3. Reologia. Tektonity. Modele reologiczne, reologia litosfery. Typy tektonitow, symetria, więźba, analiza mikrostrukturalna.

Podstawy analizy geometrycznej.

Mówiliśmy o odkształceniu kruchym i duktylnym. W skałach metamorficznych zachowanie plastyczne jest bardzo częste. Są pewne mechanizmy które na to pozwalają. Jeżeli sobie wyobrazimy wyjściową skałę składającą się z mniej więcej równowymiarowych ziaren, niekoniecznie okrągłych ale mających swoje zarysy, możemy założyć, że są one wyjściowo niezdeformowane (wyjściowo jest koło). Jest kilka mechanizmów powodujących deformację. Może zadziałać mechanizm plastyczności. Zrobi się nam z kwadracika prostokąt a z koła elipsa. Ziarna wyraźnie zaczynają być elipsoidalne, wydłużone, spłaszczone. Doszło do deformacji, zadziałał mechanizm plastyczności kryształów – skutek deformacji zachodzących w sieci krystalicznej.

Drugi mechanizm też może dać zmieniony kształt całego obiektu ale wewnątrz ziarna wyglądają podobnie. Tu zadziałał szczególny mechanizm który umożliwia poślizgi po granicach ziarn, a nie wymaga zmiany kształtu samych ziarn. Ziarna usiłują się zrotować w stosunku do swojej pierwotnej pozycji. Dojdzie do reorientacji. Można sobie zwizualizować kupką piasku. Jeżeli ten piasek ścisnę ręką, spłaszczę go. Zmienił kształt ale ziarnom kwarcu nic się nie wydarzyło. Zmieniają one natomiast swoją pozycję, czyli spełniły warunek deformacji. Takie coś może też zadziałać na większej głębokości, mylonity.

Trzecim mechanizm – ziarna mają pozornie wydłużony charakter, ale wzdłuż granic ziarn kontakty będą postrzępione, przypominające troszkę stylolity. Charakterystyczna ząbkowana granica przypominająca szew stylolityczny i rzeczywiście mamy tu podobny proces - rozpuszczania pod ciśnieniem. Pozycja postrzępionych brzegów jest prostopadła do kierunku działania największego naprężenia. Jeżeli mielibyśmy skałę z oolitów, teraz wyglądałaby kuliście, ale części prostopadłe do naprężeń zostają usunięte. Oczywiście może to być daleko posunięte i zostać nawet niewielki fragment z suturową granicą. Te trzy mechanizmy powodują plastyczność. Część elementów może być odtransportowana lub tworząca nowe kryształy, cienie ciśnień – są to nowotwory mineralne.

Żeby zadziałał mechanizm plastyczności kryształów musi dojść do deformacji wewnątrz sieci krystalicznej. Przejawem tego są np. zbliźniaczenia. Bliźniak jest odbiciem zwierciadlanym deformowanego osobnika. Mamy przykład sieci krystalicznej. Po deformacji. Połowa krawędzi przechyla się w drugą stronę. Zbliźniaczenie jest efektem deformacji nawet w skałach magmowych. Jeżeli kryształy nie mają miejsca zaczynają oddziaływać, przekazując naprężenia. Nie wymaga to wysokich temperatur i może zachodzić z niewielkimi prędkościami.

Natomiast w wyższych temperaturach mamy do czynienia z tzw. poślizgami sieciowymi. W sieci krystalicznej pojawiają się pewne defekty sieci związane z wrostkami lub innymi przyczynami. Jeżeli obiekt poddany jest ściśnięciu, usiłuje się pozbyć dyslokacji bo jemu jest niewygodnie i chce być krystalicznie uporządkowany. Poddana takiemu naprężeniu sieć krystaliczna podlega deformacji, tak że poszczególne atomy w sieci przemieszczają się o dystans równy długości komórki elementarnej. Mamy obiekt przed deformacją, następnie dochodzi do poślizgu sieciowego. Wszystkie te atomy przemieszczają się o wielkość odpowiadającą komórce elementarnej. Naturalnie to następuje w pewnym porządku, po kolei. Najpierw najbliżej płaszczyzny poślizgu. W efekcie wszystkie niejednorodności zostaną usunięte. Kryształ zmienił kształt ale zachowuje regularną budowę. To jest w zasadzie cały sens deformacji wewnątrzkrystalicznych., Kryształy pozbywają się defektów istniejących lub dopiero powstających. Inny rysunek : kryształy nie pozostają w połączeniu z innymi przez pewien czas. Pierwszy rządek jest pchany dochodzi do przerwania ciągłości. Kolejne rządki przesuwają się łącząc się ze sobą. W końcu nieregularność zostanie wypchnięta poza układ. Kryształ zmieni swoją postać ale sieć krystaliczna odzyska swoją jednorodność. Zasada jest właśnie taka. To naturalnie daje zmiany kształtów. Tutaj deformowany eksperymentalnie oktochloropropan. Po deformacji zmienia się wyraźnie kształt, bo dochodzi do przemieszczenie granic ziarn w wyniku usuwania dyslokacji z wnętrza sieci krystalicznej. W efekcie mamy zdeformowane obiekty.

Przy okazji mechanizmu poślizgów może dochodzić do sytuacji gdy mamy superplastyczne zachowywanie się. To jest gdy temperatura jest większa niż 1/3 temperatury topnienia właściwej dla materiału. Jeżeli jest mniejsza mamy zbliźniaczenia lub deformację kruchą.

Oprócz tego plastyczne zachowanie się kryształów wywołane jest także dyfuzją jonów i tak zwanym pełzaniem. Mamy tu dwa typy pełznięcia (bardzo wolnego, bo skały zachowują się lepko, w dłuższym czasie sprawiają wrażenie płynących, odnosi się też do innych substancji płynnych, jeżeli mamy lód i zawieszamy ciężarek na drucie na tym lodzie. W skutek obciążenia dojdzie do lokalnego podtopienia lodu). Pierwszy rodzaj to pełzanie Coble’a. Działa ten mechanizm poślizgu w pograniczach ziarn. Mamy układ wyjściowy – heksagonalne granice ziarn – działa mechanizm poślizgu w pograniczach ziarn i stopniowo dochodzi do przemieszczenia sprawiającego, że po rotacji te obiekty zmienią swoja pozycję. Dojdzie do wypchnięcia i rotacji dwóch heksagonitów do góry. Zewnętrzne też się obracają i zbliżają do siebie. Wszystko obróciło się o 90 stopni mimo że działaliśmy naprężeniem poziomym. To działa w stosunkowo długim czasie, roztwory to ułatwiają.

Drugi typ to czysta dyfuzja jonów. Odbywa się w wyniku naprężenia. Z miejsc gdzie poddane są większym naprężeniom próbują przemieścić się do miejsc gdzie te naprężenie są mniejsze. Jony wyskakują z ziaren i powodują zmianę ich kształtu. Daje to efekt drugiego typu pełznięcia materii nazywanego Nabarra – Herring. Te mechanizmy pełzania również dają efekt plastyczności kryształów. Część mylonitów powstaje właśnie w taki sposób. Skała jest zmylonityzowana, strefa uskokowa istnieje mimo ze nie widać zdeformowanych kryształów.

Efektem takiego układu jest rekrystalizacja. Rekrystalizacja w pierwszej kolejności odbywała się w warunkach dynamicznych, pod naprężeniem. Rządzona jest defektami w sieci krystalicznej. Substancja dąży do usunięcia defektów. Ona decyduje o rekrystalizacji.

Mamy też rekrystalizację statyczną, która zachodzi w tym samym materiale ale po ustąpieniu naprężenia. Konieczna jest wysoka temperatura. Inna jest przyczyna energetyczna rekrystalizacji. Tam był rozkład energii powierzchniowej. Sumaryczna powierzchnia wszystkich ziarenek jest większa dla mniejszych ziaren, jest to sytuacja wyżej energetyczna. Jeśli energia jest duża substancja dąży do dużych kryształów by ją zmniejszyć. Rośnie tak by osiągnąć największe rozmiary przy stosunkowo najniższej powierzchni., Po deformacji jeśli otrzymamy zrekrystalizowany bardzo drobnokrystaliczny agregat, po ustąpieniu naprężeń ziarna rekrystalizują by wytworzyć ziarna większe. Ona może być niejako wymuszona dodatkowo temperaturą wyższą, ale nie na tyle by je stopić. Czyli efekty deformacji możemy usunąć. Kształty zostaną ale ziarna zostaną przywrócone. To samo robi się przy hartowaniu stali. Może też się dokonywać tak zwana enukleacja i rotacja podziarn powodująca efekt tej statycznej rekrystalizacji.

Część substancji która zostanie rozpuszczona może zostać w układzie, ale może zostać usunięta poza układ i wykrystalizować w jakiejś odleglejszej szczelince. Może być też tak że pojawi się cień ciśnienia zbudowany z innego materiału, niekoniecznie z tego kryształu, ale właśnie z czegoś odleglejszego. Często mają one pokrój włóknisty, co pozwala na odczytanie kinematyki.

Innym mechanizmem jest jak się tworzą minerały łyszczykowe w skałach metamorficznych. W wyniku rozpuszczania i rotacji, jeżeli będzie działało ściskanie, w efekcie otrzymamy zmianę kształtu i przy pewnej rotacji dojdzie do takiego układu że ziarna zmienią kształt na bardziej spłaszczony, co sprawi że biotyty zaczynają rotować i podporządkowywać się jednemu kierunkowi. Mechanizm ziarn może zatem powodować także reorientację innych ziarn nierozpuszczalnych. Powstanie pewna struktura uporządkowana.

W tektonice i geologii strukturalnej pod pojęciem struktura rozumiemy produkt deformacji, niezależnie od tego kiedy ona zaszła. Oczywiście inne rozumienie to jakaś forma tektoniczna w dowolnej skali (przekształcone ziarno, fałd mały, fałd duży, płaszczowina, zespół form – wtedy też używa się też słowa budowa, a ostatnio z lubością używa się słowa architektura, w kontekście układu przestrzennego mniejszych struktur). Tekstura na użytek tektoniki to sposób ułożenia i wzajemnych relacji przestrzennych struktur. Bardzo szybko się okazało że nawet te dwa pojęcia są nie wystarczające. Wprowadzono termin obejmujące oba – jakieś uporządkowanie pewnych konkretnych struktur. To zostało wykoncypowane prze Bruno Sandera (zajmował się mechaniką ośrodka ciągłego, na początku XX w. w Austrii). Wprowadził termin Gefuege, co zostało przetłumaczone na fabric w angielskim (konkretna tkanina i ułożone w odpowiedni sposób nitki). W Polsce na określenie tego stosuje się słowo więźba (konkretny układ belek). Więźba to uporządkowanie w ciele jego elementów strukturalnych. Słowem tym określa się tylko elementy zdeformowane. Deformacja działa porządkująco na skałę. W związku z tym więźba też musi mieć elementy z których się składa. W skali mikroskopowej elementami więźby mogą być osie krystaliczne, powierzchnie łupliwości, ścianki, płaszczyzny zbliźniaczeń, niewidoczne gołym okiem. Elementy te składają się na przejawy dwojakiego rodzaju:

• Planarne – foliacja

• Linijne – wyraźna anizotropowość, jeden dłuższy wymiar, produkty wynikające z deformacji są składowymi więźby

Teraz możemy przejść do definicji tektonitu wprowadzonej przez Sandera. On analizował deformację, Możemy ją obserwować także w magmowych. Rozdzielił je na pierwotne – odnoszące się do skał magmowych, w trakcie ich powstawania oraz wtórne. Tektonit najogólniej to ciało geologiczne, którego więźba powstała w wyniku wzajemnych ruchów. Jest to część składowych (ziaren) bez utraty ciągłości między nimi (albo w trakcie deformacji albo w trakcie płynięcia skały – pierwotna). Dzieląc tektonity przyjął że mamy pierwotne – uporządkowanie elementów zachodzi w wyniku otaczające medium, np. kryształy płynące w stopie magmowym, jeżeli jest ruch linearny, bo jak turbulenty to wszystko się miesza. Stąd jest to deformacja pierwotna. Struktura planarna będzie nazywana magmową foliacją pierwotną. Niektóry punkty kamieniarskie sprzedają granit złożony ze skaleni potasowych jeden na drugim leżący, zastygające w czasie płynięcia. Ale otoczaki zimbrykowane dokonują się pod wpływem płynącej wody. To także jest deformacja pierwotna. W tym sensie jest również tektonit.

Natomiast generalnie rzecz biorąc mamy do czynienia z tektonikami wtórnymi. Wówczas składniki i elementy więźby powstają w trackie deformacji, w trakcie ruchu., Tak jest w metamorficznych. Czasami mamy też tektonity mimetyczne – dochodzi do rekrystalizacji, ale naśladuje ona wcześniej istniejący kierunek z pierwotnej więźby. Szczególnie dobrze widoczne jest to w skałach ilastych zbudowanych z krzemianów warstwowych. Już w momencie sedymentacji są uporządkowane i ich rekrystalizacja też daje uporządkowanie mimetyczne. Stąd często w skałach metamorficznych mamy reorientację mimetyczną (muskowity > chloryty).

Mówimy o takim podziale związanym z przewagę elementów linearnych i planarnych:

• L – linijne

• S – planarne

• LS – pomiędzy nimi

L - tektonit jest taki że w ścianie czołowej ma zarysy okrągławe, a potem jest wydłużony w jednym kierunku, dając struktury linijne.

S –tektonit Planarne dają sytuację odwrotną. Ściana czołowa to spłaszczony kształt i na boku też spłaszczona. Mają wyraźnie zachowaną dwuwymiarowość. Są wydłużone w dwóch kierunkach i spłaszczone w jednym.

Pomiędzy nimi są pośrednie LS. (1 na diagramie Flinna). L i S są mniej więcej w równowadze.

Symetria tektonitów została wprowadzona dla celów porównawczych. Żeby dawało się te obiekty porównywać i nadawać im cechy wspólne mimo że są różne. Jeżeli weźmiemy sobie serwetkę i zrobimy fałdek antyklinkę i synklinę. Jeżeli chcemy go analizować go od strony symetrycznej widzimy, że mamy trzy płaszczyzny symetrii dwukrotnej. Naturalnie odpowiednio do tego mamy trzy osie dwukrotnej symetrii. Wychodzi na układ rombowy. Nie ulega wątpliwości ze symetria rombowa charakteryzuje obiekty o wysokiej geometrii. Jeżeli fałd będzie pochylony, zostaje nam jedna płaszczyzna symetrii i jedną oś symetrii – układ jednoskośny. Większość obiektów to jednak symetria trójskośna. Z drugiej strony można sobie wyobrazić w kuli symetrię sferyczną nieskończoną liczną, ale w tektonice nie mamy z taką do czynienia. .

Jest teraz kilka pojęć odnoszących się analizy geometrycznej odkształcenia. Osie x, y, z w elipsoidzie nazywamy osiami odkształceń głównych. Natomiast możemy jeszcze posłużyć się pojęciem głównymi osiami odkształcenia. Gdy koło zmieni się w elipsę, chcemy je porównywać. Oprócz osi x, y, z wprowadzamy główne osie odkształcenia. Istnieją one prostopadłe do siebie. Są wyimaginowane, istniejąc prze deformacją . To do nich się odnosimy. Sam obiekt ma osie odkształceń głównych . Osie mogą się pokrywać, ale nie muszą (por. elipsa skośna). Miara tej niezgodności pokazuje jaka jest deformacja. Przy okazji miara tej deformacji pozwala nam powiedzieć o tym że mamy do czynienia z efektem rotacji. Pokazuje to, że doszło między etapem 1 i 2 do dalszego odkształcenia rotacyjnego. W tym wypadku osie kolejnych elips są do siebie nierównoległe. To daje nam możliwość określenia dwóch zasadniczych typów deformacji:

• Ścinanie czyste - to takie jak przedstawia nam pierwszy ciąg figur – jednorodne odkształcenie nierotacyjne., Linie są proste i równoległe – takie zostały. Osie elips są w tej samej orientacji przestrzennej.

• Ścinanie proste – jest to jeden z rodzajów odkształcenia rotacyjnego, w którym deformacja jest tylko płaszczyznowa. Nie zmienia się wymiar obiektu wzdłuż osi y. Deformacja zachodzi tylko na płaszczyźnie x – z. W obiektach które mamy, nie zawsze jest to takie czytelne.

Po prawej stronie. Kwadracik został zmieniony w prostokącik. W warunkach deformacji ścinania czystego . Równoległe pozostaną równoległe, a nachylone ulegną rotacji ale w zależności od pozycji, dążą do równoległości. Mimo, że jest to ścinanie czyste i nierotacyjne w środku zapisane są efekty deformacji rotacyjnej.

Po lewej ścinanie proste. Daje nam to obrót w jedną stronę. Wszystkie rotują zgodnie z działaniem pary sił. . Różnią się elementem nachylenia, jedne rotują szybciej drugie wolniej, co jest efektem ich pierwotnej orientacji. W obiekcie poddanym ścinaniu prostemu wszystkie rotują w tę samą stronę. W ścinaniu czystym rotacja zależy od nachylenia pierwotnego – jej kierunek.

Proste to działanie pary sił skierowanych przeciwnie.