научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОКРИСТАЛЛОВ В ЗОНЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОДВИЖКИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОКРИСТАЛЛОВ В ЗОНЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОДВИЖКИ»

УДК 552.31;543.424

ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОКРИСТАЛЛОВ В ЗОНЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОДВИЖКИ

© 2012 г. Г. А. Соболев1, С. М. Киреенкова1, Ю. А.Морозов1, А. И.Смульская1, В. И. Веттегрень2, В. Б. Кулик2, Р. И. Мамалимов2

1 Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН, г. Москва.

2 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. С-Петербург.

Поступила в редакцию 13.03.2012 г.

Проведены исследования состава минералов и поиск нанокристаллов в поверхностных слоях зеркала скольжения, образовавшегося в аркозовом песчанике при динамической подвижке. С использованием методов инфракрасной и рамановской спектроскопии обнаружено, что слой зеркала скольжения состоит из монтмориллонита и анатаза в виде нанокристаллов с линейными размерами «15 и «3 нм соответственно. Кристаллическая ячейка нанокристаллов монтмориллонита растянута на «2.5%, а анатаза — 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 размеры «8 нм. Их кристаллическая ячейка сжата на «0.03%. Предполагается, что монтмориллонит в "зеркале скольжения" образовался в результате гидролиза силикатных минералов при трении плоскостей разрыва горной породы относительно друг друга.

ВВЕДЕНИЕ

Исследования нанокристаллов в горных породах активно проводятся с начала ХХ1-го столетия [Богатиков, 2003; Киреенкова, Соболев, 2005; Чантурия и др., 2006; Соболев и др., 2007; 2009; 2011; Морозов и др., 2008; Кулик и др., 2010; 2011; Веттегрень и др., 2010; 2011]. В настоящей работе изложены результаты исследования нанокристаллов и изменения химического состава пород в поверхностном слое зеркала скольжения, возникшего при динамической подвижке в массиве горной породы.

Под зеркалами скольжения понимаются гладкие, пришлифованные или отполированные поверхности, возникшие при трении скользящих по разрыву пород. По наличию на этих поверхностях борозд в сочетании со ступенчатым профилем поверхности определяется кинематика движения блоков [А11аЬу, 1990]. Наличие зеркал скольжения в зонах палеосейсмических событий позволяет связывать их генезис с режимами сейсмического процесса [Роуег, ТиШз,1989]. Зеркала скольжения, как правило, образуются при скоростях скольжения, превышающих 1 м/с, когда коэффициент трения скользящих 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 нано-

размеров [Han et al., 2011; Di Toro et al., 2011], насыщенный флюидом минеральный агрегат [Wang, Manga, 2010], или расплав минералов в зоне трения [Fialko, Khazan, 2005; Nielsen et al., 2008]. Однако, до сих прямых исследований строения такого слоя не проводилось.

Настоящая работа поставлена с целью исследования строения зеркала скольжения. По нашему мнению, она затрагивает одну из существенных сторон исследования процесса динамического разрушения горных пород. Проблема зарождения и развития неустойчивой подвижки с трением (stick-slip) обсуждалась в научной литературе с целью прояснения физики землетрясений. Большое внимание уделялось изменениям величины коэффициента трения на контактах горной породы при лабораторном моделировании сейсмической подвижки [Dieterich, 1978]. Полученные нами результаты касаются практически не изученного механизма уменьшения коэффициента трения, следствием чего является возникновение механической неустойчивости.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Образец в виде параллелепипедов с линейными размерами 5 х 3 х 2 см выпилены из песчаника рифейского терригенно-осадочного комплекса полуострова Средний на северном побережье Кольского полуострова. Выбор этого участка массива горных пород был обусловлен следующими

Зеркало скольжения

Si Ка1

Рис. 1. Электронно-микроскопический снимок поверхности образца ПВ 364 в лучах кремния.

причинами. Здесь среди горизонтально залегающих, практически недеформированных пород встречаются разности, претерпевшие местами заметные текстурно-структурные преобразования и изменения состава. Узко локализованный характер таких преобразований, изменение типично песчаной массивной обломочной структуры породы на сланцевато-плитчатую, обогащение субстрата породы глинистыми филлосиликата-ми — все это указывает на их возможную связь с разрывными нарушениями. Детальное обследование обнажений показало, что породы испытали сдвиговые перемещения вдоль субгоризонтальной слоистости, что привело к формированию множественных зеркал скольжения дискретно рассредоточенных с интервалами 5— 7 см в зоне с видимой в эрозионном врезе мощностью в первые метры.

Зеркала скольжения ориентированы субпараллельно исходным напластованиям чередую -щихся друг с другом аркозовых и олигомиктовых песчаников и алевролитов. Динамическая природа этих зеркал скольжения не вызывает сомнения, так как недавними буровыми работами вскрыто тектоническое неоднократное чередование толщ рифея с метавулканитами раннего протерозоя и гранито-гнейсами архейского возраста [Медведев и др., 2009]. Об этом же свидетельствует наличие на тектонических контактах глинок трения и катаклазитов, уровень преобразования которых указывает на перемещение консолидированных пород в приповерхностных условиях.

Песчаник состоит на 75% из обломочного материала и на 25% из цемента. Около 80% обломков составляют зерна кварца и полевых шпатов, 15% — слюд, 5% — циркона, рудных минералов и анатаза. Цемент базально-поровый, глинистый. Размер обломков составляет 5—300 мкм. Образец принадлежит зоне низкотемпературных, предме-таморфических преобразований, с которыми связана перекристаллизация обломков, цемента и новообразование в межзерновом пространстве анатаза.

На рис. 1 показана электронная фотография образца ПВ 364 в характеристическом излучении кремния. Самыми яркими являются зерна кварца — 8Ю2, а черными — анатаза — 1Ю2. В образце встречаются редкие прослойки мощностью 300— 400 мкм, обогащенные слюдами, цирконом и анатазом. Скопления субпараллельно ориентированных слюд образуют плоскостную текстуру и способствуют возникновению плитчатой отдельности, к некоторым поверхностям которой приурочены зеркала скольжения толщиной в доли мм.

Исследованное в настоящей работе зеркало скольжения представляет собой стекловидную поверхность с бороздами скольжения, в шлифе буро-пятнистую, субизотропную и неравномерно насыщенную включениями отдельных минералов размером до нескольких микрон, среди которых различаются слюды, рудные минералы и ана-таз (рис. 1). На электронных фотографиях зеркало скольжения представляет собой пленку толщиной не менее 200 мкм, состоящую из тек-стурированных дисперсных чешуек глинистых

минералов и обломков анатаза. В зеркале скольжения отсутствуют полевые шпаты и кварц, в отличие от песчаника, где эти минералы встречаются повсеместно, в том числе и в слюдистых прослоях, возможно, служивших матрицами для зеркала скольжения.

Химический состав компонентов породы был изучен на микрозондах SX100, Тескан Вега II и Camscan в ГЕОХИ РАН, в Геофизической обсерватории Борок и на геологическом факультете МГУ соответственно. Если анализы обломков плагиоклазов не вызывали затруднений при пересчете их на кристаллохимические формулы, то анализы глинистых минералов не дали удовлетворительных результатов, так как разрешение микрозондов недостаточно для их идентификации.

Чтобы выяснить минеральный состав зеркала скольжения использовали методы инфракрасной (ИК) и рамановской спектроскопии [Ельяшевич, 2001]. Спектры получены от поверхности "зеркала скольжения" и от распила образца перпендикулярно поверхности зеркала скольжения на расстоянии от нее «3 мм, т.е. объема образца. ИК-спектры отражения в неполяризованном свете записывались на Фурье-спектрометре IR-21 "Prestige". Угол падения луча на образец составлял 10°. Используя метод Крамерса—Кро-нига, рассчитали спектр мнимой части s"(v) диэлектрической постоянной, где v — частота.

Амплитуда колебаний электрического вектора света, падающего на поверхность образца, затухает экспоненциально от поверхности вглубь. Эффективная глубина h, на которой она уменьшается в e « 2.7 раз (e — основание натуральных логарифмов), а интенсивность света — в e2 « 8 раз, вычислялась по формуле [Born, 1964]:

h « 1/4nvk,

где к — показатель поглощения. Значение h представляет собой толщину исследуемого поверхностного слоя. Из рис. 2 следует, что она изменяется от «1 до «11 мкм.

На рис. 3 показан спектр затухания мнимой части s"(v) ИК излучения в зеркале скольжения в областях частот 400—1300 и 1500—1800 см-1. Там же, для сравнения, показан спектр s"(v) поверхностного слоя монтмориллонита. Видно, что спектры аналогичны, т.е. поверхностный слой зеркала скольжения состоит из монтмориллонита.

ИК-спектры монтмориллонитов детально исследованы в работах [Yan et al., 1996; Gates, 2005]. Согласно этим работам, полосы 429 и 472 см—1 соответствует деформационным, а 1028.5 см—1 — валентным колебаниям Si—O—Si. Другие полосы отвечают локальным колебаниям группировок, содержащих атомы Al (528 см—1 — Si—O—Al) и H (750 и 820 см—1 — FeMg—OH, 916 см—1 — Al—OH). Широкая полоса в области 1500—1800 см—1 — со-

h, мкм 12

10 8 6 4 2

0 400

600

800

1000

1200

v, см—1

Рис. 2. Зависимость толщины поверхностного слоя, на которую проникает ИК-излучение в образец зеркала скольжения, от его частоты .

8 1.0

0.8 0.6 0.4 0.2 0

1 Ii 1 528 1 * L Ь (а)

Ii 429/1 / 1 \ ' * А \ Vi 1 , 1028.5 1041.5 К

1 ' i ч; if It V2

-Г / \ \ \ \ 1 It U \ \

- \ \ \\ \ \ \л 1 750 __820 s ■ *ч J 1 916 f 1 \ \ \\ \ \ \\

400

600

8

0.04

0.03

0.02

0.01

0

800 1000 1200

v, см

(б)

—1

/V

I \ / \

1500 1600 1700 1800

1900

v, см—1

Рис. 3. Спектры затухания е"(у) ИК излучения в зеркале скольжения (1) и монтмориллоните (2) в областях частот 400-1300 (а) и 1500-1800 см-1 (б). Стрелками показаны значения частоты максимума полосы валентных колебаний SiOSi в спектрах монтмориллонита и зеркала скольжения.

472

1

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.

Показать целиком