ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2015, № 3, с. 3-14
УДК 552.31;543.424
ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОКРИСТАЛЛОВ И МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ ЗЕРКАЛА СКОЛЬЖЕНИЯ
© 2015 г. Г. А. Соболев, В. И. Веттегрень1, В. В. Ружич2, Л. А. Иванова2, Р. И. Мамалимов1, И. П. Щербаков1
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН 123995Москва, ул. Большая Грузинская, 10, e-mail: sobolev@ifz.ru Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН 194021 Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 26, e-mail: Victor. Vettegren@mail.ioffe.ru 2Институт земной коры РАН 664033 Иркутск, ул. Лермонтова, 128 Поступила в редакцию 16.09.2014 г.
Проведены исследования зеркала скольжения, образовавшегося при динамической подвижке в массиве горной породы, и среза, перпендикулярного ему, методами рентгеновского рассеяния, инфракрасной и флуоресцентной спектроскопии. Установлено, что зеркало состоит из нанокристал-лов кварца и альбита, окруженных водой и содержащих большое число дефектов — "разорванных" химических связей и примесных атомов. Образование такой структуры, по-видимому, привело к уменьшению коэффициента трения и создания условий для развития неустойчивой подвижки в горном массиве.
DOI: 10.7868/S0203030615030050
ВВЕДЕНИЕ
Под зеркалами скольжения понимаются гладкие поверхности, возникшие при трении скользящих по разрыву пород. Наличие зеркал скольжения в зонах палеосейсмических событий позволяет связывать их генезис с режимами сейсмического процесса. Зеркала скольжения, как правило, образуются при скоростях скольжения, превышающих 1 м/с, когда коэффициент трения на контакте пород уменьшается, по крайней мере, на порядок. Это явление объясняется образованием между блоками горных пород промежуточного слоя с низким сопротивлением сдвигу. Предполагается, что этот слой представляет собой продукт измельчения породы до наноразмеров [Di Toro, 2011; Han, 2011], насыщенный флюидом минеральный агрегат [Wang, 2010], или расплав минералов в зоне трения [Fialko, 2005; Nielsen, 2008].
Возрастающий в последнее время интерес к изучению зеркал скольжения в зонах разломов обусловлен открывающимися техническими возможностями получать новую информацию о глубинных физико-химических процессах в зонах разломов, например, в тех сегментах, где происходит зарождение и дальнейшее развития очагов землетрясений. Для этих сегментов характерно наличие зеркал скольжения, которые обнаруживаются в сейсмодислокациях после сильных землетрясений [Ружич, 1977, 1989]. При землетрясе-
ниях зеркала скольжения возникают в условиях повышенных температур и давлений. При трении контактирующих берегов разрывных нарушений могут происходить процессы фрикционного разогрева, что приводит к плавлению минералов с образованием пленки в виде пятен спекания или стекла (псевдотахилитов) [Ружич, 1992]. По нашему мнению, исследование строения зеркал скольжения позволяет получить сведения об одной из наиболее существенных сторон процесса динамического разрушения горных пород — возникновению неустойчивости подвижки с залипанием (stick-slip).
По-видимому, первое прямое исследование строения на нано уровне зеркала скольжения, образовавшегося в аркозовом песчанике при температуре не выше 100°C, было проведено в работе [Соболев, 2012]. С использованием методов инфракрасной (ИК) и рамановской спектроскопии было обнаружено, что слой зеркала скольжения состоит из монтмориллонита и анатаза в виде нанокристал-лов с линейными размерами «15 и «3 нм соответственно. Кристаллическая ячейка нанокристал-лов монтмориллонита растянута на «2.5%, а ана-таза сжата на «0.12%. На глубине, превышающей 3 мм от поверхности зеркала скольжения, песчаник содержит нанокристаллы монтмориллонита, бейделита и нонтронита, кварца, плагиоклаза и анатаза. Нанокристаллы анатаза имеют линейные
Рис. 1. Сегмент зоны разлома с зеркалами скольжения, вскрытый при проходке горными выработками алмазоносной трубки взрыва в сверхглубоком карьере "Удачный".
На врезках внизу показаны: а — поверхность скольжения изученного образца зеркала, б — срез перпендикулярный к плоскости скольжения, где стрелками обозначены две другие ранее возникшие плоскости скольжения темного цвета.
размеры -8 нм. Их кристаллическая ячейка сжата на -0.03%.
УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ЗЕРКАЛА СКОЛЬЖЕНИЯ
В настоящей работе изложены результаты исследования образца зеркала скольжения, отличающегося по минеральному составу и условиям образования от изученного в работе [Соболев, 2012]. Это зеркало возникло при субгоризонтальной динамической подвижке сдвигового типа в зоне Вилюйского глубинного разлома. Образец (рис. 1) отобран из плоскости фрагмента разлома, вскрытого в карьере алмазоносной трубки взрыва "Удачная" (Республика Саха), на глубине 475 м от современной поверхности земли в доломитизи-рованной осадочной толще, сформировавшейся во временном интервале 445—485 млн лет [Дроздов, 2011].
Эта толща позднее была прорвана в пределах зоны разлома трубообразным магматическим каналом в виде трубки взрыва, возникшей при прорыве газообразных флюидов примерно 365 млн
лет назад [Дроздов, 2009]. Судя по минеральному покрытию поверхности отобранного для изучения зеркала скольжения, предполагается, что оно образовалось при температуре 350—450°С и давлении 200—400 МПа на глубине 5—8 км. Геологическое изучение структурной обстановки в месте отбора образца показало, что оно находится на удалении около 250—300 м к востоку от границы ким-берлитового тела, то есть от зоны контакта трубки взрыва. Следовательно, возникновение этого зеркала скольжения имеет тектоническое происхождение и не связано с механизмом возникновения эксплозивной трубки. Вероятно, прорыв магмы произошел по существовавшей зоне древнего Вилюйского глубинного разлома, в которой на разных этапах происходили многократные тектонические движения с образованием зеркал скольжения. На изучаемом образце кроме поверхностного слоя ниже выделяются еще две плоскости скольжения, возникшие в более ранние временные интервалы (см. рис. 1).
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
На рис. 2 представлена фотография образца. Общая толщина зоны скольжения составляла ~200 мкм.
Поверхность зеркала скольжения представлена черной блестящей неравномерно стекловатой пленкой с бороздками скольжения. В подложке под пленкой зеркала скольжения располагаются умеренно деформированные кристаллы альбита, кварца, доломита и кальцита. На основании петрографического изучения сделанных шлифов получена следующая информация. Текстура образца брекчиевая, микросланцеватая, неясноориенти-рованная. Структура — катакластическая, порфи-рокластическая. Минеральный состав породы: доломит--28%, кальцит--60%, кварц (две генерации) — <10%, окислы железа и рудный минерал --2%, полевые шпаты — <1%.
Исходная порода диагностируется с трудом и условно отнесена к доломиту тонкозернистого строения. Основным механизмом преобразования породы является метаморфизм в зоне разлома, вызвавший измельчение и разламывание, как первичного вещества, так и гидротермально-ме-тасоматических новообразований — кальцита и кварца. Кальцит в полосчатых обособлениях нередко смят в тонкие складки. Кварц интенсивно деформирован, обладает облачным погасанием, частично дезинтегрирован. Видна тонкая сеть трещин, чаще всего с закономерной ориентировкой, которые иногда залечены тонкодисперсным углеродистым веществом темного цвета с примесью тонкозернистого магнетита, бурыми окислами, гидроокислами железа. Идиоморфные кристаллы магнетита, размером <0.05 мм, образуют включения в овоидах кальцита.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Чтобы выяснить на уровне наночастиц минеральный состав плоскости скольжения и объема образца, использованы методы рентгеновской дифракции (РД), инфракрасной (ИК) и флуоресцентной (ФЛ) спектроскопии.
Рентгеноструктурное исследование проводилось в аналитическом центре ИЗ К СО РАН З.Ф. Ущаповской и М.Н. Рубцовой методом порошковой дифракции [Герасимов, 1975] на дифракто-метре ДРОН-3.0. Использовали рентгеновскую трубку с медным анодом и никелевым фильтром. Напряжение — 25 кВ, ток — 20 мА. Скорость измерения — 1°/мин, в угловом диапазоне: 3°—65° 29.
ИК-спектры внешнего отражения (ВО) и нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) в неполяризованном свете записывались на Фурье-спектрометре IR-21 "Prestige". Угол падения
15 мм
Рис. 2. Вид образца.
луча на образец составлял 10°. Из-за сильного рассеяния, вызванного неровностями поверхности породы, удалось получить ИК-спектры ВО только двух достаточно гладких областей зеркала скольжения. Для записи спектров НПВО использовали приставку ATR-8000A с призмой KRS-5. Спектры ФЛ регистрировали под углом 10° к направлению луча импульсного лазера ЛГИ-21, энергия излучения которого — 3.67 эВ. Возникающее излучение кварцевым световодом направляли на щель зеркального монохроматора СПМ-2 и регистрировали с помощью фотоумножителя ФЭУ-136, сигнал от которого после усиления направлялся в аналогово-цифровой преобразователь ASK-3106 и записывался в компьютере. Полученный спектр корректировали для учета спектральной чувствительности ФЭУ.
Амплитуда колебаний электрического вектора излучений, используемых в вышеупомянутых методах исследования, затухает экспоненциально от поверхности вглубь образца [Born, 1964]. Глубина h, на которой она уменьшается в e ~ 2.7 раз (e — основание натуральных логарифмов), а интенсивность излучений — в e2 « 8 раз, соответствует эффективной толщине поверхностного слоя, о котором получается информация.
2983
13
о о я <ч
и
о Я
В я К
1492 -
10 20 30 40 50 60
29, град
Рис. 3. Дифрактограмма поверхности зеркала скольжения.
Для случаев использования методов РД, ВО и ФЛ эффективная толщина h вычислялась по формуле [Born, 1964]:
h ~ 1/4nvk,
(1)
где к — показатель поглощения, а V — частота излучения.
В случае НПВО величина к вычислялась по формуле [Натск,1967]:
h
X
'ATR
2nn1 |sin2 0 - (n/щ)2 J
1/2'
(2)
1913], связан с межплоскостным расстоянием d уравнением:
d =
nk 2sin0
где X — длина волны, п1 = 2.4 — показатель преломления элемента НПВО, п — показатель преломления зеркала или среза, 9 = 60° — угол падения света на границу раздела призма-образец.
Использование
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.