Экспериментальная тектоника

Тектонические деформации и разрывы формируются на протяжении многих тысяч или миллионов лет, захватывая огромные массы горных пород. Поэтому эксперименты производятся главным образом с моделями.

Механические свойства горных пород должны быть исследованы в лабораториях таким образом, чтобы возможно более полно были выяснены закономерности развития деформаций и разрывов во времени и в больших массах пород. Особенно важны кривые ползучести и длительной прочности. Экспериментальные данные о свойствах горных пород можно выразить в форме реологических уравнений. Тогда, основываясь на общей теории подобия физических явлений, из этих уравнений теоретически выводятся условия подобия, т. е. обязательные соотношения между масштабами для различных физических величин, которые необходимо соблюдать при экспериментах с моделями.

Из условий подобия следует, в какой мере уменьшение геометрических размеров должно сопровождаться уменьшением модулей упругости, прочности, вязкости и других характеристик механических свойств. Сокращение длительности процесса должно компенсироваться главным образом уменьшением вязкости.                                             Для исследования напряжений в моделях, испытывающих как упругие, так и пластические деформации, разработан оптический метод. Существует ряд материалов, физические свойства которых близки к теоретически требующимся при разных масштабах размеров и времени. Разработаны специальные приборы для изучения свойств таких материалов.

Следовательно, моделирование тектонических процессов теоретически обосновано и практически осуществимо.

Моделирование тектонических явлений производилось больше всего в странах, где геология развивалась наиболее интенсивно: в первой половине XIX в.— в Англии, во второй половине — во Франции и Германии. До второй мировой войны работы по экспериментальной тектонике выполнялись в США и Германии, в настоящее время моделирование тектонических явлений развивается преимущественно в СССР, США и Китайской Народной Республике.

В результате экспериментов для моделей установлен ряд закономерностей, связывающих деформации и разрывы материала с его механическими свойствами и условиями  (обстановкой)  деформирования.

Для участков слоистых моделей, подверженных неравномерному (в пространстве) сжатию перпендикулярно к слоистости, была установлена зависимость расстояния между трещинами внутри отдельных вязких пластов от прочности этих пластов, от соотношения между мощностями тех же пластов и мощностями менее вязких, а также от величины сжимающих сил И их изменений в пространстве. Отсюда вытекает необходимость исследования влияния тех же факторов на распределение трещин в природе.

Это позволит в намеченных для разведки участках месторождений предвидеть количество рудных жил или возможную насыщенность пород нефтью. Те же закономерности в распределении трещин в других районах можно будет использовать для  приближенной характеристики  напряжений,  действовавших отличать участки коры, деформированные вертикальными силами, от участков, деформированных горизонтальными силами.

Затем модели позволяют (при известной системе сил) находить количественные соотношения между движениями поверхности и величиной напряжений на глубине. Результаты таких экспериментов указывают, как, анализируя тектонические движения поверхности Земли, можно приближенно вычислять величину всестороннего давления и интенсивность касательных напряжений на глубине. В данном случае эксперимент позволяет делать большие выводы по сравнению с получаемыми в результате интерпретации одних лишь полевых геологических и геофизических данных.

Умение приближенно оценивать напряжения в недрах важно для понимания физических условий образования нефти, метаморфизма угля, формирования гидротермальных руд, а также для выяснения глубинных процессов, развивающихся под земной корой. В частности, оно способствует установлению причин   возникновения   различных    магм    и    прогнозу    землетрясений.

Исследование механизма формирования отдельного разрыва на моделях показало, что он формируется длительно путем объединения многих ранее возникших более мелких нарушений. Тот же процесс с меньшей подробностью восстановлен и по геологическим полевым данным. Только на моделях удается проследить влияние разрыва на напряженное состояние материала вокруг него. Данные о моделях позволяют объяснить и предвидеть степень раздробленности пластов трещинами и различные виды ветвления рудных жил. Благодаря испытаниям моделей удалось сопоставить энергию и повторяемость землетрясений с геологическими величинами — длиной тектонических разрывов и градиентом скорости тектонических движений.

Таким образом, эксперимент с моделями позволяет с малой затратой средств и за короткое время получать более полные выводы по сравнению с результатами полевых наблюдений. Поэтому эксперименты помогают направлять последующие полевые исследования, которые дают возможность проверить применимость выводов о моделях к природным объектам. Точность экспериментов и надежность получаемых результатов намного ниже возможного уровня только из-за того, что механические свойства горных пород в виде образцов и в больших массах в природных условиях изучены еще очень слабо.