WYKŁAD 1

A. Wprowadzenie

formalności: (termin, czas, spóźnianie, frekwencja)

- sposób zaliczania (test, w + ć, myślenie)

- zakres wiadomości (wykład + ćwiczenia)

- sposób prowadzenia (mieszany - prezentacja + tradycyjna forma)

- literatura (podstawowy podręcznik R. Dadlez & W. Jaroszewski Tektonika - część

zredagowana przez prof. Wojciecha Jaroszewskiego)

wyjaśnienie terminu tektonika - geologia strukturalna

tectonos - przyczyny, przebieg, skutek

struktura

B. Rozpoznawanie

Analizowanie - odtwarzanie mechanizmów - przyczyna

1. odtwarzanie geometrii struktur różnego rzędu

2. odtwarzanie warunków (ciśnienie, temperatura) - modelowanie

3. odtwarzanie mechanizmu (zginanie, ścinanie, płynięcie)

4. odtwarzanie układu sił i naprężeń

5. czasu powstawania

6. kierunków transportu tektonicznego - tworzenie specjalistycznych map kierunków

Geologia strukturalna stara się wypracować analityczne narzędzia pozwalające opisać odkształcenia w skali lokalnej (od mikroskopowych płytek cienkich do skali odsłonięcia)

Celem tego wykładu jest przedstawienie podstawowych pojęć - terminów, próba wyjaśnienia mechanizmów powstawania szeregu struktur tektonicznych

C. Rodzaje skał

W rozważaniach staramy się określić w jaki sposób skały się zachowują - stąd niezbędny jest podział na sypkie i zwięzłe

- kruche

- plastyczne - sens potoczny = łatwość uzyskiwania znacznych odkształceń trwałych, małą sprężystość

dla uniknięcia niejednoznaczności stosuje się określenie dla skał: podatne i niepodatne, kompetencja skał.

W literaturze anglosaskiej rownież słabe i mocne (strong and weak)

zależy to od warunków w jakich następuje deformacja

D. Elementy mechaniki skał

Podstawowe pojęcia

Siły → wywołują naprężenia → odkształcenie

Siła - wypadkowa oddziaływań mechanicznych na punkt, element ze strony innych elementów lub pól siłowych. Jest to wielkość wektorowa (teoretycznie iloczyn - masy, na którą działa siła x przyspieszenie jakie ona tej masie nadaje w określonym kierunku.

Naprężenie (ang. stress) - ogół sił wewnętrznych wywiązujących się w elemencie, ciele stałym w wyniku oddziaływania czynników (sił zewnętrznych, siły ciężkości, temperatura, zmiany krystalochemiczne) dążących do odkształcenia ciała. Naprężenie jest wielkością tensorową, co jest tłumaczone jako całość sił działających na nieskończenie mały element (przedstawiany w naszych późniejszych rozważaniach jako sześcian), stanowiący jeden z nieskończenie wielu innych elementów.

Stan sił można sobie wyobrazić jako 3 składowe (zwane naprężeniami normalnymi = główne) działające prostopadle do ścianek wspomnianego sześcianu ozn. σ oraz 6 składowych (zwane naprężeniami stycznymi = ścianającymi) działających w płaszczyźnie ścianek sześcianu równolegle do krawędzi ozn. .

Naprężenia główne σ_ > σ_ > σ_

Naprężenia można podzielić na:

- Kompresyjne, ściskające (kompresja), gdy dochodzi do zbliżania sąsiednich elentarnych sześcianów (σ₁ dodatnie)

- rozciągające, tensyjne (tensja) (σ₃ ujemne)

Naprężenia styczne dążą do wzajemnego przesunięcia sześcianów elementarnych (poślizg)

Gdy istnieje swoboda zmian w ustawieniu elementów, niezrównoważenie naprężeń stycznych prowadzi do obrotu (rotacja).

Odkształcenie (ang. strain) - zmiana kształtu lub objętości, czy też i kształtu i objętości, w efekcie końcowym dochodzi do zniszczenia.

Gdy następuje ściskanie wzdłuż σ₁ dochodzi do skrócenia, zaś wzdłuż osi σ₃ następuje wydłużenie.

E. Układy sił, naprężeń i odkształceń

Dla zobrazowania układów sił najlepiej jest analizować deformowaną kulę.

W przypadku naprężeń będziemy mieli do czynienia z elipsą naprężeń, zaś w przypadku odkształceń z elipsą odkształceń.

1. Przypadek

Ściskanie i rozciąganie jednoosiowe

Rysunek

W naturze występuje tylko ściskanie jednoosiowe, tam gdzie działa tylko siła ciężkości i ewentualnie pionowe dźwiganie.

2. Przypadek = ogólniejszy

Lepiej to przedstawić w formie trójosiowej

1. Ściskanie (kompresja) trójosiowe na obszarach:

a) gdzie nie ma naprężeń związanych z tektoniką - przy powierzchni σ_{1 >} σ₂ = σ_3; może występować też stan hydrostatycznego napięcia (raczej nie dawać) σ₁ = σ₂ = σ_3;

b) gdzie występują naprężenia związane z tektoniką - σ_{1 >} σ₂> σ_3;

2. rozciąganie (tensja) = rozrywanie

3. ścinanie proste, czyste

4. zginanie

w procesach fałdowych; w zewnętrznej strefie rozciąganie równoległe do powstającego łuku, w wewnętrznej ściskanie; rozdziela je strefa neutralna (bez większych deformacji, przemieszcza się w kierunku przegubu w miarę zginania)

5. skręcanie - rotacja np. fałdy asymetryczne, obalone

odkształcenie jednorodne (homogeneous) i niejednorodne (inhomegeneous strain) - w tym ostatnim przypadku linie pierwotnie proste stają się krzywe w trakcie deformacji (najczęstszy przypadek).

Stąd potrzeba tworzenia - domen jednorodnych

Do niejednorodności przyczynia się zmienność pól sił i naprężeń, temperatura, ciśnienia itp. itd.

Jedną z przyczyn jest niejednorodność litologiczna, gdy np. fałdowane są warstwy o różnej podatności - pce i łupki oraz anizotropia mechaniczna (zależność własności mechanicznych od kierunku) - uławicenie, foliacja, lineacja, cios). Izotropia

Fałdowanie nie zachodzi w ośrodku izotropowym

WYKŁAD 2

1. JAK SKAŁA ULEGA NISZCZENIU ?

- zależy od własności mechanicznych

- czy jest odkształcenie jednorodne czy niejednorodne, anizotropia, izotropia

odkształcenie jednorodne i niejednorodne

- w tym ostatnim przypadku linie pierwotnie proste stają się krzywe w trakcie deformacji (najczęstszy przypadek).

stąd potrzeba tworzenia - domen jednorodnych

Do niejednorodności przyczynia się zmienność pól sił i naprężeń, temperatura, ciśnienia itp. itd.

Jedną z przyczyn jest niejednorodność litologiczna, gdy np. fałdowane są warstwy o różnej podatności - piaskowce i łupki oraz anizotropia mechaniczna (zależność własności mechanicznych od kierunku) - uławicenie, foliacja, lineacja, cios).

Fałdowanie jest tym łatwiejsze im wyższy stopień anizotropii - np. im gęstsze powierzchnie międzyławicowe - slajd z fałdem.

Izotropia

Fałdowanie nie zachodzi w ośrodku izotropowym

B. KRZYWA ODKSZTAŁCENIA

Granica proporcjonalności - odcinek prostoliniowy, wzdłuż którego przyrosty odkształcenia są proporcjonalne do przyrostów naprężenia.

Granica sprężystości - poza granicą proporcjonalności może występować niewielki odcinek w przybliżeniu jeszcze prostoliniowy. Jeżeli usuniemy obciążenie w tym momencie, to pręt metalowy sprężyście wróci do swej pierwotnej długości (straci ok. 0.02 %). Odkształcenie na obu pierwszych odcinkach poprzedzających ten punkt to odkształcenie sprężyste (odwracalne).

Granica plastyczności (granica płynięcia) - po osiągnięciu tego naprężenia dalszy przyrost odkształcenia odbywa się praktycznie bez żadnego naprężenia lub tylko przy niewielkim jego wzroście. Po usunięciu obciążenia pręt nie wraca do swej pierwotnej długości. Odkształcenie plastyczne jest nieodwracalne.

Wzmocnienie - wzmocnienia materiału w wyniku plastycznego płynięcia (poza odcinkiem poziomym krzywa odkształcenia wznosi się).

Osłabienie - następuje spadek krzywej

poprzedzający zniszczenie

Płynięcie - całość odkształcenia trwałego

(nieodwracalnego)

Podatność - wartość możliwych

odkształceń ciągłych w materiałach skalnych

Plastyczność - używane w sensie potocznym

łatwość uzyskiwania znacznych

odkształceń trwałych.

Na krzywej jednak jest to poziomy odcinek krzywej.

Zachowanie skał

Kruche, półkruche, podatne - wykresy

C. WŁASNOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWE SKAŁ

Wytrzymałość - największa wartość naprężeń (σ) jaką dane ciało może znieść nie ulegając zniszczeniu. Wytrzymałość masywu skalnego jest wielokrotnie mniejsza, niż to wynika z badań pojedynczych próbek skalnych, bo w masywie wyst. wiele elementów osłabiających. Prawidłowość - wytrzymałość na ściskanie Rc jest znacznie wyższa od wytrzymałości na rozciąganie Rr. Zwykle Rc/Rr = 10

(Rc = 10 Rr).

- Ściskając 10 razy trudniej jest zniszczyć ciało niż rozciągając.

- W skałach kruchych Rc/Rr jest większa niż w skałach podatnych. Stąd w kwarcytach (b. kruchych) jest tak dużo spękań tensyjnych.

- wytrzymałość materiałów maleje pod działaniem obciążeń cyklicznych =

obciążanie + odciążanie = zmęczenie dynamiczne (dynamic fatigue). Im więcej cykli dynamicznych tym większa kruchość zachowania skał.

/D czy J w ŚW co bardziej ?/

D. WŁASNOŚCI SPRĘŻYSTE SKAŁ

Praktycznie zawsze podczas odkształcania występuje składowa sprężysta -

dla zachowań kruchych - dominuje lub jest wyłączna.

Wykres dla kruchego

Odkształcenie sprężyste odznacza się odwracalnością i w przybliżeniu prostoliniowym wykresem σ.

Wykres

Dla ciała idealnie sprężystego (postać wyidealizowana) - prawo Hooke'a (1676)

 = eσ, gdzie e to współczynnik proporcjonalności (b. mała wartość stąd można go zastąpić jego odwrotnością e = 1/e.

Stąd  = σe, gdzie odkształceń liniowych 1/e = E czyli tzw. moduł Younga (moduł sprężystości liniowej).

 = σE, im większy E tym mniejsze są odkształcenia sprężyste

slajd wykres

Prawo Hooke'a stosuje się raczej tylko do granicy proporcjonalności, ponieważ skały nie są ciałami doskonale sprężystymi.

Oprócz modułu Younga - moduł sprężystości liniowej

przy innych rodzajach odkształceń sprężystych

moduł - sprężystości postaciowej (sztywności) - przy ścinaniu - odkształcaniu postaciowym

moduł - sprężystości objętościowej (ściśliwości) - przy odkształcaniu objętościowym, itd.

E. WŁAŚNOŚCI PLASTYCZNE SKAŁ

Najważniejsze czynniki wpływające na plastyczne zachowanie się skał to

- Ciśnienie otaczające

- Temperatura

- Płyny porowe

- Czas

1. Rola ciśnienia otaczającego

ciśnienie otaczające - ciśnienie oddziaływujące na odkształcaną próbkę ze wszystkich stron np. ciśnienie litostatyczne.

Próbka jest poddawana doświadczeniu kompresyjnemu w aparacie trójosiowym:

2. Rola temperatury

3. Rola płynów porowych

- oddziaływanie chemiczne

- oddziaływania krystalochemiczne

- oddziaływania fizyczne

Oddziaływania chemiczne

- rozpuszczanie i rekrystalizacja (dla skał długo obciążanych łatwo rozpuszczalnych skał np. sole, gips dostarczenie płynu powoduje wzrost podatności).

- rozpuszczanie pod ciśnieniem (rozpuszczanie spowodowane przez naprężenie ośrodka rozpuszczanego)

Zasada Rieckiego

Materiał sprężysty poddany w polu naprężenia ściskającego działaniu rozpuszczalnika łatwiej rozpuszcza się w miejscach, gdzie to naprężenie jest największe, a rozpuszczona substancja przenosi się do miejsc (redepozycja), gdzie jest ono najmniejsze i tam może ulec rekrystalizacji.

Stylolity

Szew stylolitowy

Lineacja stylolitowa

Stylolityzacja

Powłoka stylolitowa (reziduum)

Stylolity litostatyczne i tektoniczne

mikrostylolity

wciski

kliważowanie

Oddziaływanie krystalochemiczne

a) Spadek wytrzymałości po nasyceniu wodą - (rozmiękczanie)

Przekształcenie krystalochemiczne minerałów ilastych w obecności wody (niektóre margle, opoki, iłowce, mułowce).

Stąd zwiększa się ilość odkształceń plastycznych - ułatwia powstanie odkształceń ciągłych (fałdowanie kompleksów ilastych).

b) Osłabienie hydrolityczne obserwowane w kwarcu

Ułatwione w warunkach wysokich P i T płynięcie plastyczne kryształów kwarcu po wzbogaceniu w wodę.

c) Wzrost kruchości w skałach zawierających dużą ilość minerałów nawodnionych (gips, chloryty, serpentyn itp.)

W odpowiednich warunkach termodynamicznych następuje dehydratacja, co jest impulsem do powstania kruchych spękań.

Oddziaływania fizyczne

Do próbki ściskanej w aparacie trójosiowym doprowadzany jest płyn, pod dowolnym ciśnieniem.

Im większe ciśnienie wody (ciśnienie porowe) tym większa kruchość odkształcenia, tym mniejsza wytrzymałość.

Woda przesycając skałę przejmuje na siebie część zewnętrznych naprężeń równą własnemu ciśnieniu p. Następuje zmniejszenie o tę część ciśnienia otaczającego.

σ_e (naprężenie czynne) = σ_t (naprężenie całkowite) - p (ciśnienie porowe) /wzór Terzaghiego/

warunkiem ważności wzoru jest duża porowatość skał i pełne nasycenie płynem.

Dla mechaniki spękań i nasunięć istotne znaczenie ma stosunek ciśnienia porowego do ciśnienia litostatycznego:

  p/σ_lit

gdy  zbliża się do 1 to wzrasta kruchość zachowania się skał, łatwość powstawania spękań ekstensyjnych, szczelin itp.

Płyny porowe o wysokim ciśnieniu:

- zmniejszają wpływ ciśnienia otaczającego na uplastycznienie skał

- osłabiają wpływ temperatury

Ponieważ takie anormalne ciśnienia, większe od ciśnienia hydrostatycznego ( > 0.465) na większych głębokościach są normalne, stąd możliwość większej powszechności kruchych zachowań skał (brekcje, spękania, uskoki typu „kruchego”), niż wynikało by to z głębokości.

WYKŁAD 3

cd. Rola płynów porowych

Stylolity

Szew stylolitowy

Lineacja stylolitowa

Stylolityzacja

Powłoka stylolitowa (reziduum)

Stylolity litostatyczne i tektoniczne

mikrostylolity

wciski

kliważowanie

Oddziaływanie krystalochemiczne

a) Spadek wytrzymałości po nasyceniu wodą - (rozmiękczanie)

Przekształcenie krystalochemiczne minerałów ilastych w obecności wody (niektóre margle, opoki, iłowce, mułowce).

Stąd zwiększa się ilość odkształceń plastycznych - ułatwia powstanie odkształceń ciągłych (fałdowanie kompleksów ilastych).

b) Osłabienie hydrolityczne obserwowane w kwarcu

Ułatwione w warunkach wysokich P i T płynięcie plastyczne kryształów kwarcu po wzbogaceniu w wodę.

c) Wzrost kruchości w skałach zawierających dużą ilość minerałów nawodnionych (gips, chloryty, serpentyn itp.)

W odpowiednich warunkach termodynamicznych następuje dehydratacja, co jest impulsem do powstania kruchych spękań.

Oddziaływania fizyczne

Do próbki ściskanej w aparacie trójosiowym doprowadzany jest płyn, pod dowolnym ciśnieniem.

Im większe ciśnienie wody (ciśnienie porowe) tym większa kruchość odkształcenia, tym mniejsza wytrzymałość.

Woda przesycając skałę przejmuje na siebie część zewnętrznych naprężeń równą własnemu ciśnieniu p. Następuje zmniejszenie o tę część ciśnienia otaczającego.

σ_e (naprężenie czynne) = σ_t (naprężenie całkowite) - p (ciśnienie porowe) /wzór Terzaghiego/

Warunkiem ważności wzoru jest duża porowatość skał i pełne nasycenie płynem.

Dla mechaniki spękań i nasunięć istotne znaczenie ma stosunek ciśnienia porowego do ciśnienia litostatycznego:

  p/σ_lit gdy 0≤≤1

 zbliża się do 1 to wzrasta kruchość zachowania się skał, łatwość powstawania spękań ekstensyjnych, szczelin itp.

Płyny porowe o wysokim ciśnieniu:

- zmniejszają wpływ ciśnienia otaczającego na uplastycznienie skał

- osłabiają wpływ temperatury

Ponieważ takie anormalne ciśnienia, większe od ciśnienia hydrostatycznego ( > 0.465) na większych głębokościach są normalne, stąd możliwość większej powszechności kruchych zachowań skał (brekcje, spękania, uskoki typu „kruchego”), niż wynikało by to z głębokości.

Rola czynnika czasu

Obserwacje starych płyt kamiennych, które ulegają wypaczeniu pod wpływem własnego ciężaru.

Pełzanie (ang. creep) - powolne odkształcanie ciągłe, nie odwracalne natychmiast, pod działaniem obciążenia o stałej wartości, niższej od granicy sprężystości, granicy plastyczności i wytrzymałości ustąpienia.

Reologia - dział fizyki zajmujący się procesami płynięcia materiałów, nie będących cieczami Newtona - uwarunkowane przez czynnik czasu.

Obciążono beleczkę podpartą z dwóch końców i stwierdzono ugięcie z upływem czasu. Stąd wniosek, że przebieg pełzania nie różni się jakościowo od płynięcia gęstych cieczy (np. smoły, gęstej farby).

Stąd otrzymano wykres funkcji /t przy σ = const.

Funkcja:

Pierwszy, stromy prostoliniowy odcinek, to odkształcenie sprężyste. Po zdjęciu obciążenia nastąpi natychmiastowy nawrót sprężysty (cofnięcie się odkształceń próbki).

1. I faza pełzania = płynięcie sprężysto-lepkie - krzywa wygina się łukowato, nawrót sprężysty jest całkowity, ale nie natychmiastowy (opóźnienie sprężyste).

2. II faza pełzania = płynięcie plastyczne - stały liniowy przyrost odkształceń, nawrót sprężysty również zachodzi, ale zostaje wielkość nieodwracalna - odkształcenie trwałe.

3. III faza pełzania = może wystąpić, ale nie musi. Odkształcenie ulega przyspieszeniu, by doprowadzić do zniszczenia próbki.

Im większe obciążenie stosujemy tym przebieg prędszy (podobny wpływ ma temperatura i ciśnienie otaczające).

Lepkość - współczynnik proporcjonalności między wartością obciążenia σ a przyrostem odkształcenia  w jednostce czasu t.

η /czyt. eta/ = σ( x t)

lepkość ciał stałych jest zależna od wartości obciążenia.

Znając lepkość skał można określić w przybliżeniu prędkość plastycznego płynięcia skał dokonującego się pod wpływem czasu (np. przy fałdowaniu).

Mechanizm płynięcia plastycznego:

Wewnątrz-ziarnisty (np. zbliżniaczenia, defekty)

Fizykochemiczny (np. rozpuszczanie pod ciśnieniem)

Międzyziarnisty (np. płynięcie kataklastyczne)

Poślizgowe (laminarne płyniecie)

Płynięcie kataklastyczne - zdolność do odkształcenia międzyziarnowego (intergranularnego) - następuje odspojenie się ziaren skały. Skała zachowuje się jak ośrodek plastyczny, wskutek występowania dużej ilości nieciągłości kruchych.

Warunki i rodzaje zniszczenia

Zniszczenie = utrata spójności

Zniszczenie następuje wzdłuż powierzchni niezależnie, czy powstało pod wpływem naprężeń rozciągających (spękania tensyjne), czy ścinających (spękania ścięciowe).

Określenia - tensyjne i ścięciowe odnoszą się do naprężeniowego uwarunkowania danej powierzchni nieciągłości.

a) Przyczyną naprężeń rozciągających może być również prostopadłe do nich działanie sił ściskających, które wymuszają poszerzenie = ekstensję ośrodka.

b) Ten sam efekt może być następstwem sił rozciągających ośrodek w odpowiednich kierunkach. W obu przypadkach powstają spękania tensyjne.

Aby nie wytwarzać sugestii co do rodzaju sił, a tylko dla podkreślenia faktu poszerzenia ośrodka używane jest pojęcie ekstensja.

Typologia powierzchni zniszczenia:

Rodzaje spękań:

a) Spękanie (złom) kruche - zniszczenie następuje bez poprzedzającego odkształcenia plastycznego - zwykle wzdłuż powierzchni ziarn.

Zwykle z rozciągania

b) Spękanie (złom) rozdzielcze - zniszczenie poprzedzone odkształceniem plastycznym, odkształcenie wewnątrz-ziarnowe = intergranularne. Następuje wzdłuż powierzchni

łupkliwości.

Powstaje ze ścinania lub z rozciągania.

c) Spękanie ścięciowe (Złom poślizgowy) - powierzchnie zniszczenia przecinają granice ziarn i kierunki krystalograficzne. Jest to poprzedzone zazwyczaj przez znaczne odkształcenie plastyczne.

Powstaje zawsze ze ścinania.

System ścięć sprzężonych (ang. conjugate system) - rozwija się co najmniej jeden zespół ścięć. Drugi dopełniający = komplementarny rozwija się im wyższy poziom naprężeń.

Tarcie wewnętrzne - tarcie w obrębie skały. Przeciwstawia się ono powstaniu powierzchni poślizgu. Gdyby go nie było to ścięcia powstały by (ze względów geometrycznych) w miejscu największego ścinania.

Ustala się kompromis dla  = 45⁰ (kąta pomiędzy płaszczyzna ścięcia a osią σ₃).

Kąt ścinania Θ - kąt pomiędzy osią σ₁ a powierzchnią ścięć

Z reguły kąty ścinania są większe dla skał podatnych a mniejsze dla niepodatnych.

Anizotropia

Teoria zniszczenia Coulomba - Mohra

Otto Mohr

T/N=/σ = tg 

Warunkiem poślizgu jest by wartość naprężenia stycznego była   σ tg

Kąt tarcia wewnętrznego jest miarą oporu skały przeciw poślizgowi dwu części względem siebie. (np. gdy powierzchnie potencjalnych osuwisk uzyskają wartość kąta tarcia następuje poślizg).

WYKŁAD 4

System ścięć sprzężonych (ang. conjugate system) - rozwija się co najmniej jeden zespół ścięć. Drugi dopełniający = komplementarny rozwija się im wyższy poziom naprężeń.

NAPRĘŻENIA NORMALNE I STYCZNE

(W DWUOSIOWYM STANIE NAPIĘCIA)

Chcemy określić stan naprężeń w próbce.

Zakładamy σ_>σ_>σ_{ } naprężenie σ_ nie odgrywa większej roli.

Np. przyjmijmy że σ_ działa poziomo a σ_ pionowo, czyli odpowiada to naciskowi tektonicznemu + ciśnieniu nadkładu.

I) Naprężenie normalne σn = σn₁ + σn₃

Wzory przepisać ręcznie

 kąt pomiędzy płaszczyzną obserwowaną a σ.

σn osiąga w dwu przekrojach =0⁰ i  =90⁰ wartości równe odpowiednio σ i σ

  naprężenie styczne jest różnicą (gdyż są one przeciwnego znaku)

naprężeń cząstkowych   ₁ -  ₃.

To naprężenie spada do zera w przekrojach dla =0⁰ i  =90⁰

Maksimum osiąga dla =45⁰

Gdy wartość wynosi max   (σ_ - σ_ 

Warunek jest spełniony w dwóch przekrojach prostopadłych do siebie, czyli w płaszczyznach największego ścinania.

O wartości naprężenia ścinającego decyduje różnica wartośći, zwana naprężeniem dewiatorowym (lub różnicą naprężeń).

Kąty pomiędzy ścięciami:

Gdyby nie decydowały tylko względy geometryczne ścięcia przecinałyby się pod kątem 90⁰.

 = 45⁰ (kąta pomiędzy płaszczyzną ścięcia a osią σ₃)

Jednak powstanie ścięć wymaga poślizgu, któremu przeciwstawia się tarcie wewnętrzne w skale.

TARCIE WEWNĘTRZNE

Tarcie wewnętrzne - tarcie w obrębie skały. Przeciwstawia się ono powstaniu powierzchni poślizgu. Gdyby go nie było to ścięcia powstały by (ze względów geometrycznych) w miejscu największego ścinania.

Tarcie jest tym mniejsze im mniejsze jest naprężenie normalne σn działające prostopadle do płaszczyzny poślizgu (czyli gdy powierzchnie poślizgu zbliżają się do płaszczyzny σσ) .

Ustala się więc kompromis!!!

- ścięcie dokonuje się wzdłuż pary powierzchni w położeniu pomiędzy płaszczyznami największego ścinania a plaszczyzną σσ

W najczęstszych przypadkach kąt pomiędzy scięciem a osią σ jest ostry .

Kąt ścinania Θ - kąt pomiędzy osią σ₁ a powierzchnią ścięć

Z reguły kąty ścinania są większe dla skał podatnych a mniejsze dla niepodatnych.

Kąty te są z reguły stałe dla poszczególnych skał.(dla skał podatnych większe niż dla skał o mniejszej podatności).

Rysunek z komplementarnymi ścięciami.

Anizotropia - w przypadku ścinania ma wpływ anizotropia (np. kliważ). Musi być rozważony kąt  pomiędzy σ₁ a powierzchnia kliważu.

1) Dla  15 - 45⁰ - jeden z komplementarnych zespołów ścięć rozwija się wzdłuż powierzchni osłabionych, drugi się nie rozwija lub słabo.

2) Dla  0 - 15⁰ lub 45-60⁰ raczej nie są wykorzystane powierzchnie anizotropii.

Teoria zniszczenia Coulomba - Mohra

Otto Mohr (1835-1918) - inżynier niemiecki

Diagramy Mohra 1882

T/N=/σ = tg 

Warunkiem poślizgu jest by wartość naprężenia stycznego była   σ tg równanie tarcia

Kąt tarcia wewnętrznego jest miarą oporu skały przeciw poślizgowi dwu części względem siebie. (np. gdy powierzchnie potencjalnych osuwisk uzyskają wartość kąta tarcia następuje poślizg).

W celu określenia możliwości ścięcia w danym materiale należy powiązać równanie tarcia   σ tg z równaniem opisującym wartość  w dwuosiowym stanie napięcia. Taką możliwość daje diagram Mohra.

Rysunek z powiększaniem s1.

Sposoby zniszczenia, czyli kiedy koło zbliży się od prostej?

1. Krytyczny stan napięcia można osiągnąć przez zwiększanie σ₁ przy stałym σ₃.

Jest to przykład powstawania uskoków odwróconych wskutek wzrastania poziomego nacisku tektonicznego, przy stałym ciśnieniu nadkładu.

2. Można przez zmniejszanie σ₃, przy stałym σ₁.

Np. uskoki normalne coś nie tak u Jaroszewskiego?

3. Przez równoczesne zmiany s1 i s3., gdy obszar mocno aktywny tektonicznie.

4. podniesienie ciśnienia porowego:

σ_e (naprężenie czynne) = σ_t (naprężenie całkowite) - p (ciśnienie porowe) /wzór Terzaghiego (DIAGRAM - zrobić!!!)

jeżeli podniesie się p to koło Mohra przesunie się w lewo.

Czyli że zniszczenie ścięciowe może nastąpić bez wyraźnych, bezpośrednich przyczyn. (ma to miejsce np. w świeżo napelnionych zbiornikach wodnych, w obszarach sejsmicznych).

A) Przesuwając koła Mohra do poczatku ukladu dojdziemy do punktu - gdzie znikoma róznica s1 - s3 wystarczy do powstania zniszczeń.

Jest to prawdziwe dla skał luźnych!!! (suchy piasek).

B) By spowodować zniszczenie w skałach nie zniszczonych, zwięzłych

musi występować minimalna wartość różnicy naprężeń (minimalna średnica koła Mohra), czyli także minimalna wartość naprężenia stycznego (ścinającego).

Kohezja - spójność - minimalna wartość naprężenia stycznego konieczna do ścięcia (c).

Warunek zniszczenia wygląda następująco:

  c + σ tg równanie Coulomba (1776)

poprawka dotyczy jeszcze jednego przypadku - wtedy, gdy występuje ciśnienie porowe.

Dwa przypadki

• gdy nasycenie wodą jest pełne i brak jest możliwości wytłaczania wody na zewnątrz

• gdy wytłaczanie jest możliwe, porowatość jest mniejsza

Wykład -5

Struktury nieciągłe:

Nasunięcia, Uskoki, Spękania (m.in. kliważ cios)

Uskoki (dyslokacje), strefy uskokowe, dyslokacyjne (strefa uskoku) - rozerwanie i najczęściej przemieszczenie

Elementy uskoku

• powierzchnia uskokowa

• strefa uskokowa

• szczelina uskokowa

• skrzydła uskoku (wiszące, zrucone)

• kąt upadu powierzchni uskokowej

(α>60⁰ strome, α<60⁰ połogie)

Uskoki podatne i kruche

Zrzutowe

normalne (powierzchnia uskokowa nachylona w kierunku skrzydła zrzuconego)

odwrócone (powierzchnia uskokowa nachylona w kierunku skrzydła wiszącego)

Przesuwcze (prawo i lewoskrętne transpresyjne, transtensyjne)

Progowe

Pola naprężeń (dla uskoków normalnych, odwróconych i przesuwczych)

Uskoki pierwotne i wtórne

Inne podziały

uskoki listryczne,

uskoki antytetyczne i homotetyczne

uskoki podłużne, poprzeczne, skośne (diagonalne)

uskoki rotacyjne (tor ruchy łukowy - zawiasowe, nożycowe) i translacyjne (tor ruchu prostoliniowy lub prostoliniowo-łamany)

uskokowanie

Kryteria rozpoznawania uskoków

1. Kryteria strukturalno-kartograficzne

• anormalne kontakty geologiczne

• zmiany położeń warstw

• kontakty intruzywne

• przerwanie ciągłości struktur tektonicznych lub ciał magmowych

2. Kryteria mezostrukturalne

• struktury ślizgowe, lustro tektoniczne

• tektoglify - rysy tektoniczne, zadziory tektoniczne (z wyorania, z wcięcia)

• spękania riedlowskie, spękania dachówkowate (pinnate joints)

• formy przejściowe (slikolity)

• spękania przyuskokowe, pierzaste (opierzające), spękania kulisowe, szeregi ścięciowe

• ciągnienie przyuskokowe, podgięcia przyuskokowe

3. Kryteria petrograficzno-mineralogiczne

• skały uskokowe (brekcje, mączka uskokowa, mikrobrekcje, kataklazyty - mylonity)

• mineralizacja

4. Kryteria fizjograficzne

• skarpy, progi

• sieć rzeczna (kratowa)

• lineamenty

5. Kryteria teledetekcyjne

• fototony

• zdjęcia radarowe, satelitarne

• zdjęcia w podczerwieni

6. Kryteria geofizyczne

• sejsmika refleksyjna

• magnetotelluryka, grawimetria

7. Kryteria geochemiczne

• hel, izotopy promieniotwórcze (radon, toron)

WYKŁAD 6

1. Mechanizm ruchu uskokowego

USKOKI PIERWOTNE I WTÓRNE

Uskoki pierwotne

Uskoki typu kruchego i podatnego

Uskoki typu kruchego:

1. zniszczenie powstaje w sposób gwałtowny (powst. u końca odkształcenia sprężystego, gdy przekroczone jest wytrzymałość skały na ścinanie); duży kąt tarcia wewnętrznego

2. zwykle jeden zespół

3. duża ilość produktów kataklazy - brekcji, mączki uskokowej, kataklazytów

4. najczęściej szerokie szczeliny uskokowe

5. najczęściej powstają strome uskoki normalne

Uskoki typu podatnego:

1. powstają u końca odkształcenia trwałego

2. zniszczenie odbywa się w sposób ewolucyjny, przez koncentrację poślizgów pierwotnie rozproszonych

3. przy ścinaniu czystym wykształcają się obydwa zespoły komplementarne; przy prostym ścinaniu R i R'

4. obfitość mylonitów, produktów rekrystalizacji

5. uskoki te często występują w postaci wiązek (anostozomujących powierzchni poślizgów)

Uskoki kruche czy podatne?

Najczęściej mieszane typy

We wcześniejszych fazach cyklu diastroficznego raczej podatne, potem kruche (inwersja).

Uskoki wtórne i odmłodzone

Uskoki zrzutowo-przesuwcze najczęściej jako wtórne!.

Uskoki synsedymentacyjne

- czynne podczas wypełniania przez osady.

• sedymentacja szybsza w skrzydle zrzuconym (większa miąższość) lub nawet brak warstw w skrzydle wiszącym

• zaburzenia syndepozycyjne zwłaszcza w skrzydle zrzuconym (brekcje, osuwiska)

• kontrasty facjalne między skrzydłami

• zwykle niewielkie nachylenie 20-50⁰ ku środkowi basenu (etap ekstensji)

• najczęściej listryczne uskoki normalne

Pola naprężeń

Symetria rombowa, jednoskośna, trójskośna

Uskoki normalne

• zwykle nachylenie 60-70⁰

1. (co oznacza, że σ₁ pionowa - np. obciążenie grawitacyjne przez zwiększanie miąższości osadów, szybkie nasuwanie płaszczowin, lądolodów).a) Powstanie przez zwiększanie σ₁

2. na kratonach spadek naprężeń w płaszczyźnie poziomej (występowanie poziomych naprężeń rozciągających - strefy ryftowe)

c) ekstensja na przedpolu stref skrócenia tektonicznego (Alpy - rowy na przedpolu)

d) spadek naprężeń poziomych poprzez odprężanie towarzyszące wypiętrzaniu (etapy inwersji, wypiętrzania)

Niedobór masy w uskokach szuflowych - listrycznych

• uskoki przeciwstawne (rów Krzeszowic)

• antykliny kompensacyjne - rollover anticline (plastyczne ugięcie warstw w skrzydle zrzuconym - ropa!)

Uskoki odwrócone

• najczęściej upady 20-30⁰

Powstają w warunkach:

• ściskania (ciężar nadkładu - σ₃ pionowa - stąd dość płytko, bo szybko poziom krytyczny)

• bardziej podatny charakter uskoków niż normalnych (więcej podgięć przyuskokowych)

• dysproporcja rozwoju 2 spękań komplementarnych (powstaje zwykle 1; uskoki kontrakcyjne), w cyklu diastroficznym, gdy basen ulega skróceniu

WYKŁAD 7

Uskoki przesuwcze - strikeslip faults, wrench faults, transcurrent faults, tear faults

• σ₁ pozioma, σ₂ pionowa, stąd powstają raczej na większej głębokości niż odwrócone - częsta nadległość równoczasowych nasunięć nad uskokami przesuwczymi.

• najkorzystniejsze warunki powstawania pierwotnych u. przesuwczych - skracanie tektoniczne, pod znacznym nadkładem, ale przy współudziale dźwigania pionowego, czyli na pograniczu fałdowania i inwersji. Mogą być podatne i kruche - wpływ znacznej kompresji normalnej i ciśnienia nadkładu z jednej, zaś odprężania wypiętrzeniowego z drugiej

• największa prędkość powstawania do kilkunastu mm/rok, najczęściej upady 90⁰

• zapadliska międzyprzesuwcze - pull-apart basins (dwa równoległe uskoki przesuwcze), szereg basenów na równinie panońskiej, Morze Martwe itd.

• Transpresja i transtensja - struktury kwiatowe nierównoległość przebiegu powierzchni uskokowej lub dodatkowa siła ściskająca lub rozciągająca. Formy pozytywne i negatywne; formy tulipanowe = czysty ruch przesuwczy, palmowe - transpresja

• Struktury powstałe wzdłuż strefy uskokowej lub nadprzesuwcze

• Układy kulisowe

Fleksura

SIECI USKOKOWE

• zrąb (horst)

• rów tektoniczny (graben) - najczęściej uskoki normalne

• układ kulisowy

• wachlarzowato-łukowy

• radialne

3

20

---