Складчатость и орогенез в целом почти все англоязычные геологи и часть европейских и русских объясняли компрессионным сокращением коры, предполагая, что смятые в складки слои прежде занимали более обширные площади на поверхности Земли. Детальные исследования геометрии складок показывают, что это не обязательно так. Данная ложная аксиома соединилась с мифом о субдукции, и возникло представление о «коллизионной» тектонике — тектонике столкновения континентальных масс.
В левой части рис. 47 показаны подобные складки слоев, изображенных внизу. Складчатая форма каждого слоя чрезвычайно похожа на форму слоя, расположенного под ним, и на форму всех других слоев. Слои кажутся растянутыми, и мощность их сильно меняется. Но мощность каждого слоя остается постоянной, если ее измерить вдоль линий течения. Площадь каждого слоя в этом сечении и площадь всей пачки слоев тоже постоянны, так как между каждой парой линий течения мы имеем параллелограмм той же площади, что и соответствующий прямоугольник в первоначальных (недеформированных) слоях. Внизу справа на этом рисунке слои кажутся недеформированными, но пересекающие их белые и черные линии показывают внутреннее строение первоначального блока, изображенного слева, после деформации. В этом случае слои, которые выглядят совсем недеформированными, в действительности были столь же сильно деформированы, как и слои в левой верхней части рисунка, которые кажутся сильно деформированными. Из этой диаграммы ясно, что в складчатости явно проявляется не вся деформация, а лишь ее компонента, поперечная по отношению к слоистости; напротив, деформация, параллельная слоистости, не заметна. Эта скрытая часть деформации может быть даже главной компонентой, так как деформация легче всего происходит вдоль наиболее пластичных слоев, а поперечная к слоистости деформация должна нарушать наименее пластичные слои.
Рис. 47. В подобной складчатости деформационные линии течения располагаются поперек слоистости и мощность слоев, измеренная в направлении течения, постоянна. На нижней правой диаграмме, где изображена точно такая же степень деформации, что и на верхней левой диаграмме, показано, что если течение параллельно слоистости, то слои кажутся недеформированными.
Геологи различают два резко отличных друг от друга типа складчатости — подобную и концентрическую. При концентрической складчатости (рис. 48) перпендикулярная слоистости мощность каждого слоя остается постоянной, линия, проведенная под прямым углом к любому слою, располагается также под прямым углом к выше- и нижележащим слоям, а это означает, что поверхности напластования являются взаимно концентрическими.
При образовании подобных складок мощность каждого слоя остается постоянной только в направлении линий течения. Это означает, что все слои имеют одинаковую форму, и если их сдвинуть вдоль линий течения, они должны совпасть. Из-за того, что линии течения параллельны и мощность в этом направлении постоянна, площадь каждого слоя между любой парой линий течения остается постоянной независимо от величины деформации, и то же самое справедливо для общей площади каждого слоя.
Рис. 48. Концентрическая складчатость. Мощность каждого слоя остается постоянной в направлении, перпендикулярном слоистости. Следовательно, там, где слои искривлены, они имеют «концентрическую» форму.
Эти модели концентрической и подобной складчатости представляют собой крайние случаи, а реальная складчатость обычно находится между ними. При формировании подобных складок характер деформации регулируется исключительно полем напряжений и совсем не зависит от слоистости, как будто материал совершенно однороден, и последовательно расположенные слои закрашены на рисунке в разные цвета только для того, чтобы деформацию было видно. Следовательно, с точки зрения физики это самая простая форма складчатости.
При образовании концентрических складок разница в физических свойствах между слоями столь велика, что почти вся деформация сосредоточена в скольжении по поверхностям, параллельным слоям, а деформация поперек слоистости минимальна. Концентрическая складчатость выглядит простой, а подобная — сложной, но на самом деле все наоборот. Однородные материалы, такие, как каменная соль и глетчерный лед, деформируются с образованием подобных складок. При деформации на небольшой глубине, когда еще сохраняются первоначальные различия между песчаником, алевролитом, конгломератом и известняком, обычно образуются концентрические складки, но при глубоком погружении отложений рост температуры и проникающие поровые флюиды постепенно уменьшают различия в прочности, и складчатость приближается к типу формирования подобных складок, что иллюстрируется последовательным изменением характера складок в ряду глинистые сланцы — аспидные сланцы — кристаллические сланцы и гнейсы.
Рис. 49. Эти слои были смяты в складки дважды: в одном и том же направлении, но в разном положении, (а) Слои до складкообразования, (б) Эти же слои после первой фазы складчатости согласно схеме (д). (в). Результат повторной складчатости изображенных на рис. (б) слоев по схеме (г). На рис. (е) показано, что получилось бы, если бы складчатость по схеме (г) предшествовала образованию складок посхеме (д). Обратите внимание на то, что при формировании подобных складок мощность любого слоя никогда не бывает больше, а обычно меньше первоначальной мощности этого слоя.
Когда при подобной складчатости изменяется направление линий течения, образуются очень сложные конфигурации (рис. 49), но даже их довольно просто реконструировать, что я детально показал в своем докладе ежегодному собранию Общества геологов-нефтяников шт.Альберта четверть века назад. Первоначальная мощность слоя была по крайней мере не меньше, чем его максимальная мощность, перпендикулярная слоистости, после деформации. Хотя мощности слоев в направлении течения сохраняются постоянными, длина вдоль слоя и площадь его поверхности, как видно из рисунка, могут сильно возрастать. Из-за этого очень большого увеличения площади поверхности любой слой немного более жесткий, чем соседние, растягивается, образуя отдельные линзовидные тела, по форме напоминающие кусочки сливочного масла или сосиски и называемые будинами (от французского слова boudin, означающего «кровяная колбаска»). Очень сложные проявления такой деформации, присутствие будин и то, что слои обычно растянуты до толщины бумажного листа, создают представление об огромном сжатии их, как в тисках, а поскольку такая деформация часто встречается в ядрах складчатых поясов, где повышенные температуры делают прочностные характеристики пород более однородными, укрепилось мнение о том, что такие складчатые пояса образовались в результате интенсивного горизонтального сжатия и сокращения коры.
Рис. 50. Сложная складчатость не обязательно указывает на сужение зоны, занятой слоистой толщей. Если линии течения расходятся (как происходит, когда материал выдавливается вверх, в области более низкого давления), смятые в складки слои могут занять более широкую зону, чем до складкообразования. На этой диаграмме ширина удвоилась, но площадь в поперечном разрезе смятых в складки слоев (и их объем, если добавить третье измерение) осталась такой же, как у не смятых в складки слоев на нижнем рисунке. Сложные складки можно рассматривать как серию параллелограммов, каждый из которых имеет вдвое большую ширину между линиями течения и вдвое меньшую мощность вдоль них.
Но это совершенно неверное мнение. Ни на рис. 47, ни на рис. 49 никакого укорочения не видно. Эти схемы деформации свидетельствуют лишь о сильном течении в направлении линий течения, которые совпадают с осевыми поверхностями всех мелких складок и волн, а также с кливажом и линейностью. Если линии течения расходятся в направлении течения (как обычно происходит по направлению вверх в ядрах складчатых поясов), то в этих случаях ширина зоны, подвергавшейся деформации, в действительности увеличивается. Чтобы это было понятно, рис. 47 был перечерчен на рис. 50, где видно, что получилась идентичная складчатая структура, хотя горизонтальная ширина удвоилась. Если увеличить вдвое расстояние, разделяющее линии течения, то мощность слоев в направлении течения станет вдвое меньшей. Площадь каждого деформированного слоя на разрезе, показанном в верхней части этого рисунка, в точности равна площади изображенного внизу того же слоя в недеформированном состоянии.
Изображенные на рис. 48 концентрические складки на рис. 51 продолжены вниз; при этом точно соблюдено правило, что мощность каждого слоя повсюду сохраняется. Этот рисунок иллюстрирует три важных правила, которым подчиняются концентрические складки: 1) все концентрические складки затухают с глубиной; 2) подстилающий их фундамент не испытывает сокращения; 3) длина слоя в пределах одной складки или серии складок остается постоянной, пока центры кривизны находятся вне разреза, но становится значительно короче по мере того, как на него попадает каждый центр кривизны (они обозначены цифрами). Соответственно этому все концентрические складки подстилаются «деколлементом», т.е. пологой поверхностью срыва (франц. decollement — букв, отклеивание).
Срыв может представлять собой единую поверхность, как на рис. 51, где она приурочена к ослабленному слою, или он может распределяться между несколькими ослабленными слоями, или в случае переслаивания прочных песчаников и глин все слои глин могут принять на себя некоторую долю общего смещения. В концентрических складках гор Юра срыв происходит в способных к пластическому течению пластах соли. В концентрических складках в шт. Западная Виргиния зона срыва выражена мягким черным глинистым сланцем, залегающим на песчанике Орискани, а южнее, в Провинции Долин и Хребтов, срыв происходит в мягких глинистых сланцах формаций Рома и Конесога среднекембрийского возраста.
Рис. 51. Из-за того что мощность каждого слоя, измеренная под прямым углом к слоистости, остается постоянной, концентрические складки состоят из серии дуг, срывы относительно которых происходят по касательным. На рис. (а) цифрами обозначены центры кривизны этих дуг. Ниже любого такого центра изгибы слоев приобретают гребневидную форму. На рис. (б) показана длина каждого слоя, изображенного на рис. (а). Верхние слои в результате складчатости стали короче, но длина слоев в основании толщи не изменилась. Концентрическая складчатость подразумевает, что внизу находятся пластичные слои (например, соль или мягкие сланцеватые глины), которые позволяют верхним слоям в ходе складкообразования проскальзывать относительно фундамента. На рис. (в) показана такая поверхность срыва.
Различия подобных и концентрических складок иллюстрирует табл. 3. Это идеальные модели, в которых в случае подобных складок, образующихся при деформации однородного по физическим свойствам материала, слоистость не оказывает никакого сопротивления смещениям под действием некомпенсированных напряжений, а в случае концентрических складок слои столь различны по своим физическим свойствам, что все скольжение происходит параллельно слоистости. Реальные складчатые структуры располагаются между этими крайними случаями. Но ни эти крайние типы складчатости, ни их сочетания не означают непременного сокращения подстилающей коры.
Таблица 3. Подобные и концентрические складки
| Подобные складки | Концентрические складки |
|---|---|
| Изотропная деформация | Анизотропная деформация |
| Направление сдвига не связано со слоистостью | Сдвиг параллелен слоистости |
| Мощность слоев постоянна в направлении течения | Мощность слоев постоянно перпендикулярно слоистости |
| Длина слоя в пределах складки сильно увеличивается | Длина слоя в пределах складки постоянна |
| Складка сохраняется неопределенно далеко вниз по осевой поверхности | Складка затухает вниз по осевой поверхности |
| Никакого срыва внизу не предполагается | Предполагается наличие срыва в основании толщи |
| Укорочение коры не предполагается | Предполагается сокращение ширины деформируемой толщи, не затрагивающее ее фундамент |
| Предполагается перемещение вещества кверху в направлении осевой поверхности | Поверхностное перемещение вещества под прямым углом к осевой поверхности |
Определения терминов «концентрическая складка» и «подобная складка» дал Ван Хайз в 1896 г.* Позднее названия «концентрическая» и «подобная» складки были заменены соответственно терминами «флексурная складка» (flexure fold) и «складка сдвига» (shear fold), которые стали широко применяться в Америке. Однако поскольку оба типа складок включают сдвиг в сравнимой степени (см. рис. 47) и оба представляют собой флексуры (т.е. изгибы) в общеупотребительном смысле, эти названия лучше не использовать, так как соответствующие понятия уже были обозначены другими, более точными терминами и во избежание двусмысленности, поскольку термин «флексура» был предложен в 1876г. Джоном Уэсли Пауэллом для изгиба между двумя платообразными поверхностями, и вслед за ним в этом смысле его использовали такие выдающиеся авторы руководств по структурной геологии, как Б.Уиллис, С.М.Невин и Е.Ш.Хиллс.
