniem pośrednim, rolę naprężenia ekstensyjnego przejmuje naprężenie pośrednie. W dalszym etapie mogą otwierać się kolejne zespoły ciosu;

• Gdy skały początkowo były poddane naprężeniom statycznym i dodatkowo dynamicznym, obciążenie pionowe ma wartość najmniejszą σ3. W miarę wynurzania naprężenie σ2 może przejść w ekstensyjne naprężenie σ3. Naprężenie pionowe staje się pośrednie. Umożliwia to powstanie ciosu ostrokątnie sprzężonego. Powstanie ciosu ścięciowego powoduje rozładowanie σ1 i obciążenie pionowe znów może stać się największe. Gdy proces epejrogenezy trwa dalej, system ostrokątny może zostać przecięty przez system prostokątny. Taki przypadek jest często spotykany w obszarach fałdowych. Jeśli warunki tektoniczne nie umożliwiają ścinania, następstwem kompresji jest powstanie ciosu ortogonalnego, przy czym jako pierwszy wykształca się zespół spękań prostopadłych do osi naprężeń (cios odciążeniowy).

Z teorii tej wynikają następujące wnioski:

• ewolucyjny proces ciosotwórczy wskazuje, że należy spodziewać się istnienia sytuacji pośrednich między skałą spękaną i niespękaną i rzeczywiście tak jest (istnienie anizotropii wytrzymałościowej, stosunki między ciosem a stylolitami);

• skoro warunkiem powstawania ciosu jest możliwość odprężania w poziomie, to orientacja ciosu wskazuje na kierunki najłatwiejszego odprężania. Dotyczy to spękań ciosowych, powstałych w warunkach naprężeń poziomych σ2≈σ3. W takim wypadku cios może wskazywać na wgłębne struktury;

• spękania ciosowe ekstensyjne i kompresyjne odzwierciedlają naprężenia z etapu jego założenia;

• na gęstość spękań może mieć wpływ morfologia - dlatego najlepszym miejscem do badania ciosu są kamieniołomy, kopalnie podziemne, płytkie wyrobiska;

• ilość spękań jest zależna od głębokości, ale w poszczególnych piętrach strukturalnych może występować rożna gęstość spękań;

• nie należy mówić o wieku spękań ciosowych a jedynie o wieku konkretnego etapu ciosotwórczego;

Koncepcją odprężeniową trudno uzasadnić powstawanie ortogonalnego ciosu w powierzchniowych, słabo zdiagenezowanych osadach. Zagadkowy jest też związek struktury ekstensyjnej z kompresyjną (np. stylolity i spękania), a także stosunek spękań systematycznych i niesystematycznych. Systematyczne spękania mogą występować do 12 km w głąb.

i) powstawania ciosu hydraulicznego - powstaje w wyniku procesu subsydencji - kompakcji - odwodnienia pod nadkładem przekraczającym 5 km miąższości. Dodatkowym czynnikiem przyrostu ciśnienia porowego jest wzrost temperatury. W przypadku skał zawierających substancję węglistą czynnikiem powodującym powstawanie spękań może być wydzielanie się gazów. Ostatnio przyjmuje się argumenty, że cios powstaje w wielu fazach cyklu diastroficznego.

j) koncepcja pulsacyjnego rozwoju ciosu - szerzenie się spękań w nasyconych fluidami skałach dokonuje się skokowo przyrostami przedzielonymi okresami napływu fluidów do poszerzonych pustek od wewnątrz, jeśli odbywa się on w trakcie epejrogenicznego dźwigania. Powoduje to spadek ciśnienia porowego i w rezultacie wzrost naprężeń głównych normalnych i w rezultacie zahamowanie rozwoju spękań. W etapie ekstensyjnym prostopadłe do powierzchni spękań naprężenie σ3 odpowiada poprzedniemu położeniu naprężenia σ2. Przyrost wartości naprężeń czynnych przy powolnej relaksacji i trwającej erozji nadkładu może nadać temu spękaniu wartość największą σ1. Spełnione zostają warunki do powstania stylolityzacji na wczesnym etapie w płaszczyznach szczelinek inicjalnych. Po skróceniu i związaną z nim stylolityzacją może nastąpić cykl wynoszenia - odprężania, powodując spadek naprężenia z σ1 do σ3 i ponowne rozszerzanie się spękań. Opisany proces może prowadzić do wielokrotnego powtarzania się cyklu pękania ekstensyjnego-rozpuszczania pod ciśnieniem, zabliźniania szczelin. Można też w ten sposób tłumaczyć powstawanie regularnych spękań na platformach przez reprodukowanie geometrii spękań podczas każdego cyklu „pulsacji”;

k) cios w fałdach - w fałdach występuje większa gęstość spękań oraz kompletność sieci ciosowej i częstość zespołów ścięciowych, wynikająca z większego zasobu energii sprężystej, a także obecność lokalnych systemów ciosowych wywołanych naprężeniami fałdotwórczymi. W fałdach występują 2 klasyczne systemy ciosu: ortogonalny (podłużne i poprzeczne względem osi fałdu zespoły) i romboidalny (sprzężone zespoły diagonalne względem osi fałdu). Zazwyczaj jest to cios katetalny względem uławicenia. Spękania przewodnie są rzadkie i niekatetalne. Dostosowane kierunkowe spękań ciosowych do fałdu tłumaczy się powstawaniem ciosu i fałdów w tych samych ramach geotektonicznych w tym samym okresie strukturotwórczym, prostopadle do osi naprężenia σ1. Jednak katetalnośći ciosu w fałdach sprzeciwia się to, że spękania takie powinny być klinowato rozwarte w antyklinach. Z drugiej strony powstanie spękań w uformowanym fałdzie powinno dać spękania przewodnie. Jeżeli uwzględnić długotrwałość procesu ciosotwórczego, rozwiązanie staje się możliwe: naprężenia szczątkowe zostały zmagazynowane jeszcze na początku etapu fałdo twórczego w poziomych jeszcze warstwach. Podczas wyginania naprężenia szczątkowe zachowały współkształtność z warstwami. Po utworzeniu spękań w miarę odprężania spowodowały one powstanie spękań prostopadle do ich osi. Należy uwzględnić też predysponowanie powstawania ciosu w miejscach mikrospękań inicjalnych albo rozpuszczania pod ciśnieniem. Otwarcie sieci spękań katetalnych następuje po fałdowaniu. Tam, gdzie doszło do fałdowania w kilku etapach, zakończonych powstaniem „własnych” spękań ciosowych, analiza stosunków między spękaniami ciosowymi może pomóc w analizie generacji struktur fałdowych: spękania przedfałdowe są wykształcone jako spękania otwarte, wypełnione żyłami lub wykazujące przejawy rozpuszczania pod ciśnieniem, a ich częstość i regularność jest dużo mniejsza niż spękań pofałdowych. Spękania ciosowe są związane z fałdami ze zginania lub z takimi, gdzie zginanie odgrywało rolę w fałdowaniu. Występują zazwyczaj w strefach przegubowych, gdyż są produktem naprężeń wywiązujących się przy zginaniu płyty. Spękania takie powstają po zewnętrznej stronie powierzchni neutralnej, propagując równolegle do osi fałdu - tzw. spękania radialne przegubowe. W węższych fałdach są one bardziej równoległe do powierzchni osiowej fałdu niż prostopadłe do powierzchni uławicenia, w strefach zondulowanych mogą mieć przebieg poprzeczny do osi fałdu. W przypadku fałdowania poprzecznego ze zginania spękania ciosowe mogą sięgać do jądra antyklin, przyjmując rolę spękań przewodnich. W brachyantyklinach najpierw powstaje zespół podłużny, potem poprzeczny. Spękania radialno-koncentryczne powstają w miejscach dźwigania wysadów solnych, lecz otwarcie spękań może nastąpić w wyniku działania naprężeń szczątkowych po ustaniu ruchu wysadu. W warunkach bardziej podatnych powstają sprzężone systemy spękań ścięciowych. W trakcie fałdowania mogą następować transformacje naprężeń głównych, co może spowodować powstanie dwóch sprzężonych systemów spękań ścięciowych. Niektóre ze spękań ścięciowych mogą przekształcić się w uskoki przesuwcze lub odwrócone, a w antyklinach spękania ekstensyjne w uskoki normalne.

5. Na czym polega fałdowanie z wyboczenia?

wyboczenie - ściskanie podłużne w ośrodku warstwowanym. Powstają fałdy z wyboczenia. Klasycznymi strukturami są fałdy o osiach prostopadłych do osi ściskania, symetryczne i stojące jeśli ściskaniu podlegał wąski pas. Na większych obszarach tarcie przy podłożu powoduje wychylenie fałdów i ich asymetrię. Wergencja wskazuje na kierunek transportu tektonicznego. Jednak skrócenie strefy fałdowej powoduje spiętrzenie mas fałdowanych, pod które podsuwają się obszary „ramowe” - transport ma kierunek przeciwny. Wergencja fałdów jest symetrycznie rozbieżna, zwrócona na zewnątrz od centrum pasa fałdowego. Wystarcza jednak niewielka różnica wysokości obszarów „ramowych”, by wywiązał się mimośrodowy stan sił i wergencja została zwrócona w stronę płyty niżej leżącej. Ta sama sytuacja dotyczy nacisku wywieranego przez zagórze na strefę fałdową przy biernej roli przedgórza. Model aktywnego nacisku może jedynie służyć do modelowań lokalnych.

Wykazano, że w swobodnej płycie odkształcanej przez wyboczenie sprężyste lub sprężysto-lepkie może dojść do powstania tylko jednej antykliny i synkliny lub do powstania odkształceń w okolicy miejsc przyłożenia sił ściskających. Dlatego przyjmuje się bardziej realistyczny model - warstwa mniej podatna w otoczeniu dwóch grubych warstw podatnych. Podatne warstwy nadkładu umożliwiają powstawanie fałdów w warstwie mniej podatnej, które są często stojące, symetryczne.

Dominująca długość falowa jest tym większa, im większa jest miąższość jednolicie sfałdowanego pakietu. Wzrost liczby ławic w fałdowanym pakiecie ułatwia fałdowanie, ale jednocześnie powoduje wzrost promienia fałdów - w miarę spadku miąższości warstw mniej lepkich, warstwy bardziej lepkie mają coraz mniejszą możliwość indywidualnego fałdowania się i są zmuszone do harmonijnego odkształcania się jako jeden pakiet. Promień fałdów z wyboczenia maleje ze wzrostem miąższości i ciśnienia nadkładu. Warstwy niekompetentne stanowiące tło reagują zgrubieniem w przegubach na działające siły ściskające, a otaczające je warstwy kompetentne są tym intensywniej sfałdowane, im warstwy te są bardziej lepkie.

Struktura tego typu fałdów jest z początku koncentryczna, ale w miarę ewolucji może zmienić się w symilarną, o czym decyduje kontrast lepkości ławic lub płynięcie plastyczne. Jeśli warstwa niekompetentna ulega wyboczeniu, to materiał warstwy niekompetentnej musi napłynąć do przegubu, by całość odpowiadała strukturze symilarnej. Przy stropie i spągu można oczekiwać fałdów koncentrycznych. Podczas wyboczenia może dojść do fałdowania dysharmonijnego, gdy jądrowe partie są mocno ściskane, może dojść do przebicia jąder przez skrzydła. W planie stosunek długości i szerokości fałdów jest funkcją stosunku naprężeń.

Przeważa pogląd, że fałdowanie z wyboczenia to najbardziej podstawowy mechanizm powstawania fałdów. Niełatwo jednak wskazać przykłady stref fałdowych powstałych w wyniku klasycznego wyboczenia. Łatwiej natomiast znaleźć je w obszarach wewnątrz kratonów, w ich pokrywie.

------------------------------------------------------

Zestaw 18

1. Omów rolę czasu w procesie odkształcania skał

Czas jest specyficznym geologicznym czynnikiem plastyczności. Powolne odkształcanie ciągłe, nieodwracalne, pod działaniem obciążenia o stałej wartości, niższej od granicy sprężystości, plastyczności i wytrzymałości ustąpienia to tzw. pełzanie. Nauka zajmująca się odkształceniami z uwzględnieniem czynnika czasu to reologia.

Ogólna krzywa pełzania pokazuje funkcję ε/t przy σ = const.: pierwszy, stromy odcinek krzywej to odkształcenie sprężyste - gdy zdejmiemy obciążenie nastąpi nawrót sprężysty. Pierwszą fazą pełzania jest płynięcie sprężyste (sprężysto-lepkie, lepko-sprężyste) - krzywa łukowato się wygina, z upływem czasu następuje spadek przyrostu odkształcenia. Nawrót sprężysty w tej fazie jest całkowity, ale nie natychmiastowy. Druga faza pełzania to płynięcie plastyczne (plastyczno-lepkie, lepko-plastyczne) - występuje liniowy, powolny przyrost odkształceń. Nawrót sprężysty nie jest natychmiastowy, a po zakończeniu pozostaje pewna wielkość nieodwracalna - odkształcenie trwałe.

Płynięcie skał przypomina płynięcie lepkich cieczy, więc można stosować lepkość (η) jako podstawowy parametr reologicznej charakterystyki skał:

η = σ/(Δε/Δt)

Lepkość ciał jest zależna od naprężenia, więc jest to lepkość pozorna. Znając lepkość pozorną w danych warunkach naprężenia i temperatury, można określić prędkość plastycznego płynięcia skał dokonującego się pod wpływem czasu, lub określić naprężenie konieczne do osiągnięcia określonej prędkości.

2. Wymień znane Ci klasyfikacje uskoków

Klasyfikacja geometryczna uskoków dzieli je ze względu na:

a) kąt upadu powierzchni uskokowej α. Wyróżnia się:

• uskoki pionowe: α = 90°

• uskoki strome: α od 45° do 90°

• uskoki połogie: α od 0° do 45°

• uskoki listryczne: uskoki o zmieniającym się systematycznie kącie upadu powierzchni uskokowej w przekroju poprzecznym. Wyróżnia się:

• uskoki szuflowe - wartość kąta upadu maleje w głąb

• uskoki nawieszone - wartość kąta upadu rośnie w głąb

b) kierunek ruchu uskokowego względem powierzchni uskokowej - najpopularniejsze kryterium klasyfikacyjne, dzielące uskoki na:

• uskoki zrzutowe: ruch jest równoległy do linii upadu powierzchni uskokowej. Są tu 3 możliwości:

• uskok normalny - powierzchnia uskokowa nachylona w stronę skrzydła zrzuconego

• uskok odwrócony (inwersyjny) - powierzchnia uskokowa nachylona w stronę skrzydła wiszącego

• uskok progowy (termin nieużywany w literaturze zagranicznej) - pionowa powierzchnia uskokowa.

Bliskie sobie, równoległe uskoki normalne lub progowe o tym samym kierunku zrzutu to uskoki progowe.

• uskoki przesuwcze - ruch równoległy do linii biegu powierzchni uskokowej. 2 możliwości:

• uskoki lewoprzesuwcze (lewoskrętne, sinistralne) - ruch wywołuje rotację lewoskrętną

• uskoki prawoprzesuwcze (prawoskrętne, dekstralne) - rotacja przyuskokowe prawoskrętna

• uskoki zrzutowo-przesuwcze - kierunek ruchu zawiera się między liniami biegu i upadu powierzchni uskokowych. 3 możliwości:

• uskoki normalno-przesuwcze - powierzchnia uskokowa nachylona w stronę skrzydła zrzuconego

• uskoki inwersyjno-przesuwcze - powierzchnia uskokowa nachylona w stronę skrzydła wiszącego

• uskoki progowo-przesuwcze - powierzchnia uskokowa pionowa

c) tor ruchu uskokowego:

• uskoki translacyjne - tor ruchu prostoliniowy lub łamany

• uskoki rotacyjne - łukowy tor ruchu. 2 możliwości:

• uskok zawiasowe - wzdłuż całego uskoku jest jeden zwrot ruchu

• uskoki nożycowe - wzdłuż uskoku występują 2 przeciwne zwroty ruchu

d) zwrot ruchu uskokowego względem struktury ogólnej - podstawa dla praktycznego wyróżnienia wśród uskoków zrzutowych:

• uskoków antytetycznych - przeciwdziałają następstwom strukturalnym nachylenia warstw lub działania uskoku nadrzędnego

• uskoków homotetycznych - wzmacniają następstwa strukturalne nachylenia warstw lub działania uskoku nadrzędnego

Terminy te mogą być też przydatne przy opisywaniu uskoków przesuwczych

e) przebieg uskoku względem ogólnego trendu strukturalnego:

• uskoki podłużne

• uskoki poprzeczne

• uskoki skośne

Analogicznie, ale w odniesieniu do lokalnego trendu strukturalnego można mówić o:

• uskokach wzdłuż biegu

• uskokach wzdłuż upadu

uskokach diagonalnych

3. Zdefiniuj pojęcia "nasunięcie" i "płaszczowina". Podaj stosowne przykłady
Nasunięcie - przemieszczenie mas skalnych wzdłuż połogiej powierzchni. W przypadku małej amplitudy mówi się o uskoku poziomym (połogim). Przeważnie niskokątowy uskok połogi odwrócony, ograniczający od dołu płaszczowinę, skibę lub łuskę.

Jeśli proces nasuwania objął pokrywę o regionalnych rozmiarach, przemieszczoną na odległość co najmniej kilku kilometrów (umownie

5 km), mówi się o płaszczowinie. Jest to znaczny rozmiarowo zespół skał przemieszczony na odległość kilku km i więcej ponad powierzchnią nasunięcia.

Przykłady: Alpy francuskie, Karpaty (płaszczowiny: magurska - największa, śląska, skolska, podśląska)

4. Scharakteryzuj kształt i morfologię spękań
Analizą drobnych struktur ścian spękań zajmuje się tektonofraktografia. Wyróżnia się:

• strukturę pierzastą - jest formowana w trakcie jednego epizodu tektonicznego, ale może być także formowane podczas kilku epizodów - struktury pierzaste mają wtedy różną orientację, a gdy poszczególne epizody następowały kolejno po sobie, lecz ich orientacja była podobna, wówczas mogą powstawać sekwencje struktur pierzastych. Relief pierzasty powstaje dla ścięć typu I. Środkiem struktury pierzastej zazwyczaj biegnie szew, wzdłuż którego odbywała się propagacja naprężeń. Spękania są wygięte zgodnie z kierunkiem propagacji naprężeń. Wśród struktur pierzastych wyróżnia się strukturę miotlastą, która przypomina w planie zarys miotły:

• strukturę koncentryczną - koncentryczne wybrzuszenia na powierzchni spękania. Wypukłe fragmenty przypominają muszle. Wygięte są one w kierunku propagacji naprężeń:

• strukturę rąbkową - występuje zwykle na zakończeniach spękań pierzastych:

• strukturę radialną - często powstająca w konkrecjach. Składa się z drobnych lineamentów rozchodzących się promieniście od centrum. Płaszczyzna, w której powstaje struktura radialna, jest prostopadła do osi największego odprężania:

• żebra tektoniczne - powstają najczęściej w wyniku ruchu przesuwczego wzdłuż istniejącej wcześniej powierzchni nieciągłości. Inicjalną formą, z której czasami mogą powstawać żebra tektoniczne, są spękania rąbkowe:

5. Opisz pokrótce główne mechanizmy fałdowania

a) zginanie - obrazuje je model ciała Kelvina (odkształcenie sprężysto-lepkie). Odkształcenie sprężysto-lepkie ma skończoną wartość i w porównaniu z plastycznym płynięciem zwykle niewielką. Z tego wynika, że przemieszczenie w ławicach nie może być znaczne, a ławice zachowują mniej więcej stałą miąższość. Typową struktura są fałdy koncentryczne (przy zróżnicowanej litologii) lub symilarne (monotonna litologia, gęste uławicenie), gdzie zmiany miąższości występują tylko w przegubach. Gdy struktura symilarna rozwija się w fałdach zębatych, w ławicach grubszych i mniej podatnych, nabrzmienia przegubów nie mogą dokonać się przez wzrost miąższości ławic - obserwuje się przestrzenie między ławicami, tzw. odspojenia przegubowe, wypełnione przez materiał podatny lub żyły siodłowe o znaczeniu złożowym.

Ograniczona wielkość płynięcia sprężystego, oprócz powstawania odspojeń przegubowych, może prowadzić do zniszczenia skały, gdy siły fałdujące działają po przekroczeniu wartości maksymalnej płynięcia sprężystego, a warunki fałdowania uniemożliwiają przejście do płynięcia plastycznego. Najczęściej dochodzi do powstania uskoków wzdłuż jednego lub kilku pęknięć w strefie osiowej, które tworzą fałdy harmonijkowe. Gdy nacisk fałdujący trwa dalej, dochodzi do powstania łusek i nasunięć. Pod znacznym nadkładem taki proces prowadzi do powstania uskoków o różnym układzie przestrzennym. Ich rodzaj zależy od stanu naprężeń, na który składają się naprężenia fałdujące i ich pochodne. Naprężenia te są inne w skrętach fałdowych niż w płaskich skrzydłach, czego najlepszym przykładem jest powstawanie uskoków i rowów epiantyklinalnych. Układ nieciągłości zależy od tego, czy są to siły pionowe czy poziome. Gdy σ1 jest pionowe, a σ2 równoległe do osi fałdu, powstają podłużne uskoki zrzutowe. Gdy σ1 jest pionowe, a σ3 równoległe do osi fałdu, powstają poprzeczne uskoki zrzutowo-przesuwcze i przesuwcze.

Kopuły, niecki, perykliny i centrykliny podczas kształtowania się tworzą wachlarzowo-koncentryczne lub radialno-koncentryczne pole naprężeń. Dlatego często spotykane są uskoki normalne poprzeczne, antytetyczne, związane z rozciąganiem wzdłuż osi fałdu.

Poślizg warstw po sobie podczas fałdowania ze zginania to tzw. posuw fałdowy. Bardziej zewnętrzna ławica skrętu fałdowego ślizga się względem bardziej wewnętrznej w stronę przegubu, zmierzając doń najkrótszą drogą. Wielkość posuwu fałdowego (V) zależy od miąższości ławicy (d) oraz jej upadu (γ):

V = γd π

Przy zginaniu czysto sprężystym wzór ma postać: V = dtgγ. Posuw fałdowy prowadzi do częściowego rozładowania energii zginania - wewnętrzne odkształcenia zginanej ławicy są tym mniejsze, im większa łatwość posuwu, która tez zależy od gęstości powierzchni poślizgu. Dlatego serie cienko ławicowe są o wiele intensywniej sfałdowane niż grube ławice, które częściej wykazują deformację skamieniałości i kruche zniszczenie.

Gdy posuw fałdowy jest rozproszony wzdłuż makroskopowo niewidocznych powierzchni poślizgu, mówi się o płynięciu odzgięciowym. Miarą tego procesu jest kąt ψ, o jaki obiekty pierwotnie prostopadłe do ławic zostały przekręcone:

tgψ = γ π /180°

Rzeczywiste wyniki zgadzają się w sytuacjach, gdy kąt upadu wynosi do 20° i miąższość 30 cm. Dla wyższych wartości przyjmuje się ψ = 25°, należy jednak pamiętać, że w rzeczywistości wartość kąta może sięgać nawet do 80°.

Gdy fałdowany pakiet zawiera powtarzające się ławice o podatności większej niż otoczenie, posuw fałdowy dokonuje się na granicy ławic lub w ich obrębie. Obserwuje się charakterystyczne formy: fałdki ciągnione, kliważ spękaniowy. Klinencja fałdków ciągnionych i przechylenie powierzchni kliważu spękaniowego ku przegubom antyklinalnym świadczy o istotnym czynniku „ciągnienia”. Genezę fałdków ciągnionych można tłumaczyć różnicami w łatwości posuwu fałdowego na poszczególnych granicach litologicznych. Fałdki ciągnione mają prawidłowy stosunek do większości fałdów, niektórych uskoków i nasunięć - są do nich synkinematyczne. Fałdki ciągnione są wykorzystywane do określania położenia przegubu antyklinalnego, następstwa stratygraficznego, odtwarzania kierunków nasunięć. Drobne fałdy różnych typów, jeśli maja cechy struktur syn kinematycznych względem fałdu nadrzędnego, odznaczają się też przybliżoną zgodnością parametrów osiowych, co pozwala na stosowanie ich do orientacyjnej charakterystyki przestrzennej dużych struktur fałdowych. Reguły tej nie można stosować do fałdów dalekich od cylindryczności (duży udział płynięcia). Przy dużym zróżnicowaniu lepkości ławic geometria ich wewnętrznych odkształceń może wykazywać znaczny rozrzut (np. refrakcja kliważu).

Kliważ spękaniowy uważa się za zespół gęstych powierzchni ścinania, pochodnego względem pary sił na skrzydłach fałdu. Brak komplementarnego zespołu ścięć tłumaczy się rozładowaniem naprężeń ścinających przez poślizg wzdłuż powierzchni uławicenia. Oś naprężenia σ1 musi być do płaszczyzny ruchu ustawiona pod kątem 90-θ≤α≤90°, gdzie θ - kąt ścinania w danym materiale. Kliważ więc może rozwijać się w stromych skrzydłach fałdu pod trwającym naciskiem bocznym lub przy połogich powierzchniach poślizgu przy dużym ciśnieniu nadkładu.

Inne formy stowarzyszone z fałdami nadrzędnymi to fałdy kolankowe (załomowe), tworzące asymetryczne zygzaki, skupione w wąskich pasmach kolankowych, traktowane jako zgięciowo-fałdowy odpowiednik zaczątkowego ścinania w płaszczyznach ukośnych względem gęstych powierzchni anizotropii sedymentacyjnej lub metamorficznej, pod działaniem ściskania równoległego, pod znacznym ciśnieniem otaczającym utrudniającym rozproszony posuw fałdowy. Klinencja fałdków kolankowych jest przeciwna do tradycyjnej:

W sfałdowanych kompleksach o znacznych różnicach podatności częste są podrzędne, dysharmonijne fałdy w ławicach mniej podatnych w otoczeniu podatnych - są to tzw. fałdy pasożytnicze. W ich powstaniu ważną rolę odgrywa skrócenie fałdu nadrzędnego w pierwszym okresie fałdowania. Drobnoskalowe sfałdowanie pasożytnicze sztywnych ławic wymaga znacznej podatności procesu fałdowego. Im większy udział płynięcia plastycznego w tym procesie, tym większy stopień spłaszczenia fałdków pasożytniczych i tym większe przyrosty miąższości w ich przegubach.

Przy stromym ustawieniu ławic w połączeniu z działającą pod dużym kątem kompresją, plastyczność procesu powoduje rozciąganie, przy którym kruche ławice pękają, podatne zachowują swoja ciągłość. Powstaje budinaż - podział ławic mniej podatnych w otoczeniu bardziej podatnych na bochenkowate fragmenty (budiny) częściowo lub całkowicie izolowane od siebie przez bardziej podatny materiał. Orientacja budin jest funkcją naprężeń panujących w okresie budinowania. Przy typowym układzie - gdy σ1 jest pionowe - powstają budiny o najdłuższym wymiarze równoległym do uławicenia. Znane są przypadki prawie izometrycznych budin. Budinaż może występować poza fałdami: w strefach nasunięć, przy uskokach, w strefach podatnego ścinania. Budinaż może służyć do odtwarzania warunków i stanu odkształcenia. Znane są przypadki powstawania budinaż na etapie sedymentacyjno-diagenetycznym.

b) ścinanie (fałdowanie translacyjne) - dokonuje się wzdłuż gęstych powierzchni przecinających uławicenie, mniej więcej równoległych do osi fałdów. Powierzchniom poślizgu towarzyszy anizotropowość mechaniczna - są to powierzchnie kliważu osiowego. Niezbadane są przyczyny poślizgu wzdłuż powierzchni kliważu, najbardziej zaś zagadkowa jest kwestia zmiany zwrotu poślizgu, niezbędnego do powstania fałdu.

Rytmikę poślizgów rodzących fałdy ze ścięcia próbowano wytłumaczyć wychodząc z założenia wstępnego nachylenia ławic. Jednak ogólne wytłumaczenie genezy jest możliwe dopiero po założeniu, że kliważowanie nakłada się na fałdy wcześniej ukształtowane innego typu, które poddawane dalszej kompresji są odkształcane ścięciowe. Mechanizm translacyjny nie jest więc samodzielnym typem fałdowania.

Podstawowe kierunki ewolucji translacyjnej:

• wzrost smukłości fałdów w wyniku ruchu wzdłuż powierzchni poślizgu,

• zróżnicowanie miąższości w przegubach (większa) i na skrzydłach

• zróżnicowanie miąższości w skrzydłach stromszych (większa) i łagodniejszych,

W konsekwencji struktura fałdów translacyjnych jest najczęściej symilarna lub zbliżona, odchylenia od tej struktury są spowodowane różnicą gęstości kliważu w zróżnicowanych litologicznie skałach. Gdy w niektórych skałach kliważ się nie wykształca, powstają fałdy dysharmonijne.

Cechą rozpoznawczą fałdów translacyjnych powinna być stała miąższość pozorna ławic mierzona równolegle, jednak występują od tej zasady znaczne odstępstwa spowodowane rozchyleniem powierzchni poślizgu ku zewnętrznej stronie skrętów fałdowych.. Istotniejszą jednak przyczyną jest spłaszczanie mikrolitonów. Często towarzyszy temu rekrystalizacja, prowadząca do zaniku odrębności fałdów translacyjnych.

Deformacje translacyjne przechodzą w ciągły sposób w fałdy z płynięcia plastycznego uporządkowanego w laminarny sposób. Fizycznym odpowiednikiem tego zjawiska jest fałdowanie kliważowe. W przegubach fałdów kliważowych następuje skracanie i zgrubianie, na co wskazuje obecność fałdów pasożytniczych w obrębie skracanej warstwy, a na skrzydłach - wydłużanie, ścienianie i kliważowanie.

c) płynięcie - uczestniczy mniej lub bardziej w każdym rodzaju fałdowania, ale najlepiej jest widoczne, gdy dokonuje się w sposób jednorodny w całej masie skały. Jednorodny sposób płynięcia znamionuje najwyższy stopień podatności deformacji, uwarunkowany naturalną podatnością materiału, wysokim ciśnieniem i temperaturą, długim trwaniem procesu. Na ciśnienie składają się: ciśnienie nadkładu, naprężenia tektoniczne, dzięki którym można obserwować partie fałdu zdeformowane o wysokim stopniu plastyczności wraz z partiami powstałymi ze zginania.

Płynięcie plastyczne może dokonywać się po części wzdłuż uławicenia, co pociąga zmianę miąższości ławic. W mało zaawansowanym stadium objawia się to nabrzmieniem przegubów i powstaniem struktury symilarne. W miarę wzrostu stopnia zaawansowania fałdy symilarne mogą przechodzić w fałdy grubiejące. Dochodzi do rozwoju form niecylindrycznych. Litologiczne uwarunkowania podatności są powodem, że;

• zmiany miąższościowe zachodzą niejednakowo w poszczególnych warstwach,

• w obrębie warstw o wysokiej podatności może dojść do usamodzielnionych deformacji wewnętrznych,

• najsilniej naprężone partie jądrowe podlegają wyciskaniu i mogą powstawać struktury diapirowe,

Powstają więc struktury dysharmonijne z rosnącym stopniem nieregularności. W stadium najwyższej plastyczności (wzorzec: wewnętrzne sfałdowania wysadów solnych) obserwuje się szybką zmienność lokalną struktur deformacyjnych, skrajną dysharmonię wewnętrzną, brak organizacji kierunkowej. Zjawiska te występują także w „sztywnych” typach litologicznych w sytuacjach wymuszających zachowania wysokoplastyczne.

------------------------------------------------------

Zestaw 19

1. Scharakteryzuj uskoki pierwotne typu kruchego

Uskoki typu kruchego powstają przy końcu odkształcenia sprężystego - naprężenie ścinające przekracza wytrzymałość skały na ścinanie. Zniszczenie zachodzi gwałtownie, najczęściej wzdłuż jednego kierunku komplementarnego, który przejmuje na siebie cały proces ścinania i blokuje rozwój drugiego systemu ścięć. Kąt tarcia wewnętrznego w takich ośrodkach jest zwykle duży, dlatego położenie płaszczyzny uskokowej jest bliskie położeniu płaszczyźnie σ1σ2. Uskokom typu kruchego towarzyszą produkty grubej kataklazy, brekcje, nierówność powierzchni uskokowej, częstość występowania uskoków schodkowych o jednakowym kierunku zrzutu.

2. Porównaj spękania systematyczne i niesystematyczne

spękania systematyczne	spękania niesystematyczne
równoległe do siebie	rozrzut kierunków biegu
o wyrównanych odstępach	zmiene odstępy
zachowują ciągłość na znacznych odcinkach	utykają na spękaniach systematycznych
płaskie	zakrzywione
starsze od spękań niesystematycznych	młodsze od spekań systematycznych

3. Jak powstaje dupleks?

W przypadku powstawania dupleksów kontrakcyjnych mechanizm ten przedstawia się następująco: nasunięcie musi być skompensowane przez sfałdowanie lub wyjście powierzchni uskokowej na powierzchnię. Dalszy ruch powstałego w ten sposób pakietu skalnego wymaga pokonywania tylko oporów tarcia. Dźwiganie się powierzchni nasunięcia następuje wzdłuż tzw. stopnia rampowego, wzdłuż uskoku inwersyjnego. Najczęściej występuje kilka stopni rampowych. Stopień rampowy zazwyczaj występuje w miejscach kontaktów litologicznych, a zatem nacisk nasuwanego pakietu powoduje pozioma propagację pęknięcia wzdłuż powierzchni kontaktu, a po wyczerpaniu się możliwości poziomego ruchu pakietu, zachodzi wygięcie powierzchni odkłucia ku górze i wyodrębnienie łuski. Taki proces następuje wielokrotnie i łuski starsze przemieszczają się na młodszych (tzw. piggyback mechanism, jazda na barana). Gdy dupleksy występują jako pakiety ponasuwane na siebie, to tworzą one tzw. spiętrzenie antyformalne.

Dupleksy podłoża tworzą się, gdy uskoki imbrykacyjne zlewają się z nasunięciem spągowym.

Dupleksy ekstensyjne powstają w wyniku połogiego rozciągania w podłożu lub ześlizgu grawitacyjnego. Poślizgi międzyłuskowe są wykształcone wtedy jako uskoki normalne. Łuski są nachylone konsekwentnie w stosunku do kierunku transportu tektonicznego, w przeciwieństwie do obsekwentnego ułożenia łusek dupleksów kontrakcyjnych.

4. Scharakteryzuj teorię zniszczenia Griffitha

Założeniem teorii Griffitha jest istnienie w każdym materiale sprężystym mikroskopijnych szczelinek Griffitha, które w skałach stanowią drobne pory, styki międzyziarnowe, dyslokacje krystalograficzne. Szczelinkę można przyrównać do wydłużonej elipsy. Jeśli naprężenie rozciągające σT działa prostopadle do elipsy, następuje spiętrzenie naprężeń do wartości:

σmax = 2σT(l/r)1/2 (równanie Griffitha)

l - dłuższa półoś elipsy, r - promień krzywizny elipsy u jej końca. Gdy r zmierza do 0, σmax zmierza do nieskończoności, co powoduje samoczynny rozwój szczelinek. Proces zniszczenia rozwija się prostopadle do osi rozciągania i trwa dotąd, dopóki energia sprężysta uwolniona podczas niszczenia będzie równa pracy włożonej przez naprężenia:

(σ1 - σ3)2 + 8R(σ1 + σ3) = 0

R - wytrzymałość materiału na rozciąganie. Na podstawie tego równania można określić przebieg krzywej zniszczenia w układzie współrzędnych τ,σ po tensyjnej stronie diagramu również:

τ2 + 4Rσ - 4R2 = 0

Analizy te stanowią podstawę do konstrukcji obwiedni Mohra po tensyjnej stronie wykresu (części parabolicznej) oraz po kompresyjnej (prostoliniowy odcinek). Największe koło Mohra osiągające styczność z obwiednią na osi -σ przecina oś +σ w punkcie 3R - wartość +3R jest maksymalną wartością największego naprężenia głównego, jaka może wystąpić w skale ulegającej zniszczeniu z rozciągania. Ograniczenie obrazujące możliwość powstawania naprężeń ekstensyjnych obrazuje największe koło Mohra o punktach styczności z osią σ = 0 i 8R. W rozważaniach teorii Griffitha konieczne jest uwzględnienie ciśnienia porowego. Naprężenia tensyjne mogą wystąpić u końców szczelinki także w kompresyjnym polu naprężeń - w takim wypadku, niezależnie od kąta nachylenia szczelinek, mają one zdolność propagacji w kierunku osi największego ściskania.

Szczelinki Griffitha mogą też odgrywać rolę w zniszczeniu ścięciowym. W niektórych materiałach podczas ściskania szczelinki rozwijają się osiowo, ale są zgrupowane w szeregach kulisowych. Z postępem ściskania następuje rozwój ukośnych „mikrouskoków”, które łączą szczelinki i powstaje syntetyczna powierzchnia zniszczenia.

Rozwój szczelinek Griffitha w skałach nasyconych wodą jest poprzedzony procesami hydraulicznymi. Gdy czynne naprężenie główne nie przekracza 3R, to nawet przy dodatniej wartości σ3 ciśnienie porowe p ≥ R może spowodować, że czynna wartość tego naprężenia będzie wynosić -R - nastąpi utworzenie spękań tensyjnych. Rodzaj zniszczenia, gdzie udział wody porowej decyduje o powstaniu i charakterze nieciągłości, został nazwany pękaniem hydraulicznym.

Procesami szczelinowymi tłumaczy się dziś zjawisko dylatancji - wzrost objętości skały podczas odkształcania w fazach poprzedzających zniszczenie. Wzrost objętości może osiągać nawet 20%.

Teoria Griffitha tłumaczy wyższą wytrzymałość skał drobnoziarnistych od gruboziarnistych, gdzie szczelinki są dłuższe. Uzasadnia ona także to, że odkształcenie i zniszczenie to procesy powiązane ze sobą.

5. Opisz główne typy kinematyczne fałdów

a) kryterium: położenie powierzchni osiowych i skrzydeł oraz ogólna pozycja form fałdowych w przekroju prostopadłym do osi fałdu:

• fałd stojący - powierzchnia osiowa pionowa'

• fałd pochylony - powierzchnia osiowa pochylona, skrzydła zapadają w przeciwnych kierunkach lub jedno jest pionowe a drugie pochylone'

• fałd obalony - powierzchnia osiowa nachylona, skrzydła nachylone w tym samym kierunku,

• fałd leżący - powierzchnia osiowa pozioma

• fałd przewalony - powierzchnia osiowa nachylona lub pionowa, pozycja form fałdowych odwrócona: odwrócona antyklina jest wklęsła ku górze (fałszywa synklina), odwrócona synklina staje się wypukła ku górze (fałszywa antyklina). Następstwo warstw jest odwrotne niż normalnie. Przegub fałszywej antykliny to skręt korzeniowy (synklinalny), a przegub fałszywej synkliny to skręt czołowy (antyklinalny),

W przypadku antyklin obalonych można mówić o skrzydle grzbietowym (górnym, normalnym), gdzie następstwo warstw jest normalne, o skrzydle brzusznym (odwróconym), gdzie następstwo warstw jest odwrócone. Gdy skrzydło brzuszne ulegnie częściowo wygnieceniu, określa się je jako śródfałdzie.

Przy fałdach zanurzających się na upad powierzchni osiowej składa się nie tylko jej pochylenie w przekroju poprzecznym, ale tez zanurzanie się osi fałdu. Gdy oś fałdu jest równoległa do linii upadu powierzchni osiowej, wówczas mamy do czynienia z fałdem przechylonym.

b) kryterium: symetria wewnętrzna:

• fałdy symetryczne - skrzydła symetryczne względem powierzchni osiowej

• fałdy asymetryczne - skrzydła niesymetryczne względem powierzchni osiowej. Asymetria polega na różnej długości skrzydeł, różnych miąższościach, kształcie. Wyróżnia się wtedy powierzchnie osiową i płaszczyznę środkową, czyli symetralną skrzydeł fałdu. Skrajnym przypadkiem fałdu asymetrycznego jest fałd złuskowany. Wergencja - kierunek pochylenia i asymetrii fałdu; klinencja - kierunek odchylenia płaszczyzn środkowych fałdów od prostopadłości do ich obwiedni. klinencja ma znaczenie przy określaniu stosunku drobniejszych fałdów do nadrzędnej struktury

------------------------------------------------------

Zestaw 20

1. Co to jest zniszczenie poślizgowe?

Zniszczenie poślizgowe zachodzi wzdłuż płaszczyzn narzuconych przez płaszczyzny największej efektywności naprężeń stycznych, które przecinają kierunki krystalograficzne. Powstanie tych powierzchni jest zazwyczaj poprzedzone dość znacznym odkształceniem plastycznym. Jest to zawsze zniszczenie ze ścinania. Zjawisko to obrazuje badanie próbek skalnych przy wysokich ciśnieniach otaczających: w miarę wzrostu ciśnienia otaczającego następuje przechodzenie od jednej powierzchni kruchych ścięć przez zagęszczające się, nachylone przeciwstawnie, 2 wiązki drobnych uskoków, aż do gęstej siatki dwukierunkowych, zwartych i dyskretnych powierzchni poślizgu, które ciężko już nazwać powierzchniami zniszczenia, ponieważ nie likwidują spójności próbki, a są sposobem realizacji odkształcenia plastycznego. Nie ma wtedy ostrej granicy między odkształceniem a zniszczeniem.

2. Scharakteryzuj uskoki pierwotne typu podatnego

Uskoki typu podatnego powstają przy końcu odkształcenia trwałego, gdy w danych warunkach rozmiar odkształcenia przewyższa podatność danej skały. Zniszczenie dokonuje się w sposób ewolucyjny - powierzchnie poślizgów koncentrują się stopniowo z szerokich pasm. W przypadku ścinania prostego wykształcają się obydwa kierunki komplementarne, istnieje większa szansa na wykształcenie się zespołów ścięć pochodnych R i R'. Pozycja kątowa uskoków początkowo stosuje się do kryterium Coulomba-Mohra - przy niewielkiej wartości kąta tarcia wewnętrznego oznacza to łagodne nachylenia uskoków normalnych i strome odwróconych. Dyskretne ścinanie materiału przed koncentracja poślizgu powoduje przebudowę strukturalną ośrodka, co z kolei ułatwia ruch poślizgowy. W wyniku tego zjawiska tworzą się pasma dyslokacyjne o budowie wewnętrznej odróżniającej się od otoczenia. Takie strefy charakteryzują się obfitością mylonitów i noszą nazwę stref podatnego ścinania. W takich strefach często obserwuje się stały ruch o charakterze pełzania, przerywany epizodami aktywności sejsmicznej. Niekiedy powierzchnia uskoku nie jest możliwa do jednoznacznego wyróżnienia, bowiem drobne przemieszczenia na poziomie intergranularnym składają się na znaczną sumaryczną wartość przemieszczenia. powierzchnię koncentracji przemieszczeń można wyróżnić w przypadku zachowania mniej podatnego skał.

W szczelinach uskoków typu podatnego obserwuje się drobnookruchowe brekcje i mylonity, w ścianach podgięcia przyuskokowe, w przedłużeniu uskoków częste są fleksury, antykliny asymetryczne.

3. Jak powstają okna tektoniczne? Podaj przykłady tych struktur

Okna tektoniczne powstają w wyniku erozji utworów allochtonicznych w rozcięciu erozyjnym. Wskutek tego procesu może dojść do odpreparowania skał autochtonicznych, które są otoczone ze wszystkich stron utworami płaszczowiny (zrobić rysunek). Okno tektoniczne może też powstać na granicy dwóch płaszczowin. Przykładami takich struktur są:

• okno tektoniczne Mszany Dolnej - wyerodowane utwory jednostki magurskiej odsłaniają leżące pod nimi sfałdowane utwory jednostki dukielskiej. Jest to jednocześnie największe okno tektoniczne w polskich Karpatach;

• engadyńskie okno tektoniczne (Alpy, Szwajcaria) - spod zerodowanych metamorficznych skał odsłaniają się utwory osadowe jurajskie. Skały metamorficzne stanowią jądra płaszczowin;

• okno tektoniczne Żywca - jest to podwójne okno tektoniczne; spod płaszczowiny godulskiej wyłania się jednostka cieszyńska, a spod niej jednostka podśląska;

4. Opisz główne typy morfologiczne fałdów

a) kryterium: kształt fałdów w przekroju - stosuje się określenia obrazowe:

• fałdy zębate (szewronowe, zygzakowate) - ostre przeguby, płaskie skrzydła,

• fałdy grzebieniowate - o ostrych przegubach antyklin i półkolistych przegubach synklin'

• fałdy hiperboliczne

• fałdy paraboliczne

• fałdy półkoliste

• fałdy skrzynkowe (kuferkowe) - o płaskich grzbietach antyklin i dnach synklin połączonych przegubami z płaskimi stromymi skrzydłami w położeniu normalnym,

• fałdy wachlarzowe - płaskie lub lekko wygięte grzbiety antyklin i dna synklin, połączone przegubami z płaskimi, stromo nachylonymi skrzydłami w położeniu odwróconym,

b) kryterium: kąt zbieżności Δ, określający wzajemne stosunki skrzydeł. Jest to kąt dwuścienny między płaszczyznami określającymi średnie położenie skrzydeł fałdu:

• fałdy normalne - Δ>0

• fałdy izoklinalne (zamknięte) - Δ=0

• fałdy wachlarzowe - Δ<0

c) kryterium: stopień skrócenia fałdowego - rośnie wraz z maleniem kąta Δ. Po zrównaniu się Δ z 0 przy fałdzie izoklinalnym następuje plastyczne wyciskanie materiału z jąder antyklin, umożliwiające dalsze skracanie i powstawanie form wachlarzowatych. Dla pomiaru stopnia skrócenia fałdowego istotny jest stosunek wysokości fałdu (w) do jego promienia (p):

• fałdy szerokopromienne - gdy w/p = ¼ lub mniej

• fałdy średniopromienne - gdy w/p = ¼ do 1

• fałdy wąskopromienne - gdy w/p wynosi więcej niż 1

• W przypadku fałdów asymetrycznych o różnych długościach skrzydeł wprowadza się średni promień fałdu.

d) kryterium: kształt fałdów w planie - wskaźnikiem jest stosunek długości fałdu (d) do jego szerokości (s) zmierzonych wzdłuż tej samej granicy stratygraficznej:

• fałdy linijne - gdy długość jest większa od szerokości przynajmniej 5-krotnie,

• brachyfałdy - gdy długość przewyższa szerokość 2 do 5 razy,

• kopuły, niecki - gdy długość jest równa lub 2 razy większa niż szerokość,

e) kryterium: symetria ogólna i cylindryczność - symetryczność wzdłuż płaszczyzn AB AC może być rombowa, jednoskośna, trójskośna:

• fałdy cylindryczne - powierzchnie ławic stanowią powierzchnie walcowe dające się odwzorować przez ruch tworzącej,

• fałdy niecylindryczne: stożkowe, będące produktem najczęściej transformacji fałdów cylindrycznych na zakończeniach, w odcinkach ondulacyjnych; fałdy torsjalne;

• Powierzchnie sfałdowane wymienionych wyżej fałdów są rozwijalne do płaszczyzny.

• fałdy nałożone - pochodzące z interferencji różnych fałdowań. Należą do fałdów nierozwijalnych, których sfałdowana powierzchnia nie może być przedstawiona w postaci płaszczyzny

5. Jak można odtworzyć układ naprężeń na podstawie rodzaju struktury spękaniowej?

Na podstawie analizy wzajemnych stosunków geometrycznych poszczególnych zespołów ciosowych można odtworzyć układ naprężeń, które spowodowały powstanie określonego systemu:

• ortogonalny (prostokątny) - kąt pomiędzy zespołami ciosu wynosi 90°. Poszczególne zespoły powstają głównie na obszarach platformowych na obszarach platformowych;

• romboidalny (diagonalny, ostrokątny) - występuje rzadziej niż ortogonalny. kąt między zespołami spękań jest różny od 90°. Dawniej ten system był uważany za spękania ścięciowe;

• koncentryczny - występuje głównie w miejscach, gdzie pod powierzchnią dźwigają się wysady solne lub intruzywne ciała magmowe:

• radialny - czasem współwystępuje z ciosem koncentrycznym. Spękania ciosowe rozchodzą się promieniście od centrum wysadu solnego lub intruzji magmowej;

• kulisowy - sugeruje często udział składowej przesuwczej w jego powstaniu:

• pierzasty - występuje w strefie uskokowej:

Generalnie struktury spękaniowe są następstwem działania naprężeń ekstensyjnych, gdzie oś σ3 jest prostopadła do jednego z zespołów (np. w systemie ortogonalnym). Czasem można obserwować spękania, które mają założenia ścięciowe. Otwieranie spękań, których powierzchnia jest pokryta wyrazistym reliefem, zachodziło w warunkach nie najbardziej kruchych. Część zespołów ciosowych powstawała w wyniku transformacji osi naprężeń, wskutek czego systemy mogą nakładać się na siebie. Można też próbować odtworzyć układ naprężeń na podstawie morfologii spękań:

• struktura pierzasta - jest formowana w trakcie jednego epizodu tektonicznego, ale może być także formowane podczas kilku epizodów - struktury pierzaste mają wtedy różną orientację, a gdy poszczególne epizody następowały kolejno po sobie, lecz ich orientacja była podobna, wówczas mogą powstawać sekwencje struktur pierzastych. Relief pierzasty powstaje dla ścięć typu I. Środkiem struktury pierzastej zazwyczaj biegnie szew, wzdłuż którego odbywała się propagacja naprężeń. Spękania są wygięte zgodnie z kierunkiem propagacji naprężeń. Wśród struktur pierzastych wyróżnia się strukturę miotlastą, która przypomina w planie zarys miotły:

• struktura koncentryczna - koncentryczne wybrzuszenia na powierzchni spękania. Wypukłe fragmenty przypominają muszle. Wygięte są one w kierunku propagacji naprężeń:

• struktura rąbkowa - występuje zwykle na zakończeniach spękań pierzastych:

• struktura radialna - często powstająca w konkrecjach. Składa się z drobnych lineamentów rozchodzących się promieniście od centrum. Płaszczyzna, w której powstaje struktura radialna, jest prostopadła do osi największego odprężania:

• żebra tektoniczne - powstają najczęściej w wyniku ruchu przesuwczego wzdłuż istniejącej wcześniej powierzchni nieciągłości. Inicjalną formą, z której czasami mogą powstawać żebra tektoniczne, są spękania rąbkowe:

17

---