🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Giáo trình địa chất cấu tạo Ebooks Nhóm Zalo NGUT. GS. TSKH. LÊ NHƯ LAI GIÁO TRÌNH ĐỈA CHẤT CẤl TẠO NHÀ XUẤT BẢN XÂY DỰNG HÀ NỒI - 2001 S tru ctu ral G eo lo g y Prof. Dr. Habil. Le N hu V ietnam (SRV) Giáo trìnli "Địa chất cấu rạo" được soạn làm tài liệu giáng dạy đại học, cao học, sail đại học cho sinh viên và liọc viên thuộc các khoa Địa chất, Dấu khí, M ó và Kinh tế quản trị doanli nghiệp của Trường Đại học M ó - Địa chất và là lài liệu tham khảo cho sinlì viên và học viên các ngànli lương ứng của các trường đại học khác. Giáo trình Địa clìất câu lạo vừa chứa đụng nhũng kiến thức lí thuyết, vừa hội tụ những k ĩ năng thực hành trong nghiên cihi cấu trúc địa chất và những vấn đ ề liên quan. Do đó, hi vọng giáo trìnli này s ẽ có những dóng góp tích cực cho quá trình học lập và rèn luyện tay nghề của sinh viên và dộc giả quan tám đến lĩnh vực này. Tác già cliân tliànli cám ơn Prof. Dr. H abil. J. H ofm ann đ ã có những ý kiến trao đổi quỷ báu, cảm ơn DAAD (D eutscher A kadem ischer A ustausclidieiist) đ ã tạo điều kiện cho tác già tham kháo tài liệu và trao đổi với dồng nẹhiệp ở C H LB Đức. Xin chân thành cảm an PGS. TSK H Bùi H ọc, H iệu trưởng Trường Đ ại liọc M ỏ - Đ ịa chất đ ã động viên và cho xu ấ t bán CIIỒII giáo trình này. Quá trìnli biên soạn và xuất bản tuy đ ã rất cô' gắng nliưng klìông tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận đitợc sự trao đổi V kiến của bạn dọc. Hà N ội, ngày 20 tliáng 7 năm 2001 T ác giá N G U T. G S. T S K H . Lẽ N hư Lai C hư ơng I M Ỏ Đ Ầ U MỤC ĐÍCH, NHIỆM v ụ VÀ M ối LIÊN QUAN CỦA MÔN HỌC VỚI C ÁC MÔN HỌC KHÁC 1.1. NHŨNG VẤN ĐỀ CHUNG v ề MÔN HỌC Trong chương trình đào tạo kĩ sư thuộc khoa Địa chất, khoa Dầu Khí. khoa Mỏ. khoa Kinh tế và Quản trị doanh nghiệp, ... cúa Trường Đại học Mỏ - Địa chất, môn học Địa chất cấu tạo giữ một vị trí quan trọng. Từ trước đến nay, sinh viên đều học giáo trình Đ ịa chất cấu tạo và vẽ bản dồ địa chất. Đây là giáo trình ghép của hai môn học: môn Địa chất cấu tao và môn Vẽ bản đồ địa chất. Để nâng cao chất lượng đào tạo, các môn học này được viết thành những giáo trình riêng. Thuật ngữ Địa chất cấu tạo tương đương với "Structural Geology" (tiếng Anh), "Géologie Structurale" (tiếng Pháp), "Strukturgeologie" (liếng Đức) hoặc "Cmpykmypnaii I eo.iorm i" (tiếng Nga)... Theo cuốn lừ điển Nga - Việt địa chất do Nhà xuất bản Khoa học Kĩ thuật xuất bán năm 1970 tại Hà Nội thì "Cmpykmypiian I eo.iornn" được dịch ra tiếng Việt là "Địa chất kiến trúc". Dịch như vậy tuy có sát hơn nhưng ít được thông dụng; nhiều nhà địa chất vẫn sử dụng thuật ngữ Địa chất cấu tạo cho chuyên từ này. Ớ nhiều nước khác vẫn thường có sự không thống nhất giữa các từ cấu tạo và kiến trúc. Vậy Địa chất cấu tạo hay Địa chất kiến trúc là gì? Hiện nay vẫn tồn tại nhiều ý kiến khác nhau. Thứ nhất, m ột số nhà địa chất cho rằng Địa chất cấu tạo là một ngành cúa Địa kiến tạo (Geotectonics hoặc Tectonic Geology - tiếng Anh, Géotectonique - tiếng Pháp, Geotektonik - tiếng Đức, r e o '1'CK 1'OimKii - tiếng Nga). Thuộc quan điểm này có thể dần ra một số tác giá như V. V. Belousov, 1961; Từ điển Địa chất cùa Liên Xô, 1961; ... G. Đ. Ashgirei, 1963; A. E. M ikhailov, 1973; V. E. Khain, A. E. M ikhailov, 1985; V. E. K hain và M. G. Lomize. 1995; V. V... Họ cho rằng Địa chất cấu tạo chính là Địa kiến tạo hình thái, chuyên nghiên cứu tất cả các dạng câu trúc xuất hiện do quá trình biên dạng cấu tạo. Theo trường phái nói trên, Địa kiến tạo là "một môn học về cấu trúc, về chuyên động, về biến dạng và về sự phát triển cùa vỏ Trái Đất cũng như cùa manti trên hoặc vó kiên tạo trong mối quan hệ với sự phát triển chung của Trái Đất" (V. E. Khain và A. E. M ikhailov, 1985; 1987). Theo nghĩa tương tự như vậy, V. E. Khain và M. G. Lomize, 1995, cho rằng Đ ịa kiến tạo 5 gồm một sô chuyên ngành, phát triển như là "những môn học riêng biệt, trong đó. trước hét là môn học Địa kiến tạo hình thái, thường gọi là Địa chất cấu tạo hoặc đơn giản hơn gọi la "Kiến tạ o h ọ c " (TeK iOHMKa). Thứ hai, cũng không ít nhà địa chất lại xem Địa chất câu tạo là một mòn học độc lập. một chuyên ngành của Địa chất học, chuyên nghiên cứu "các yêu tố cấu trúc địa ch át riêng biệt, các cấu trúc biến dạng, uốn nếp, dứt gẫy, các kiểu quan hệ không chính hợp v.v... (M. M. Tetiaev, 1965); trong khi đó Địa kiến tạo lại là mòn học "nghiên cứu vê câu trúc cua Trái Đất và quy luật phát triển cùa chúng" (M. M. Tetiaev, 1941, xem Iu. A. Côsưghin, 1969). Lại có người cho rằng Địa chất cấu tạo (Structural Geology) và Kiên tạo (Tectonics) là hai môn học ricng biệt "cùng nghiên cứu chuyền động cùa vỏ Trái Đất và phần trên cùa manti". Sự khác nhau giữa hai m ôn học này là ớ quy mô của đói tượng nghiên cứu. R. J. Tw iss và E. M. M oores (1992) cho rằng Đ ịa chất cấu lạo nghiên cứu các đôi tượng là sản phám biến dạng của đá có quy mô từ rất nhỏ đến quy mô khu vực, còn Kiến tạo học lại nghiên cứu các đôi tượng có quy mô lớn hơn, từ khu vực đến toàn cầu và do đó đương nhiên có những thể địa chất lại là dối tượng chung cùa hai môn học này. Theo các tác giá nói trẽn thì Kiến tạo học (Tectonics) lại đồng nghĩa với Địa kiến tạo (Geotectonics). Như vậy, có thể thấy quan niệm của giới Địa chất về Địa chất cấu tạo, Đ ịa kiến tạo, Kiến tạo cũng chưa thống nhất. "Tectonics” xuất phát từ tiếng Hy Lạp "tektonicos" có nghĩa là thuộc về xây dựng, còn "structure" có gốc từ chữ Latinh, "struere" có nghĩa là xây dựng, là sắp xếp. C hính vì vậy muôn dịch chính xác hai từ tectonics và structure không phải đơn giản. Trong giáo trình này các từ Structural Geology, Tectonics và G eotectonics được hiểu lần lượt là Đ ịa chất cấu tạo (hoặc Đ ịa chất kiến trúc), Kiên tạo và Địa kiến tạo. Trong đó, Địa chất cấu tạo là món học chuyên nghiên cứu về hình dạng thê nằm và sự phân bõ' trong không gian cùa các cấu trúc, mô tả và phân loại các cấu trúc có kích thước từ nhỏ đến trung bình. Đ ịa chất cấu tạo chú yếu nghiên cứu về hình thái các cấu trúc. Môn Kiến tạo học ít nhiều đồng nghĩa với Địa kiến tạo, chuyên nghiên cứu cấu tạo. chuyển động, biến dạng và những quy luật phát triển cùa vỏ Trái Đất cũng như của cả Trái Đất; tức là nghiên cứu các cấu trúc tron° mối quan hệ động học và động lực học liên quan với chúng. Trong quá trình phát triển cùa Địa chất cấu tạo, người ta không phải chỉ dừng lại ở mõ tá. phân loại các cấu trúc, m à còn đi sau xac định đicu kicn tỉ o il £1 học va đọn^ lire hoc dân đên SƯ thành ttio các hình thái câu trúc đó. Ngược lại những nhà Đia kiến tạo trong nghiên cứu của m ình cũn° đề cập đến những vấn đề như lực tác dụng kiến tạo. trường ứng suất kiến tạo.... những vấn đề mà khi nghiên cứu Đ ịa chất cấu tạo không thế bỏ qua. Do đó, có thể xem nghiên cứu Đ ịa chát câu tạo thường quy mô nhó nhằm phục vụ v iệc nghiên cứu các cấu trúc ờ quy m ỏ lớn hơn thâm chí quy mô toàn cầu cùa Địa kiến tao. 6 1.2. CÁC MÔN HỌC LIÊN QUAN Trong quá trình phát triển của môn Địa chất cấu tạo, xuất phát từ yêu cầu thực tế, nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác cũng đã xuất hiện, thậm chí trở thành những môn học độc lập, có tính chất hỗ trợ đặc biệt cho nghiên cứu Địa chất cấu tạo hoặc nghiên cứu Địa kiến tạo. Đó là Thạch học cấu tạo (Structural Petrology, ví dụ các công trình của B. Sander, 1948, 1950; H. w. Fairbaim, 1942; H. w. Fairbainm và F. Chayes, 1949), Kiến tạo định lượng (Quantitative Tectonics, ví dụ H. Bređdin, 1968), Vi kiến tạo (M icrotectonic, ví dụ c. w. Passchier và R. A. J. Trouw, 1996), Kiến tạo thực nghiệm (Experim ental Tectonics, ví dụ H. Cloos, 1939, 1955; H. Ramberg, 1955, 1968. 1970, R. E. W ilcox và nnk, 1973...), Cấu tạo nhỏ (B. Engels, 1959), Kiến tạo thực dụng (Amplicated Tectonics), Kiến tạo mô phóng (M odeltectonics), Kiến tạo vật lí (Tectonophysics), Địa chất cơ học (G eom echanics), v.v... Trong số các hướng nghiên cứu nói trên, Thạch học cấu tạo gần đây được phát triển khá mạnh mẽ với các công trình của A. W atznauer và H. J. Benr, 1960; J. Hofm ann, 1974; v.v... và cùng với Kiến tạo vật lí đem lại những kết quả quan trọng đối với việc tìm hiểu dộng học và động lực học cùa quá trình biến dang kiến tạo. Kiến lạo thực nghiệm và Kiến tạo mô phỏng giúp các nhà địa chất xác định các điều kiện biến dạng cũng như góp phần phát hiện các cấu trúc ấn không dễ dàng nhận biết được ngoài trời. Trong những năm gần đây việc sử dụng tin học và máy vi tính trong nghiên cứu câu trúc đã nâng cao chất lượng của các công trình, đồng thời giảm nhẹ một phần đáng kế công việc trong gia công và xác định các thông số biến dạng và trường ứng suất. Các hướng nghiên cứu nói trên liên quan mật thiết với môn Địa chất cấu tạo và trong nhiều trường hợp, chúng dược sử dụng như là những phương pháp hữu hiệu trong nghiên cứu cấu tạo địa chất. Đế phát triển môn Địa chất cấu tạo nhất thiết phải nắm vững các kiến thức cơ bản và cơ sở đặc biệt là kiến thức về Toán, Vật lí. Lí thuyết đàn hồi, Lí thuyết dẻo. Những hiểu biết về các môn học này giúp cho các nhà địa chất phát triển món Địa chất cấu tạo theo hướng toán hóa, phương trình hóa hình dạng và định lượng các cấu trúc (Lê Như Lai, 1973 1974 1981), giải thích sự phân bố trong khỏng gian cùa các dạng cấu tạo, xác định các trường ứng lực đã sinh ra chúng (M. V. Gzopxki, 1964, 1975; s. I. Serman, Iu. I. Dnheppobxki 1989; v.v. Kiến thức cùa các mòn như Tinh thể, Khoáng vật, Thạch học, Viễn thám Đ ịa vật lí v.v... giúp chúng ta hiểu biết sâu sắc hơn về sự định hướng của khoáng vật cũng như các yếu tổ' của chúng và sự phân bố của các yếu tố ấy trong khỏng gian khi nghiên cứu cấu trúc từ vi mô đến vĩ mô. Địa chất Cấu tạo cung cấp những kiến thức quan trọng cho công tác đo vẽ bản dồ đia chất và tìm kiếm khoáng sán. Trên cơ sờ phán tích địa chất cấu tạo khu vực nhà đia chất có thê đưa ra những phương án tìm kiếm khoáng sản hợp h' cũng như đề xuất các mô hình hữu 7 hiệu trong việc đánh giá tiềm nãng khoáng sản khu vực. Nghiên cứu địa chất cáu tạo rút ra đưọc những kct luận về quy luật phân bố cấu trúc, về các pha và lịch sừ biến dạng, về điều kiện động học và đọng lực học đã xuất hiện, do đó góp phần hiểu rõ hơn bản chất kiến tạo và lịch sử phát triển địa chất - d |a động lực cùa vùng. H iện nay đã có nhiều sách giáo khoa và tài liệu phục vụ m ôn học Đ ịa chất cấu tạo. Dưới đây là một số tài liệu lỊuan trọng cần tìm đọc đê h ếu thêm nội dung phong phú và sự ứna dụng rộng rãi của m on học này: J. G oguel, 1952. G. D. A shgirei, 1956: K. M etz, 1957; L. u. De Sitter, 1964; E. s .H ills. 1967; Iu. A. C ôsưghin, 1969; J. G. D ennis, 1972; A. E. M ikhailov, 1973; Lẻ Như Lai, 1977, 1979; R. G. Park, 1983; G. M oebus, 1989; G. H. Eisbacher, 1991: J. G. Ramsay và p. Vergcly, 1992; R. J. Twiss và E. M. Moores, 1992; M. Meschede, 1994; C. w. Passchier và R. A. J. Trouw, 1996; v.v... 8 C hư ơng II C Á C D Ạ N G C Ấ U T Ạ O 2.1. NHŨNG KHÁI NIỆM CHUNG Các thể địa chất được hình thành tư nhiên hoác là hậu quả của các quá trình biến dạng, đều có hình thù và chiếm một khoáng không gian nhất định được gọi là dạng cấu tạo. Các dạn» cấu tạo luôn luôn hiến đổi, phát triển, phù hợp với quy luật biện chứng duy vật, có sinh ra, có phát triển, tiến hóa và rồi cũng bị tiêu diệt (biến đổi), như tất thẩy các thể vật chất khác. Tuy nhiên, cũng cần nhận thức rằng, các thế địa chất có quá trình phát triển khác nhau, thường rất lâu dài, mà đời sông cứa một con người không phải dễ dàng có thể xác nhận được. Các thế địa chất hoặc các vật thể địa chất tồn tại xung quanh chúng la, được phân loại theo đặc điểm và ý Ihức chù quan của con người, của từng tác giả. M ọi sự phân loại đểu nhằm một mục đích cụ thể, phản ánh hoặc làm nổi bật những đặc điếm nào đó, hoàn toàn do con người, do từng tác giả đề xuất. Vì thế không nên đế cho một sự phàn loại nào đó ánh hướng đến nhận thức cùa chúng ta và càng không được xem các "mốc" hay các tiêu chuẩn phân loại đó lổn tại như một điều tự nhiên không thẻ thay đổi. Lấy ví dụ, trong Thạch học, việc phân loại đá ra làm một sô nhóm dựa vào thành phán khoáng vật và thành phần hóa học và việc giới hạn hàm lượng S i0 2 của từng nhóm hoàn toàn phụ thuộc vào chủ quan cùa tác giả, đều mang tính quy ước. Ranh giới giữa các nhóm đá đó đểu không rõ ràng và có nhiều loại đá trung gian. Vì thế, khòng thể dựa vào sự phân loại này đê đi đến kết luận trong tự nhiên chỉ có những loại đá đó. Người ta hoàn toàn có thể đưa ra bảng phân loại khác, chảng hạn dựa vào sự có mặt của olivin đổ chia các loại đá m agm a ra làm 2 loại: loại có và loại không có olivin hoặc dựa vào hom blen cũng có ihể chia đá m agm a ra làm 2 loai: có và không có hornblen. Trong Địa chất cấu tạo cũng vậy, mọi sự phân loại đều có tính tương đối. Dựa vào những liêu chuẩn hoặc dấu hiệu này, thì cấu trúc đó có thể được xếp vào loại này và dựa vào những tiêu chuẩn hoặc dấu hiệu khác, chúng lại có thể xếp vào loại khác. Nhũng tiêu chuẩn và những dấu hiệu đó do nhà nghiên cứu đưa ra. nhằm những mục đích cụ thể, phục vụ cho việc nghiên cứu. Chính vì vậy, ngay cả những mục phân loại trong cuốn giáo khoa này cũng chi là một cách phân loại, không nên xem là cách duy nhất. Cách phàn loại đó chi đáp ứng cho một sô điều kiện nhất định và nếu dựa vào nhũng diều kiện khác thì lại có thể có một bảng phân loại khác. Xét về hình dạng của các thể địa chất hoặc các cấu trúc về cơ bàn có thể thấy chúng hoặc là phát triển theo m ột phương, hai phương hoặc là ba phương trong không gian, và do 9 đó người ta gọi chúng lần lượt là cấu tạo đường, cấu tạo mặt và cấu tạo khối. Như vậy chúng ta đã phân loại các thể địa chất, các dạng cấu tạo hoặc các cấu trúc theo khòng gian ba chiều, lẽ dĩ nhién chúng còn biến đổi theo thời gian, và thời gian được xem là chiểu thứ tư trong sự phát triển cùa vật thể. 2.2. CÁC DẠNG CẤU TẠO c ơ BẢN Như đã nói trẽn, dựa vào sự phát triển cùa vật thể trong không gian, người ta có thế phân chia các thế địa chất ra làm ba dạng cơ bản sau đây: 2.2.1. Cấu tạo đường Càu tạo đường là những cấu tạo, những thể địa chất có dặc điểm là chi phát triển theo một phuơne nào đó trong không gian ba chiều, theo hai phương còn lại, vật thê rất ít hoặc hầu như không phát triển. Câu tạo đường nói chung là những cấu tạo dạng tuyến, dạng đường thảng giông như các đường trong Toán học. Tuy nhiên cũng còn gặp các cấu tạo dạng đường cong hoặc có hình thù phức tạp. Cấu tạo đường có loại là nhũng vật cụ thê, nhưng cũng có thể chi là những cấu tạo không có thực trong không gian, phải tường tượng, hình duns mới có thể nhận thức được. Cũng như trong toán học. cấu tạo đường thường là giao tuyến của hai mặt (cấu tạo mặt) nào đó. Trong địa chất, cấu tao đường đién hình cho các tinh thế dạng kim , dạng que (Ihường sắp xếp định hướng), là cạnh cùa các tinh thể (giao tuyến của hai mặt tinh thể), là giao tuvến của hai mặt (thực, có thật) nào đó như giao tuyến của mặt lớp và mặt dứt gẫy, của mặt khe nứt với mặt tinh thể. giao tuyến cùa các khoáng vật dạng tấm , cùa các mặt khe nứt với nhau v.v... Đó là những cấu tạo đường thực, có thực trong tự nhiên. Các cấu tạo đường còn là các trục (đối xứng) của tinh thể. là giao tuyến cúa mặt lóp với m ặt trục nếp uốn (mật khôna có thật, phải dựa vào định nghĩa để hình dung và xác định chúng) v.v... Đó là nhữns cấu tạo đường ào, tức là những cấu tạo đường khòng có thật trong tự nhiên. Thực tế người ta thườna gập các cấu tạo đườns như các đường đút gẫy (giao tuyến của mặt đứt gẫy với mặt địa hình), các ranh giới địa chất (giao tuyến cùa mặt tiếp xúc giữa các đá có thành phần, có tuổi hoặc có nguồn gốc khác nhau với mặt địa hình), các trục nêp uốn (hình chiêu trên mặt phảng nãm ngang cúa giao tuyến °iữa mặt trục và mặt lớp bị uốn nếp), đường bản lề nép uốn (giao tuyến của mặt trục và m ặt lớp), các íotolineam en (các cấu tạo dạng tuyến phát hiện được nhờ phân tích ảnh chup từ máy bav hoăc tư vè tinh), CÍÌC trục tỊuang học thach anh, các truc tường tương vuông °óc với m ã t nào đó của tinh thê v.v... Các cấu tạo đường có ý nghĩa rất quan trọng trong việc xây dựng các đồ thị nahiẽn cứu biến dạng, xác định các kiểu đá biến dang (tectonii). xác định hình dạng các cấu tạo tìm hiểu hướng vận động trong quá trình biên dạng Nghiên cứu sư đinh huớns cùa các quang trục thạch anh hoặc sự định huớng cua các truc vuong góc với m ãt cát khai (mặt 10 [001 ]) của biotit, cũng như các cạnh của một số khoáng vật khác, người ta đã xác định đuợc các kiểu tectonit khác nhau, từ đó góp phần tìm hiểu quá trình động lực và địa động lực của hiện tượng biến dạng. Nghiên cứu các vết xước, các đường gờ, tức là các cấu tạo dạng tuyến trên mặt trượt của đứt gẫy, người la có thể xác định được hướng dịch chuyển của đứt gẫy. 2.2.2. Câu tạo mặt Cấu tạo mặt là cấu tạo điển hình của các thể địa chất phát triển trong không gian hai chiều, nghĩa là các cấu tạo, chì phát triển theo hai chiểu, còn chiểu thứ ba thì không hoặc hầu như không phát triển. Cấu lạo mặt có thể là những mặt phảng, mật gồ ghẻ không phẳng lắm, mặt cong, mặt uốn lượn phức tạp. Điển hình cho cấu tạo mặt là các mặt pháng như mặt lớp, mặt tinh thế, mặt đứt gãy... Sự uốn lượn cùa cấu tạo mặt liên quan với nhũng nguyên nhân nào đó xuất hiện trong quá trình thành tạo chúng. Như vậy ít nhiều, cấu tạo mặt thỏa mãn định nghĩa về mặt trong toán học; chúng có thể là mặt phang, mặt cong. v.v... Trong thực tế địa chất thường gặp các cấu tạo mặt thực (có thực) như mặt tinh thể, mặt lớp. mặt móng (m ặt không chinh hợp), mặt phiến, mặt đút gẫy, mặt phiến hóa, mặt khe nứt, v.v... và các cấu tạo mật ảo (không có thực, phải hình dung, tường lượng theo định nghĩa để nhận biết) như mặt trục của nếp uốn, mặt uốn cùa nếp uốn, v.v... Các cấu tạo mặt có ý nghĩa lớn trong việc xác định các đồ thị và các elipxoit biến dạng. Phần lớn các loại đứt gảy hoặc khe nứt phẳng, nhẵn gặp trong tự nhiên liên quan với các mặt có úng suất tiếp cực đại xuất hiện trong quá trình biến dạng (xem chương III). Các mặt trục của nếp uốn thường vuông góc với phương cùa lực (kiến tạo) tác dụng v.v... Các cấu tạo mặt còn là ranh giới cùa các thể địa chất có tuổi, thành phần hoặc nguồn gốc khác nhau. Nghicn cứu câu tạo mặt có thể hiểu rõ hơn các cấu tạo đường liên quan với chúng và ngược lại với một cấu tạo đường người ta có thế xác định được các Cấu tạo mặt có quan hệ với chúng. 2.2.3. Cấu tạo khối Cấu tạo khối đặc trưng bời sự phát triển của vật thế theo cả ba phương trong không gian ba chiều. Đối với một vật thể nếu có sự phát triển theo ba phương đồng đều thì vật thể có cấu tạo đắng thước và nếu khòng đồng đều thì vật thể có cấu tạo khòng đẳng thước, nếu chi phát triển Iheo một phương thì vật thế có cấu tạo đường, nếu vật thể chi phát triển theo hai phương thì vật thể có cấu tạo mặt. Lẽ dĩ nhiên, giữa các câu tạo đường, cấu tạo mặt và cấu tạo khối còn có các loại cấu tạo trung gian. Thuộc về cấu tạo khối có thế kể như các khối m agm a (nói chung giới hạn bởi bề mặt phức tạp), các khối xâm nhập dạng mạch (giới hạn bời 2 mặt tương đối phẳng và song son° với nhau), các teran (terrane) (các khối địa chất giới hạn bởi các đới đứt gẫy sâu...), các mảng (plate) (giới hạn bời các đút gãy sâu. thường là một lổ hợp của các teran), v.v... Các cấu tạo khối có đặc điểm là phức tạp từ đồng nhất den không đổna nhất. Tính đồng nhất hoặc không đồng nhất cúa các cấu tạo khối phu thuộc vào quy mó của phạm vi nghiên cứu. Xét đến cùng thì các vật thế địa chất đều không đồng nhất. V í du. một khối đá granit 11 cháng hạn, chúng ta có thế xem đó là một cấu tạo khối đổng nhất vì chúng đểu cấu tạo bơi 25% thạch anh, 70% fenspat và 5% khoáng vật màu, có cấu tạo khối, có kiến trúc toàn tinh, kiến trúc granit v.v... Chúng được xem là đổng nhất vì ta đang xem xét ớ quy mõ m ột mâu thạch học, ờ quy mó nhò hơn, chỗ này là thạch anh, chỗ kia lại là fenspat, khòng thế là đồng nhất. Vì vậy khái niệm vể đồng nhất cũng chỉ là tương đối. Không những thế. m ột cấu tạo khối có Ihể câu tạo bới một hoặc nhiều loại đá có nguồn gốc khác nhau, có thế cấu tạo bới một hoặc nhiều teran, có lịch sử phát triển khác nhau. Câu tạo khối có thể có hình dạng và cấu trúc biến đổi theo thời gian. Trong mọi trường hợp cấu tạo khối là những thể địa chất đơn giản hoặc phức lạp được giới hạn bời các cấu tạo mặt. Câu tạo đường, cấu tạo mật và cấu tạo khối thường gặp đồng thời trong không gian. Như trong toán học, giao nhau cùa các cấu tạo mặt cho ta cấu tạo đường, giao nhau cùa cấu tạo khôi cho ta cấu tạo mặt, giao nhau của cấu tạo đường với cấu tạo đường hoặc cáu tạo đường với cấu tạo mặt cho la cấu tạo điếm. Cấu tạo diểm có thế xem là cấu tạo khói có quy mô nhó nhất. Ớ ngoài trời, trong nhiều vết lộ, chúng ta có thể phát hiện rất nhiều cấu tạo đường, những cấu tạo đường này thường là giao tuyến cúa cấu tạo mặt với mặt địa hình, khi mặt địa hình thay dổi thì bức tranh cấu tạo dường nói trên cũng thay đổi theo. 2.3. CÁCH XÁC ĐỊNH VÀ Biểu DIỄN c á c d ạ n g c ấ u t ạ o 2.3.1. Hệ trục tọa độ cấu tạo và cách gọi tên các cáu tạo mật Trong Địa chất cấu tạo và đặc biệt là trong Thạch học câu tạo người ta dùng một hé trục tọa độ gồm ba trục oa, ob, oc vuông góc với nhau từng đõi một, gọi là hệ trục tọa độ cấu tạo abc, trong đó theo phương cùa ưục a vật thể di chuyển, vận động rõ ràng nhất, trục b Ihường là giao tuyến của các cấu tạo mặt sinh ra trong một pha biến dạng, chung hạn bản lề cúa một nếp uốn, giao tuyến của hai mặt nut có tính chất tương tự và sinh ra trong cùng một điều kiện, cùng một thời gian. Sử dụng hệ irục tọa độ này vào trong mộl cấu trúc nào đó (chảng hạn một nếp uốn) người ta có thể gọi tên các cấu tạo mặt như sau: mặt [ab] là những mặt song song hoặc chứa trục a và trục b; lương tự như vậy ta có mặt [bc]. m ặt [ac]. Nếu c b a H ình 2.1: Ki hiệu mặt theo fié n ục tọa ílộ cấu lạo 12 như một mặt nào đó chi song song với trục a. thì, như phép gọi tên các mặt trong tinh thè học. người ta gọi chúng là mặt okl, nếu chi song song với trục b thì gọi là mặt hol và nếu chi song song với trục c ta có mặt hko. Người ta thường gặp hai nhóm mặt okl, hai nhóm mật hol và hai nhóm mặt hko ớ một vật thể bị biến dạng. Để phãn biệt những nhóm mặt này người ta đưa thêm một dấu gạch ngang lên đầu một chữ nào đó, chẳng hạn mặt hol và hõl (hình 2.1). Những mặt cắt cả 3 trục abc kí hiệu là mặt hkl. 2.3ẳ2. Phương pháp xác định và biêu diẻn các dạn g cấu tạo 2.3.2.1. Xác định cấu tạo đường Cấu tạo đường được xem như một đường tháng. Trong trường hợp cấu tạo đường là đường cong khi biểu diễn cần phãn chúng ra làm một số đoạn iháng rồi biểu diễn từng đoạn thẳng thành phần đó. Người ta cũng có thể chọn một đường trung bình đại diện cho đường cong đó đê biếu diễn. Mỗi một đường thảng trong không gian đều có thê được xác định bởi hướng dốc (hướng cắm ) và góc dốc (góc cắm) cùa chúng. Góc dốc cúa một đường thẳng là góc [ạo bới đường thảng đó và hình chiếu cùa nó trên mặt pháng nằm ngang. Đế xác định góc dốc nói trên người ta lập một mặt phẳng chứa đường thắng đó và vuông góc với mặt phẩng nằm ngang p (mặt phắng Pị trong hình 2.2). Trong hình 2.2, L là cấu tạo đường cần xác định góc dốc và hướng dốc. o là giao điểm cùa L với mặt phắng nằm ngang p. M nằm trên L có hình chiếu trên p là H. Ké OE trên mặt phẳng p sao cho OE_LOH. Theo định lí ba đường vuông góc ta có OM X OE, do đó M OH là góc nhị diện phảng của mặt pháng MOE (chứa L) và mặt pháng p, chính là góc dốc a cúa cấu tạo đường L. Đường MO chính là đường dốc của L với hướng dốc từ M về o. Đế đo Hìnli 2.2: Xúc định góc dốc a cùa cấu lạo dường OL. phương vị hướng dốc của L ta có thể dùng địa bàn địa chất. Trong thực tế để xác định phương vị (địa từ) cùa cấu tạo đường L ta chí việc đưa đầu Bắc cùa chiếc địa bàn địa chất theo chiều dốc xuống của L sao cạnh địa hàn nằm trong mặt phẳng thảng đứng chứa L, kim Bắc của địa bàn sẽ chí cho ta góc phương vị (địa từ) của L. Như vậy, bất cứ một cấu tạo đường L nào. bằng cách như đã nêu ớ trên, người ta dùng địa bàn địa chất dều có thế xác định được góc phương vị cúa hướng dốc MO. thực tế là xác định góc phương vị (địa từ) của vectơ HO cũng như xác dinh được góc nghiêng cực đại của L đổi với m ặt phẳng nằm 13 ngang. Với hai giá trị, góc phương vị cùa HO và góc dốc a cùa L, hoàn toàn có thê xác định được vị trí cùa L trong không gian. 2.3.2.2. X ác định cấu tạo m ặt Xác định cấu tạo mặt chính là xác định các yếu tố thế nằm cúa cấu tạo mạt, bao gồm các góc phương vị đường phương, góc phương vị hướng dốc và góc dóc cúa cấu tạo mặt. Đê xác định các yếu tô nói trên người ta dùng địa chất. Cách dùng địa bàn địa chất đẽ xác định (đo) các yếu tố thế nằm cùa cấu tạo mặt (chẳng hạn m ặt lớp) đã được trình bày trong giáo trình Địa chất đại cương (Lê Như Lai và nnk. 1978) hoặc Địa chất cơ sớ (Lẻ Như Lai, 1964, 1965. 1974). Ở đây cần lưu ý góc phương vị địa lí (hoặc địa từ) của một phương L nào đó là góc tạo bởi phương Bắc địa lí (hoặc địa từ) tới phương dó theo chiều thuận kim đổng hồ. Khi dùng địa bàn địa chất người ta chỉ đo được góc phương vị địa từ. M uốn có sô đo là góc phương vị địa lí thì người ta phái cộng hoặc trừ đi độ lệch từ thiên hoặc dùng thù thuật quay vòng chia độ trong địa bàn địa chất một góc bằng độ lệch từ thiên theo chiểu thích hợp. Chỉ được phép đưa góc phương vị địa lí lên bản đồ vì bản đồ xác định theo phương Bắc địa lí. Ớ những nước, như nước ta, độ lệch từ thiên nhỏ nên có thể xem góc phương vị địa từ bàng góc phương vị địa lí. Đối với một cấu tạo mặt bao giờ người ta cũng chú V tới đường phươna (đường tướng tượng nằm ngang trên mặt lớp), đường đốc (đường vuông góc với đường phương và nằm trên mật lớp), hướng dốc (hình chiếu của đường dốc trên mặt pháng nằm ngang, lấy theo chiều về phía dốc xuống) và góc dốc (góc nhị diện phảng giữa mặt lớp và mặt phẳng nằm diện ngang hoặc góc giữa đường dốc và hướng dốc). Người ta chi cần đo góc phương vị hướng dốc và góc dốc là đù đế xác định vị trí của cấu tạo m ật trong không gian. V í dụ góc phương vị hướna dốc cùa một cấu tạo mặt nào đó là a và góc dốc cúa câu tạo mặt đó là b. người ta thường ghi a Z b (dấu z trên chéo dưới ngang, kí hiệu cho góc, không viết nhầm là dấu nhỏ hơn...). 0 một số nước khác người ta đo và ghi giá trị đường phương, sau đó đến hướng dốc rồi đến góc dốc. Việc ghi chép cả 3 số liệu như vậy rườm rà, không cần thiết, vì biết hướng dốc là có thể suy ra ngay giá trị góc phương vị đường phương bằng cách cộng hoặc trừ đi 90°; ngược lại biết giá trị của góc phương vị đường phương khòna phái dễ dàng bằng phép tính cộng trừ đẽ’ có thể suy ra góc phương VỊ hướn° dốc mà phải ghi chép thêm cấu tạo mặt đó dốc về phương nào! G án đây để cho giản tiện chúng tòi đề nghị kí hiệu thố nằm cùa câu tạo mặt (hoặc cấu tạo cÌưÒTig) là a/b (°óc phương vị hướng dốc/góc dốc), chi cần gạch chéo mà không cần phải viết kí hiêu góc như đã nêu ớ trên. 2.3.2.3. B iếu dien các dạng càu tao tlìeo ph ư ơ n g phá p chiếu càu Trong các công trình nghiên cứu địa chất người ta thường dùng phép chiếu cáu để biểu điển câu tạo đường và câu tạo mặt. Chúng ta hãy hình dung, gia sử có m ột quả cầu hãy đế cho mặt phảng xích đạo cua nó song song với mãt pháng nám ngane và từ đó ta có hai bán cầu, bán cầu trên và bán cầu dưới (so với mặt phảng xích đạo). Khi biểu diẻn các vếu 14 tô cấu tạo người ta dùng một trong hai bán cầu này và phái nói rõ bán cáu sử dụng trong công trình cùa m ình là bán cầu nào. Ở m ặt phắng xích đạo người ta định hướng Bắc Nam và chia vòng tròn xích đạo theo các phương địa lí từ 0° hoặc 360° (ớ Bắc) đến 10°, 20°, 350°, 360° theo chiều thuận kim đồng hổ. Muốn biểu diễn cấu tạo đường L nào đó ta dựa vào hướng dốc (góc phương vị hướng dốc a) và góc dốc b của nó để tưởng tượng vị trí của nó trong bán cẩu. Lẽ dĩ nhiên phải dựng L đi qua tâm o của vòng tròn xích đạo (đáy bán cẩu). Đường thẳng đi qua o của cấu tạo L cắt bán cầu trên ớ M. Hình chiếu M' của M trẽn đáy bấn cầu được xem là điểm biểu diễn của L theo phép chiếu cầu và bán cầu trên. Tương tự như vậy, cấu tạo đường L cắt bán cầu dưới ở N; hình chiếu N' cùa N trên đáy bán cầu được xem là điểm biểu diễn cùa L theo phép chiếu cầu với bán cầu dưới. Như vậy chiếu xuống bán cầu trên hoặc dưới về nguyên tắc không có gì khác nhau, biết M' có thể suy ra N' và ngược lại (đối xứng với nhau qua O). Đối với các cấu tạo mặt, khi biểu diễn chúng bằng phương pháp chiếu cẩu, người ta tường tượng đưa Hình 2.3: Biểu diễn cấu tạo đường L tlieo pliép chiếu cấu. pháp tuyến của cấu tạo mặt đó qua o . Các cấu tạo mật được thể hiện thông qua pháp tuyến của chúng (đi qua O); tức là lại quay về cách biểu diễn cấu tạo đường. Một cấu tạo mặt chỉ có một pháp tuyến đi qua o cho nên chỉ có một giao điểm của pháp tuyến đó với bán cầu trên (hoặc bán cầu dưới) và chí có một điểm là hình chiếu cùa giao điếm nói trên trong mặt phẳng đáy bán cầu. Như vậy mỗi một cấu tạo mặt đều có thê biểu diễn bằng một điểm (hoặc là theo bán cầu trên hoặc bán cầu dưới). Người ta còn có thể biểu diễn một cấu tạo mặt bằng một cung, đó là hình chiếu cùa giao tuyến giữa m ặt đó với mặt bán cầu (trên hoặc dưới) trên m ặt phảng nằm ngang (đáy bán cầu). Hình 2.4: Biểu diễn cấu tạo mặt bằng điểm và bằng cung. Trong hình 2.4a, p là cấu tạo mặt. Cấu tạo mặt này cắt bán cầu trên theo cung EKF, cắt bán cầu dưới theo cung ELF. Hình chiếu của các cung này trên đáy bán cầu (EK 'F hoặc 15 EL'F) là cung biểu diẻn hình chiếu cầu của mặt phảng p. Hình 2.4b cho thấy cách biểu diễn cấu tạo mặt theo pháp tuyến. Ở đây OM là pháp luyến cúa mặt phầng p. M là giao điếm của pháp tuyến với bán cầu trên. Hình chiếu cùa M trên đáy bán cầu là M'. Gọi K là giao điếm của giao tuyến giữa mặt phầng p và mật thảng dứng chứa OM. K' là hình chiếu cùa K trên đáy bán cầu (hình 2.4c). Dễ dàng có thể tìm được độ dài và quan hệ cùa các đoạn OM' và OK'. Khi cấu tạo mặt p dốc dứng, góc dốc bằng 90° thì diem M ớ trên chu vi, diếm K' trùng với o là tâm đồ th ị. Khi c ấ u tạ o m ạ t n àm ngang, g ó c d ố c bằng không, M' trùng với o và K' nằm trên chu vi vòng tròn đáy bán cầu. v ề mặt nguyên tắc đoạn M'K' có số đo bằng bán kính. Tuy nhiên khi sứ dụng phép chiếu cầu người ta dùng mạng Schmidt (do w . Schmidt đề xuất) hoặc mạng W ulff (do W ulff đề xuất). Lúc đó khoảng cách đó có thế khõng đúng bằng bán kính. Trong giáo trình này, từ nay về sau, chúng ta sứ dụng cá hai bán cầu. Đế lưu ý người đọc, khi sử dụng bán cầu trên người ta có thế thông báo ngay từ đầu hoặc vẽ kí hiẽu o bên cạnh các đổ thị, ngược lại nếu dùng bán cẩu dưới người la vẽ o bẽn cạnh đổ thị. 2 3 .2 .4 . B iểu diễn các cấu tạo bằng toán liọc Trong những năm gần đây người ta đã vận dụng toán học vào môn học Đ ịa chất cấu tạo, đặc biệt là biểu diễn các dạng cấu tạo bằng các phương trình toán học quen thuộc. Tất cả các cấu tạo dường đều có thế quy về phương trình có dạng Ax + By + c = 0; trong đó A, B. c là hằng số và A, B không đồng thời bằng không. Trong khỏng gian các cấu tạo đường được biểu diễn là phương trình có dạng: Ax + By + Cz + D = 0; trong đó A. B. C. D là hầng số và A, B, c không đồng thời bằng khỏng. Phương trình m ặt cầu có tâm I(a, b. c) và bán -) ■> _2 kính R là: (x - a)2 + (y - b)2 + (z - c)2 = R2: mặt elipxoit có phương trình: + -— h —— — 1 ■ a b c 2 2 2 2 mật hypecboloit 1 tầng có dạng: “ T + ^ T - - T = 1 và 2 tầng có dang: - + — a b c a : b 2 c 2 Nếu biết cấu tạo đường L là giao tuyến cúa 2 mặt f(x) và g(x) thì có thế xác định được phương trinh của L bằng cách giải f(x) - g(x) = 0. Việc phương trình hóa các cấu trúc uốn nếp. đứt gẫy bước đầu đã được tiến hành có kết quà (Lé Như Lai. 1973, 1974, 1981). 2.3.2.5. S ứ d ụ n g các m ạng chiếu cáu Giả sử chúng ta dùng mạng Schmidt hoặc mạng W ulff để biểu diễn cấu tạo đường có số đo là a/h: trona dó a là góc phương vị hướng dốc và b là aóc dốc. Vị trí M biểu diễn cho câu tạo có sô đo là a/b 16 * B Hình 2.5: Nguyên rác biển diễn cứa tạo (hùnIf! và cấu tạo inăt. được xác định trên đường bán kính với BOA — a° và với đoạn OM trên bán kinh đo bang b°, với điều kiện chia bán kính OA ra làm 90" phần bằng nhau, mỗi phần tương ứng với 1° hoặc theo cách phân chia khác nhau của các mạng chiếu cầu. Tương tự như vậy vòng tròn tâm o có bán kính là OA (thường bằng 10cm) cũng được chia ra làm 360 phần, mỗi phần ứng với 1° (hình 2.5). Khi dùng mạng Schmidt hoặc mạng W ulff (thường dùng là mạng Schmidt đối với Địa chất cấu tạo) người ta tiến hành theo các bước sau đây: - Đặt lên trẽn mạng Schmidt (hoặc mạng W ulff) một tờ giấv can có kích thước bao trùm mạng đó, khoảng 25 X 22cm. - Vẽ vòng tròn lên giấy cari, vòng tròn này có tám trùng với lâm của vòng tròn mạng, có đường kính bằng đường kính cúa vòng tròn mạng (thường là 20cm) và đánh dấu phương Bắc bằng một gạch dọc hoặc mũi tên trên giấy can. - Dùng đinh ghim ấ n vào tâm hai vòng tròn. Có h ai trường hợp xảy ra: Thứ nhất, ớ mạng có vòng tròn chia độ thuận chiều kim đồng hồ, ta chỉ việc nhìn qua giấy can tìm vị trí của sô độ a° trên chu vi của mạng, đánh dấu trên giấy can, sau đó quay tờ giấy can xung quanh đinh ghim sao cho điểm đánh dấu nói trên trùng với số 90 trên mạng; rồi từ tâm o theo đường bán kính o - 90° ta tìm vị trí đã được ghi sẵn trên bán kính ứng với b°. Tại đó ta chấm 1 điểm , đó chính là điểm M cần tìm (hình 2.6a). Ta cũng có thể đưa điểm đánh dấu trùng với số 360 trên mạng rồi trên đoạn tâm o đến 360", tìm một điểm M với OM = b°, M là điếm cán tìm. Hình 2.6a: Cácli xác định điểm chiếu cáu theo mạng cliia độ llmậii chiền kim đóng liổ. Thứ hai, nêu mang Schmidt chia ngược chiều kim đồng hồ (thường thuận lợi hơn) người ta đánh dấu phương Bắc (của mạng) trên giấy can rồi xoay tờ giấy can xung quanh đinh ghim ớ tâm, sao cho mũi tên đánh dấu nói trên chi vào a°(nhìn qua giấy can xuống mạng): rồi từ trục tâm o đến 360° ta tìm vị trí có giá trị là b°, đó chính là điểm M cần xác định (hình 2.6b). 17 Hình 2.6b: Các xác định điểm chiếu cán theo mạng chia độ ngược chiều kim dóng lio. Tùy theo cách chia độ trên mạng, người ta có thể xoay giấy can theo chiều khác nhau, miễn là đảm báo nguyên lắc như đã nêu ớ hình 2.5. Do cấu tạo mặt được biểu diẽn bằng một điểm dựa vào pháp tuyến (đi qua tâm O) nên về nguyên tắc cũng giống như biểu diễn cấu tạo đường đã trình bày ớ trên. Muốn biểu diễn cấu tạo m ặt là một c u n g ta tiến h à n h b ằ n g n h iề u c á c h , c h ả n g h ạ n k h i / tìm được điểm M rồi. ta đưa điểm M về nằm trên đường kính 270° - 9 0 V rẩm điểm M' trên đường Hinh 2 .7 : Cách biểu diễn cấu tạủ kính này sao cho M'OM = 90"; vẽ theo mạng mặt bâng Iiĩột cung sau khi xác định Schmidt (bên dưới) cung đi qua 360" - M ’ - 180°. đưSIm + p zS|n + p vS| = 0 hay p x./ + p y.m + p ?.n + p v = 0 Chiếu xuống các trục ta có: X = ơ x ./ + Tyx.m + Tzx.n Y = Txy./ + ơ v .m + X .n Z = Txz./ + Tyz.m + ơ z .n Ngoài điều kiện vectơ chính bàng không cần phái có mõm en chính bằng không. Gọi O' là trọng tâm của tam giác ABC, lập hệ trục tọa độ 0'x 'y 'z' song song với hệ trục tọa độ Oxyz. Các thành phần móm en chính tại O' là tổng môm en cùa các lực đối với trục 0 'x ', 0 'y ', o 'z '. X z h' Hình 3.3: Xác định trạng thái ứng suất. Hình 3.4: Chiêu cùa các ứ/ìg suất. 23 Tính tống mômen cùa các lực theo trục ơ x ' ta tháy chí có môm en do lực cua hai ihành ph án T . và T y lả k h á c k h ô n g v à c ó c h iề u n h ư đư ợ c v ẽ trên h ìn h 3.3; c á c m ó m e n d o c á c lực khác gây ra đều bàng không. Gọi h và h' là chiều cao cùa tứ diện ứng với các đáy OBC va u u ' u u ' - h ' _ r > - c h h ' V — T w = 0, 3 3 >z 4 3 3 VI s , — = —3 AOB (hình 3.3), ta có: S4 y X ỉr : V (thế tích cùa tứ diện). n ê n :|x zy 1 = 1 Tyz |. Chứng minh tương tự ta có: I Txy I = I Tyx u I Txz I = I Tzx I - Từ đó ta có định luật về đối ứng của ứng suất tiếp: các thành phần ứng suất tiếp trên các mặt vuông góc vói nhau có chiều cùng hướng vào cạnh chung hoặc cùng hướng ra khói cạnh chung và có trị số bằng nhau (hình 3.4). Như vậy trong chín thành phần ứng suất trên các mặt của tam diện vuông chỉ có 6 thành phần độc lập, chúng là thành phần cùa một đại lượng vật lí kliỗng thay đối khi hệ trục tọa dộ thay đổi, gọi là tenxơ ứng suất: •y.x ơ v ĩ.: y/ Đây là một tenxơ hạng hai đối xứng. Tenxơ ứng suất nói trên đặc trung cho trạng thái ứng suất tại M, nghĩa là với các thành phán đó đủ đế cân bằng với các ứng suất trên các mặt cắt khác đi qua M. Vì thế đế biêu diễn trang thái ứng suất tại M ta tách ra khỏi vật thê bị biến dạng một phàn tô hình hộp tại M, vô cùng nhó có thê tích được xem là bằng không và kí hiệu các thành phần ứng suất như ờ hình 3.5. Txz A V Hình 3.5: Các tliànli plìán ứng suất 3.1.6. Phương chính và ứng suất chính Người ta đã chứng m inh được rằng, tại một điếm bất kì của vật thể chịu lực bao giờ cũng có thể tìm được ba mặt phẩng vuông góc với nhau từng đôi một, trên những mặt phăng ấy chi có ứng suất pháp mà không có ứng suất tiếp. Những mặt đó gọi là m ặt chính (principal siress plane). Ưng suất pháp nếu có trẽn những mặt chính gọi là ứng suất chính (principal stress). Khi không có ứng suất pháp xuất hiện trên các mặt đó chứng tỏ ứng suất pháp bằng không. Phương vuông góc với mặt chính gọi là phương chính hoặc trục ứng suất chính (principal stress axes). ứng suất chính còn được gọi là ứng suất cực trị của trạng thái ứng suất. Các ứng suất chính được kí hiệu là ơ |. ơ : . ơ 3 (với quy ước ơ, > ơ 2 > ơ - ) còn được gọi là ứng suất chính lớn nhất, ứng suất chính trung bình và ứng suất chính nho nhất. Nêu cả ba ứng suãt chính đó đểu khác không, ta có trạng thái ứng suất khối. Nèu một trong ba ứng suất chính đó bàng không, ta có trạng thái ứng suất phắng hoặc trạng thái ứn° 24 suất mặt. Nếu hai trong ba ứng suất chính bằng khóng. ta có trạng thái ứng suất đơn hoặc trạng thái ứng suất đường (hình 3.6). Các dạng cấu tạo khôi, cấu tạo mặt và câu tạo đương (xem 2.2) thường được thành tạo liên quan với các trạng thái ứng suất hoặc trạng thái biên dạng tương ứng nói trên. H m h 3.6: Các trạng tliái úng suất: a) Khối; b) Mặt; c) Dường. 3.2. PHÂN LOẠI BIẾN DẠNG Có nhiều cách phân loại biến dang. Dưới đây là một số cách phân loại biến dạng cơ bàn nhất. 3.2.1. Dựa vào tính chất cơ lí của vậl thể bị biến dạng Dựa vào tính chất cơ lí của vật thê bị biến dạng hoặc dựa vào tính chất cơ lí cúa vật thể trong tùng giai đoạn biến dạng người ta chia ra các kiểu biến dạng sau đây: 3.2.1.1. B iến dạng đàn hồi Các vật thể trong thiên nhiên nói chung đều có tính đàn hồi. Tính đàn hồi cùa vật thể được thể hiện ớ chỗ, nó làm cho vật thế bị biến dạng có thê khôi phục lại hình dạng và vị trí ban đầu của nó, nếu ngừng tác dụng lực vào vật thể. Có những vật thể khi bị biến dang chi thể hiện tính đàn hồi một giai đoạn nào đó (giai đoạn đàn hồi), sau giai đoạn này vật thê không còn tính đàn hồi nữa. Biến dạng khi vật thể còn có khả nãng đàn hồi gọi là biến dạng đàn hồi. Tính dàn hồi lí tường là khá năng của vật thể khôi phục lại toàn vẹn hình dạng ban đầu khi nguyên nhân gây ra biến dạng bị loại bỏ. Theo lí thuyết đàn hồi thì độ lớn của biến dạng đàn hổi ti lệ thuận với độ lớn của ứng suất. Nói cách khác, tưong quan giữa biến dạng và ứng suất là tương quan tuyến tính. Tương quan này không phụ thuộc vào thời gian tác dụng của lực vào vật thê bị biên dạng. Đây cũng là nội dung cơ bản của định luật Húc (do Hooke nêu ra) về biến dạng đàn hồi trong trường hợp kéo (căng) đơn trục. Định luật Húc có thê viết dưới dạng đơn gián như sau: ơ = E.e, trong đó ơ là ứ n g su ấ t; E là hằng số tỉ lệ, không đổi đối với từng loại vật liệu còn được gọi là mõđun đàn hồi; e = — với A/ là độ dãn dài. / là chiều dài ban đầu của vật thế bị biến dạng, e gọi là độ biến dạng dài tương đổi của vật thể theo phương ơ. 25 3.2.ỉ . 2. Biến dang dẻo Biến dạng déo là hiện tượng biến dạng đặc trưng cho các vật thể dẻo. Đó là các vật thè bị biến dạng cho dù đã loại bỏ nguvẽn nhân gây ra biến dạng, vật thể vẫn khóng có khả năno khôi phục lại hình dạng ban đầu. Đối với các vật thế đàn hổi, khi lực lác dụng vào vật thể vượt quá một giới hạn nào đó, vật thể không còn khả năng biến dạng đàn hồi. lúc đó vật thể chi có thể khôi phục lại hình dạng ban đầu ờ một phần nào đó. còn lại phần lớn khòng khói phục lại được. Phần khỏng khỏi phục được hình dạng ban đầu sau khi đã ngừng tác dụnơ lục là phần đã bị biến dạng déo hoặc biến dạng dư. Lí thuyết về quy luật hình thành biến dạng déo và trạng thái ứng suất của quá trình biến dạng đó gọi là lí thuyết dẻo. Biến dạng dẻo không những ti lệ với lực tác dụng mà còn tỉ lệ với thời gian tác động (kéo dài) của lực gây ra biến dạng. 3.2.1.3. Biến dang quánh Biến dạng quánh là hiện tượng biến dạng đặc trưng cho các vật thể quánh, vật thế có tính cơ lí trung gian giữa đàn hổi và dèo. Đặc điểm cùa hiện tượng biến dang quánh là khi ngừng tác dụng lực gãy ra biến dạng, vật thế không hoặc rất khó phục hổi được hình dạng ban đầu của chúng. 3.2.1.4. B iến dạng dòn Biến dạng dòn là loại biến dạng mà vật thế bị phá hủy ngay khi lực tấc dụng còn nhỏ. Loại biến dạng này đặc trung cho vật thể có tính dòn. Tuv nhiên, các vật liệu deo hoặc vật liệu đàn hồi khi chịu tác dụng cùa các lực vượt quá một giới hạn nào đó cũng có thế bị biến dạns dòn. Biến dạng dòn còn gọi là biến dạng phá hủy. Trong thực tế, các kiểu biến dạng nói trẽn không xảy ra riêng lé mà thường xuất hiện cùna một lúc hoặc chuyển tiếp từ kiểu này sang kiểu khác. Trạng thái cùa vật thế bị biến dạng khi chuyển iừ kiêu này sang kiểu khác gọi là trạng thái đột biến hay trạng thái giới hạn, chúng tương ứng với những chỗ uốn cong hoãc những điếm đặc trưng trên các đường cong được lập theo các số liệu nghiên cứu biến dạng. Các kiểu biến dạng kể trẽn thường gặp trong thực tế địa chất. Biến dạng đàn hổi phó biến trong các đá kết tinh, đặc biệt irong móng kết tinh. Biến dạng déo thườne 2 ăp trong các tầng trầm tích còn tính déo với sản phẩm là các nếp uốn hoặc các nếp oần. Biến dane quánh là hiện tượng biến dạng đặc trưng cho các khối m agm a đang nguội lanh hoặc các đá giai đoạn siêu biến chất. Biến dang dòn là hiện tượng biến dạng tạo ra các khe nứt các đứt gảy, v.v... Nghiên cứu chi tiết các sản phẩm của hiện tượng biến dang, một mặt chúno ta có thế xác định được trạng thái vật lí cua các thể địa chất khi bị biến dạng, mặt khác còn có thể xác định được các pha biến dạng cũng như lập lại lịch sử phát triển cùa quá trình biến dan°. Ví dụ. khi nghiên cứu câu trúc địa chất của một vùng nào đó, chúng ta thấy các đá trám tích bị uốn thành các nếp uốn và lại bị cắt qua bời các khe nứt và đứt gẫy thì có thê gia thiết một 26 cách hợp lí rằng hiện tượng uốn nếp xảy ra trước (ớ giai đoạn vật thế còn có tính dẻo) và hiện tượng đứt gãy xáy ra muộn hơn (ớ giai đoạn vật thế đã có tính đàn hồi hoặc dòn). Đôi với dá magma, nếu trong chúng vừa có dấu hiệu cùa các nếp uốn (dựa vào sự xếp sắp của các khoáng vật hoặc dựa vào phàn tích thạch học cấu tạo) vừa có biếu hiện cúa đứt gảy thì cần xác định các nếp uốn liên quan với pha biến dạng quánh (pha thứ nhất), các khe nứt. đứt gẫy do co rút thể tích khi nguội lạnh (pha thứ hai), các khe nứt. đứt gẫy sau khi khối magma đã rắn chắc (pha thứ ba), các khe nứt, đứt gẫy xảy ra sau pha thứ ba nói trên (pha Ihứ lư) rồi tương tự có thể có các pha thứ năm, thứ sáu.... 3.2.2. Dựa vào tính chất cúa ngoại lực Theo phương và chiều của ngoại lực tác dụng vào vật thê, người ta chia ra các kiểu biến dạng sau đây: 3.2.2.1. B iên dạng kéo Biến dạng kéo hay biến dạng căng là hiện tượng biến dạng làm cho vật thể bị biến dạng dãn ra theo một phương nào đó. Người ta thường nghiên cứu hiện tượng biến dạng kéo của một thanh. Đê có được một định nghĩa về thanh, chúng ta hãy tướng tượng như sau: giả sử có một hình phẩng và một đoạn đường cong trong không gian sao cho độ dài cùa đoạn đường cong đó lớn hơn nhiều lần so với kích thước lớn nhất cúa hình phẳng. Cho hình phảng di chuyển trong không gian sao cho mặt phắng cùa hình luòn luôn vuông góc với đường cong và trọng tâm của hình luôn luôn nằm trẽn đường cong, hình pháng sẽ quét ra một hình trong không gian. Hình đó gọi là thanh. Đoạn đường cong đó gọi là trục của thanh. Hình phắng được gọi là mặt cắt ngang của thanh. Trong thí nghiệm biến dạng kéo người ta thường tiến hành với các thanh thép. Biến dạng kéo của một thanh là hiện tượng biến dạng mà lực tác dụng có phương song song với trục của thanh. Trong biến dang kéo các thanh phẳng (thanh có trục là một đoạn thẳng) bị dãn dài ra nhưng vần thẳng. 3.2.2.2. B iến dạ n g nén Biến dạng nén hay biến dạng ép là hiện tượng biến dạng làm cho vật ihế bị biến dạng ép nén lại theo một phương nào đó, thường dọc theo trục cùa vật thể. Trong quá trình làm thí nghiệm người ta thấy rằng, nếu không dùng chất nhờn, chống ma sát bôi xung quanh trục cùa vật liệu thì tại giới hạn bền cùa vật liệu, trôn vật liệu thí nahiệm xuất hiện các mặt nghiêng với trục cùa mầu (phương cùa lực tác dụng) một góc 45°. Nhưng nếu bôi trơn chông ma sát sinh ra trong thí nghiệm, thì các mặt nứt hình thành song song với trục cùa mẫu. Thí nghiệm còn cho thấy độ bền của đá thay đổi, khi ép lớn hơn khi kéo khoáng 30 lần và lớn hơn khi cát khoảng 10 lần (xem 3.4.2). 3.2.2.3. B iến dạng uốn Biến dạng uốn thể hiện ớ chỗ khi vật thể (thanh) bị biến dạna thì chúng bị uốn. Nếu lực tác dụng song song với trục của thanh thì thanh bị uốn cong đi. Hiện tượng uốn với lực tác 27 dụng dọc theo trục cùa thanh gọi là uốn dọc. Lực tác dụng Irong trường hợp này còn gọi là lực tiếp tuyến. Ngược lại, khi lực tác dụng vuông góc với thanh làm cho các thanh bị uốn, người ta gọi đó là hiện tượng uốn ngang. Trong Địa chất học, một tập hợp các lớp bị uôn thành các nếp uốn cũng có thể là do hiện tượng uốn dọc (lực nằm ngang hoãc song song với mặt lớp) hoặc hiện tượng uốn ngang (lực tác dụng vuông góc với mặt lớp), dông thời cũng có thể do hiện tượng uốn nghiêng (lực tác dụng theo một phương nào đó. không nhất thiết phái song song hoặc vuông góc với mặt lớp) (hình 3.7). Hình 3.7: Các loại IIỐII cơ bản. a) Vị In' ban đáu; b) Uốn dọc; c) uốn ngang; d) Uốn Iigliiéng. Mũi tên clii phương và cliiếu cùa ngoại lực (lực kiến lạo). 3.2.2.4. Biến dạng xoắn Biến dạng xoắn là hiện tượng biến dạng với lực tác dụng theo các phương pháp nhau. Biến dạng xoắn là kiểu biến dạng phức tạp thường là một tổ hợp của các kicu biến dạng nói trên. 1.2.2.5. B iến dạng cắt Biến dạng cắt hoặc biến dạng trượt là hiện tượng biến dạng của vật thể khi có phán này của vật thể bị trượt đi tương đối so với phẩn khác của nó. 3.2.3. Dựa vào tính đổng nhất cùa vật thế bị biến dạng và trường lực tác dung Dựa vào tính đồng nhất trong biến dạng người ta chia ra làm hai loại là biến dang đồng nhất (homogeneous strain) và biến dạng khóng đồng nhất (inhom ogeneous strain). Đặc điếm của biến dạng đồng nhất là mọi phần tứ trong vật thể đều biến dạng như nhau. Các đường thẳng vẽ trên m ẫu thí nghiệm hoặc các cấu tạo dạng tuyến (đường) có trong mầu thí nghiệm sau quá trình biến dạng vẫn là các đường thảng, không bị uốn cong. Biến dạng kéo, biến dạng nén. biến dạng cắt có thể xem là biến dạng đồng nhất. Biến dạng không đổng nhất có đặc điểm là các phần từ trong vật thể bị ' 5 biến dạng khác nhau. Các dường thắng vạch trẽn mẫu thí nghiệm sau biên dạng không đong n h a t bi uôn Hình 3.8: a) Biến dạng đổng nhã!. cong đi (hình 3.8). bi Biến dạiiỊi kliông dóng nhuI 28 Dựa vào nguyên nhân gây ra hiện tượng không đồng nhất trong biến dạng, người ta chia ra: - Biến dạng không đồng nhất nội sinh: nguyên nhân gáy ra hiện tượng biến dạng không đồng nhất nội sinh là do cấu trúc không đổng nhất cúa vật thể bị biến dạng. - Biến dạng không đồng nhất ngoại sinh: nguyên nhân gây ra hiện tượng biến dạng khóng đổng nhất ngoại sinh là sự không đồng nhất cúa trường lực [ác dung. - Biến dạng không dồng nhất hỗn hợp: nếu vật thể không đổng nhất lại chịu tác dụng của trường lực cũng không đồng nhất thì sẽ gây ra hiện tượng biến dạng không đổng nhất hỗn hợp. Một vật thế đồng nhất chịu tác dụng của một trường lực đồng nhất có Ihể tạo ra một sán phám có những phần thỏa mãn định nghĩa cùa hiện tượng biến dạng đồng nhất, nhung lại có những phần thể hiện là biến dạng không đổng nhất. Ví du như hiện tượng biến dạng tạo thành một nếp uốn. Phần ớ cánh (A) nói chung thuộc biến dạng đồng nhất: trong khi đó phần vòm (B) lại bị biến dạng không đồng nhất (hình 3.9). B Hình 3.9: Phạm vi biển clạng dồng Iiliấr A và không đổng lìliãt B 3.3. TRẠNG THÁI BIÊN DẠNG Xét một vật thế đàn hồi, trong không gian ơ clit ở trạng thái chưa chịu lực có thể tích là V. Một điểm p bất kì trong V được xác định bởi vectơ r (x, y, z) với X, y, z là tọa độ cúa p trong hệ tọa độ Oxyz. Khi bị biến dạng, p bị dịch chuyển đến vị trí mới là P'. được xác định bới vectơ f' (x', y', z'). Như vậy, PP' là độ chuyển vị cúa p. Các thành phần hình chiếu cùa PP' được xác định bời: u = x' - X. V = y' - y, w = z' - z. Các thành phần chuvển vị của vectơ P P ' là u, V, w tương ứng với Ox, Oy, Oz của hệ trục tọa độ (hình 10) Hình 3.10: Chuyển vị trong biến dạng. Trong Địa chất học. hiện tượng chuyển vị từ nơi nàv đến nơi khác thường gặp khi nghiên cứu hiện tượng trôi của luc địa (thuyết Trôi lục địa). Các khối lục địa, trong quá trình phát triển địa chất thường di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác, chú vếu theo phương nằm ngang. Thuyết K iến tạo mảng cho rằng các mảng di chuyển trong không gian ba chiều theo 29 thời gian, với vận tốc từ vài m ilimet/nãm đến vài centimet/nãm . Ngoài những hiện tượng di chuyển nói trên, trong thực tế địa chất còn gặp rất nhiều hiện tượng di chuyển, chuyển dich khác nhau như: sự di chuyển liên quan với các đứi gẫy, các đới phá hủy. các đới uốn nếp, liên quan với hiện tượng xâm nhập m a g m a , hiện tưong địa di v.v... 3.3.1. Các yêu tố biến dạng Gia sử chúng ta có một phân tô trong vật thế bị biến dạng, lúc đầu phàn tỏ đó là hình chữ nhật a bed, có a irùng với gốc của hệ tọa độ xOy. Sau quá trình biến dang phân tố này bị d i ch u y d n v à lệch đ i, sa n g vị trí m en a.l b |C |d l. P h ă n tố ú ó đ ã bị b iế n d ạ n g , th a y đ ổ i cả chiều dài của các cạnh và góc. Điểm a chuyển vị tới a, với lọa độ u, V. Chuyển vị cùa d theo phương true X là điểm d |. trong nường hợp biến dạng nhỏ thì tọa độ cua d, là: ỡu ỡv dx + u + — dx và theo phương c ù a trục V là V + — dx. Tuơng tự như vậy b| có tọa độ theo ổx Õx p h ư ơ n g c ù a tru e X là: U + — d x và theo p h ư ơ n g c ù a tru e \ là: d y + v + — d y (h ìn h 3.11). ổv õy Hình 3.11: Xác dịitli biến (lạng dài và biến clạng góc. 3.3.1.1. Biến dang dài tương đối Biến dạng dài tương đối (extention) theo phương X kí hiêu là: e = - |C^ r ^ aCÌ = — . theo ad õx a ,b -,-a b ổv — — phưcng y là: e = — = — = —- trong đó đại lượng a.d i - ad gọi là đo dãn dài ab dy tu y ạ đối cùa đoạn dx theo phương x; a ,b : - ab gọi là độ dãn dài tuyệt đối cùa đoạn dv theo phưong y. Tuơng tự như vậy, nếu vật thể ban đầu có chiều dài /Đ. bị biến dạng có chiều dài mới là I ta có biểu thức độ biến dạng dài tương đối (extention): e = (/ - / )// . T rona trường hợp kéo e > 0, ta có hiện tượng dãn dài (elongation) và Irong trường hợp e < 0, ta có hiện tượng co rúl (shortening). 30 3.3.1.2. B iến dạng góc (biến dạng trượt) (shear strain) Gọi y là góc lệch cùa a,b | so với ab. Trong trường hợp y nhó ta có : ổu Yl = tgYi b2b| a ,b 2 ỡy 1 +Ổv 5y Do giá thiết y, là nhỏ nên lương — có thể bò qua, ta có: Yi = — ■ Tương lư như vây, õy õy y. = tay-, = — . Từ đó Yvv = Yi + Ỵ, = — + — . Theo cách làm nói trên ta có thể xác đinh n ỡx xy 1 2 dy dx ổu Ỡ V v ổ w ỠUỔV ổ v ổ w Ỡ w ổ u được e x = ^ , e = ^ - v ằ e z ==T~; cũng như y = v L + r - ; y yz = T - + :r 7 ;yxy = T ^ + T7- dx dy õz õy ỡx 0Z õy õx ỠL Đây là các phương trình hình học còn gọi là phương trình Côsi. trong đó Ỵ là độ biến dạng góc tương đối trong mặt phảng Oxy, Yvz là độ biến dạng góc tương dôi trong mặt phẳng Oyz, v.v... 3.3.2. Tcnxơ biên dạng Xét trong hệ tọa độ vuông góc tenxơ biến dạng Te đặc trưng cho trạng thái biến dạng tại lãn cận điếm khảo sát được xác định la: 1 1 e x 2 Yxy 2 Yxz T ,= 1 1 ịY y x e y 2 y 1 1 2 Yzx2 Yzy e z Trong hệ tọa độ phù hợp với các phương của trục chính ta có: e, 0 0 Tc = 0 e , 0 , với e,, e->, e3 là thành phần cùa tenxơ biến 0 0 e3 dạng [heo phương chính, gọi là biến dạng chính và quy ước ẽị > e, > e 3. Trong biến dạna đàn hồi trường hợp biến dạng nhó, người ta đã chứng minh được phương của các ứng suất chính và phương cúa các biến dạng chính trùng nhau. 3.4. HIỆN TƯỢNG BIẾN DANG Đ ồN G NHẤT Để nghiên cứu hiện tượng biến dạng đồng nhất nội sinh chúng ta giá thiết vật thể phái thỏa mãn các điều kiện sau đây: 31 - Vật th ể có tính liê n tụ c, đồng n h ấ t và đẳng hướng. - Vật thê làm việc trong giai đoạn đàn hồi và tính đàn hồi của vật thê’ là tuyệt đối. - Biến dạng cùa v ật thể do ngoại lực gây ra đư ợ c xem là nhỏ. Những tiên để này không phù hợp với nhiều cơ sở khoa học cúa các m ôn học khác. Trong thực tê không có vật thể nào thỏa mãn các điều kiện đó. Bới vì theo Vật lí học thì vật th ể ớ m ọ i đ iế m là k h ô n g liên tụ c , th ư ờ n g là dị h ư ớ n g và k h ô n g c ó tín h đ à n h ồ i tu y ệ t đối. Các vật thê địa chất lại càng phức tạp. Tuy nhiên, nếu xét Irong phạm vi nhó bé. lúc dó tính cơ lí cùa vật liệu khóng khác nhau nhiéu lấm thì có thể chấp nhặn được. Vì vậy đối với vạt thể địa chất, việc ứng dụng lí thuyết đàn hổi đê nghiên cứu biến dạng là cần thiết. Tuy nhiên phái thận trọng, cân nhắc, đối sánh với Ihực tế khi sứ dụng kết quá nghièn cứu theo hướng cơ học vật rắn biến dạng đế giải quyết các vấn đề thực tế địa chát. 3.4.1. Trạng thái ứng suất pháng (trạng thái ứng suất mặt) Xét một phân tô' thế tích lấy tại điểm c cứa vật thê đàn hồi bị ngoại lực tác dụng. Giá sứ ứng suất tại c là trạng thái ứng suất pháng. có những mặt vuông góc với trục z là những mặt chính và trên những mặt đó không có ứng suất. Những mặt còn lại có ứng suất pháp và ứng suất tiếp (hình 3.12). Từ phương trình cân bằng mômen đối với Irục z ta có: Txv = -T ; diêu này có nghĩa là, nếu trẽn mặt nào dó có ứng suất tiếp thì trên mặt vuông góc với phương cùaHình 3.12: Trụng thái ứng suất pliầng ứng suất tiếp đó cũng phải có ứng suất tiếp. Các ứng suất tiếp đó có giá trị bằng nhau nhưng khác dấu (định luật đối úng cùa ứng suất tiếp, xem 3.1.5). Xét mặt phẳng p bất kì song song với trục Oz và có pháp tuyến u tạo với trục Ox góc u thì cosin chi phương của u là: cos(u. x) = / = - cosa, (cos u. y) = m = sin a cos(u z) = n = 0. Thành phẩn hình chiếu trên các trục tọa độ (xem 3.1.5) cùa p u là: X = - ơ x cos a + Tvx sin a Y = --T yx c o s a + sin a z = 0 Chiêu các thành phần này xuống pháp luyẽn u và Irục V (vuông góc với u và z) ta có ứng suất pháp ơ u và ứng suất tiếp Tm của mặt phắng p lần lượt là: = - X c o s a + Y s in a = ơ x COS a f ơ ) sin2 a —2xxy sin a COS a Tuv = X s i n a + Y c o s a + ( c x - CTN) sin a COS a + Txv ( s in 2 a - c o s ; a > 32 Tiếp tục biến đổi ta có: ơ x + ơ y ơ x ơ y , +-----— - c o s 2 a - T,„ sin 2 a (1) = - -s in 2 a + xIV c o s2 a (2) Vì m ật chính là mặt có ứng suất tiếp bằng không, nên ta có thể cho (2) bằng không và đặt tgP = -2 — — , ta đươc a = — + k90° (3). Biếu thức (3) chứng tỏ luồn luôn có , - ơ „ ' 2 hai mặt chính song song với trục z và vuông góc với nhau. Để xác định ứng suất cực trị, hãy coi ơ u và Tuv là hàm số của a . Lấy đạo hàm bậc nhất cùa chúng rồi cho đạo hàm bậc nhấi đó bằng không, có thể xác định dược: ơ , + ơ „ max min — -°y)2 +4x; - ±2 = ± ị ^/(ơx - ơ y )2 +4x min ^ Bằng phương pháp tính toán người ta xác định được rằng các mạt có ứng suất tiếp cực trị tạ o với những mặt chính một góc 45°. Đế xác định ơ u và Tuv người ta cũng có thê viết các phương trình cân bằng hình chiếu của các lực theo phương p h á p tuyến u h o ặ c th e o phương tiếp tuyến V. Khi đ ó ta c ó (hình 3.13): ^ u = ơ udsdz - ơ xdydz cos a - ơ ydxdy sin a - Txydydzsin a - Tyxdxdz cos a = 0 ^ V = Tm.d s d z -Ơ xd y d z sin a - ơ yd x d z c o sa - T xyd y d z co sa - Tyxd x d z sin a = 0 Hình 3.13: Xác ilịnli các ứng suất trên mật pliắng bất kì song song với trục z. ^ , . . 2 l - c o s 2 a 2 l + c o s2 a Thav t vv = T.... dx = ds sĩna, dy = d sco sa, sin a = -----—-----. cos‘ a = ----- —----- và ® \ ơ v 2 s in a c o s a = sin 2 a. ta c ó : x uv = —------- - s i n 2 a + T . Nếu a = 0 hoặc bằng 90° thì ơ u v à Tuv 33 c ó giá trị là ơ x, Txy hoặc ơ y, Tyx. Đê’ tìm m ặ t c h ín h ta c h o Tuv = 0 , b iế n đ ổ i tiè p ta có : tg 2 a = --------—— = tgP, do đó a = — + k90°. ơ x - ơ y 2 Điều này chứng tỏ hai mặt chính, 2 phương chính song song với trục z và YUÒng góc với nhau. Trên mỗi mặt chính có ứng suất cực trị. úng suất này được xác định bằng cách tính đạo hàm và cho đạo hàm bằng không. Từ đó ta có giá trị của ơ max, o r ;„, X, m ao ^min như đã nêu ớ trên. 3.4.2. Trạng thái ứng suát đường Trong trạng thái ứng suất đường (hay trạng thái ứng suất đơn) c ó hai ứng suất chính b ằn g k h ô n g . Giả sử ơ x = ơ v = 0, m u ố n tìm trị s ố ứ ng su ấ t p h á p ơ u và trị s ố ứ n g su ấ t tiế p Tuv trê n mặt phẳng b ấ t kì tạo với trục X một góc a ta có thể viết các phương trình cân bằng hình chiếu của các lực lên phưcmg pháp tuyến u hoặc phương tiếp tuyến V hoặc có thể trực tiếp thay a v = 0 vào (1) và (2). Với ơ v = 0 thì Txy = 0, thay vào (1) và (2) ta có: ơ = ơ c o s 2 a (4) T,„, = — s i n 2 a u 2(5) Do cos2a < 1 nên ơ u cực đại ứng với a = 0. Nói cách khác: ứng suất pháp tác dụng trên tiết diện vuông với lực ép nén có giá trị cực đại. Biểu thức (5) đạt cực đại khi sin 2 a = 1, a = 45°. Như vậy mặt có ứng suất tiếp cực đại là mặt có pháp tuyến tạo với trục X một góc là 45°. Chính vì vậy ta thấy trong biến dạng đòn, các khe nứt thường tạo một góc 45° đối vói phương cùa lực tác dụng. Như vậy, ớ trạng thái ứng suất đường ta có: _ q x ^max — Tmax — 2 Vị trí các ứng suất cực đại thể hiện ờ hình 3.14. H ình 3.14: Trạng tliái ứng suất dường vả vị trí các ứng suất cực đại. Trạng thái ứng suất đường đặc trưng cho các vật thể bi nén hoặc bị kéo. Trong thí nahiệm vật thể bị kéo trài qua ba giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất gọi là giai đoạn tươno quan tỉ lệ bậc nhất. Gọi /c là chiều dài ban đầu cùa vật thí nghiệm . M là độ dãn dài khi tác dụng vào vật thí nghiệm một lực p. 34 Tãng lực đến một giá trị xác định chẳng hạn p„. Tương quan giữa p và A l à giai đoan này dược thể hiện bâng đoạn OA trên biểu đồ (hình 3.15). Trong phạm vi p < Pt| mâu thí nghiệm bị dãn với AI tương ứng và khi giảm từ từ cường độ của p thì AI nhỏ dẩn, trên biếu đổ A trùng với o. Nói cách khác định luật Húc hoàn toàn đúng trong giai đoạn này, vì vậy giai đoạn này còn gọi là giai đoạn đàn hổi tí lệ. Biến dạng của vật thể tương tự một lò xo chịu kéo. p , 2 Giới han tỉ lê ơ t| đươc quy ước 0,1 = — (N/cm ) với F0 là diên tích mãt cắt ngang của F0 mảu thí nghiệm lúc ban đầu chưa biến dạng. Hình 3.15: Các giai đoạn biến dạng trong thí Iigliiệm kéo. Giai đoạn thứ hai được gọi là giai đoạn chảy. Giai đoạn này gồm 2 đoạn, đoạn AB và BC trẽn biêu đổ (hình 3.16). Thời đoạn từ A đến B quá ngắn đôi khi không nhận thấy trong thí nghiệm. Do tốc độ thí nghiệm không đủ chậm, bút ghi vạch đường OA lên quá điểm B rồi hạ xuống tạo nên đoạn ziczãc BC. Tương ứng với B ta có lực Pch và gọi ơ ch là giới hạn chảy quy ước bằng ơ ch = —1— (N /cm 2). Có hai điếm chảy là điếm cháy trên ứng với Pcht và điềm F„ chảy dưới với Pchd: trong đó điểm chảy dưới là điểm chảy thực của vật liệu và được dùng trong các phép tính toán, ơ giai đoạn này lực tác dụng khòng tăng nhưng hiện tượng biến dạng vẫn tiếp diễn. Đ oạn BC trên biểu đồ được gọi là diện chảy, vật liệu càng dẻo thì diện chảy càng dài, với vật thể dèo lí tướng thì BC dài vô hạn. Giai doạn thứ ba còn gọi là giai đoạn cùng cố, được biếu diễn trên đổ thị bàng đoạn CDH. ơ giai đoạn này khi lực tác dụng thay đổi thì sự biến dạng cũng thay đổi nhưng tương quan giữa chúng không phải là tương quan bậc nhất. Nếu tăng lực đến một điểm K nào đó rồi giảm lực đi thì bút sẽ vạch từ K một đường song song với OA đèn vị trí O' (hình 3.15). Nhu vậy vật thể có biến dạng 0 0 ' khóng bị triệt tiêu khi đã thôi tác dụng lực. Biến dạng đó gọi là biến dạng déo, biến dạna vĩnh cứu hoặc biến dạng dư. Nếu lại tiếp tục tăng lực thì bút sẽ vạch đường 0'K D H , trong đó 0 'K xem như giai đoạn ti lệ. Như vậy giới hạn ti lệ được tăng lẽn và người ta gọi hiện tượng này là 35 hiện tượng biến cứng nguội. Khi p dạt đến giá trị cao nhất Pn ứng với thời diêm trẽn máu xuất hiện một chỗ thắt, lúc đó trên biểu dồ ta thấy lực giám nhưng ứng suàt thực trén mặt cắt ngang ớ chỗ thắt lại tăng lên vì diện tích thu hẹp lại. Khi ứng suất này đat đèn giá trị nào đó thì vật thê thí nghiệm bị đứt. Vậy khi lực dạt đến PB vật liệu bị hong. la có giới hạn bển ƠB đươc quy ước là: ƠB = — (N /cm 2). Fo M1 9/, Giới hạn tỉ lệ, giới hạn chảy và giới hạn bền thế hiện tính chịu lực cùa vật the. Khi nghiên cứu biến dạng cùa các vật thế địa chất cần xem xét tính biến dạng ớ các giai doạn biến dạng và các giới hạn biến dạng nói trên. 1 I II II I Ị Hình 3.17: Biếu đổ tương quan giữa p và AI Hình 3.18: Hìnli dạng ciía máu trong quá trìnli dối với vật liệu dèo. biến dạng nén vật liệu déo. Trong trường hợp nén, khi làm thí nghiệm các mầu thường được chọn có hinh dạng trụ tròn hoặc hình hộp có chiều cao gấp 1 đến 1,5 lần đường kính hoặc kích thước lớn nhất của đáy. Đối với vật liệu dèo biếu đồ tương quan giữa p và A/ cho thấy có ba giai đoan là giai đoạn tí lệ, giai đoạn chảy và giai đoạn cùng cố (hình 3.17). Trường hợp nén khóng có giới hạn bền, càng nén mầu càng phình ra theo chiều ngang và bẹp xuống mà khóng vỡ. Nếu giữa bàn ép và mẫu có lực ma sát thì khi ép mẫu có dạng hình trống, nếu giữa chúng được bôi trơn thì sự phình ra theo chiểu ngang đéu như nhau (hình 3.18). Đối với vật liệu dòn. biểu đồ tương quan giữa p và AI là một đường cong gần giống như kéo nhưng PB lớn hơn nhiều so với thí nghiệm kéo. Khi p đạt đến PH vật bị vỡ. Trong biến dạng nén vật liệu dòn. giữa bàn nén và mẫu không bôi trơn thì khi nén trên mặt mầu xuất hiện các vết nứt nghiêng một góc 45" so với phương trục nén, còn được gọi là các đường Lude - Trenốp. nếu được bôi trơn thì các vết nứt xuất hiện song sone với trục nén (hình 3.19). Hình 3.19: Hình dạng vật thè dòn bị biến dạng nén. 36 Từ thí nghiệm cho thấy khi vật thế bị nén, ứng suất pháp cực đại xuất hiện trên các tiết diện vuông góc với lực tác dụng, các ứng suất tiếp cực đại xuất hiện trên những mặt tạo với phương của lực tác dụng một góc 45". 3.4.3. Trạng thái ứng suất khối Trạng thái ứng suất khối đặc trưng bởi sự tồn tại các ứng suất trên ba mặt chính, nghĩa là ơ |, ơ 2, ơ 3 đều khác không. Đối với trạng thái ứng suất phẳng và ứng suất khối người ta không thế xác định được điều kiện bền bằng thí nghiệm. Đê tính độ bền cùa chúng người ta phải sử dụng các thuyết bền. Đối với trạng thái ứng suất khối, nếu chi xét những mặt song song với một phương chính nào đó, người ta có thể tiến hành nghiên cứu như đối với trạng thái ứng suất phẳng. 3.5. VÒNG TRÒN MO (M OHR) Để nghiên cứu trạng thái ứng suất một cách thuận lợi người ta thường dùng phương pháp đổ thị hay còn gọi là phương pháp vòng tròn Mo (do M ohr đề xuất) hay vòng tròn ứng suất. ở phần 3.4.1 ta có: ơ x + ơ y ơ x - ơ y 2 2 c o s 2 a - T xy s i n 2 a ( 1) (2) ơ x + ơy — — — sin 2 a + sin 2 a Nếu chuyên --------- — ớ phương trình (1) sang vế trái rồi bình phương hai vế cùa cả 2 phương trình nói trên, sau đó cộng lại ta có: \2 gx+ơy+ tL = + t; Đặtơ x + ơ y ------— - = c v à \2 + ĩ l y = R 2 thì phương trình trên là: (ơ u - C ) 2 + t^v = R 2 (6 ) Đây chính là phương trình của đường tròn và gọi là vòng tròn Mo. Từ (6) có thê thấy đãy là đường tròn có bán kính R. có tâm nằm trên trục ơ u và cách gốc tọa độ một đoạn là c . Khi biết ơ x, c y v à Txy thì dựng vòng tròn Mo theo thứ tự sau đày: - Lập hệ trục tọa độ có trục hoành biểu thị trạng thái ứng suất pháp (ơ). trục tung biểu thị trạng thái ứng suất tiếp (t). - Lây trên trục hoành hai điểm E và F có hoành độ lần lươt là ơ v o y. 37 - Từ E và F dụng những đoạn thẳng vuông góc với trục hoành ẼD = Txy, FD ' = Ty x . - Nối DD'. Gọi c là giao điếm cùa DD' với trục hoành. Lấy c làm tâm , vẽ vòng tròn đường kính DD', ta được vòng tròn Mo (hình 3.20). Với cách dựng như trẽn ta có : — ơ s + ơ „ OC = CD = 2 ơ . Hình 3.20: \ 'òng tròn Mo (Molir). Nói cách khác vòng tròn vừa dựng thỏa mãn (6) và gọi là vòng tròn Mo. Muốn tính trạng thái ứng suất trên mặt phẳng bất kì song song với trục z, tức là muốn tín h ơ u. Tuv (ứ n g su ấ t p h á p và ú n g su ấ t tiế p trẽn m ật p h ấ n g đ ó ) la c ó th ể th a y ơ v 0 y, Txy và góc a vào (1) và (2) hoặc có thế dựng vòng tròn Mo rồi từ vòng tròn Mo tìm điém M có tọa độ là a u, Tuv. Trên hình 3.21, diêm D (ơx, Txv) đặc trưng cho các thành phán ứng suất trên mặt cắt vuông góc với trục X và được gọi là điếm gốc. CD gọi là bán kính gốc. Nếu quay CD một góc 2 a ngược chiều kim đổng hồ ta có được diểm M trên vòng tròn Mo. M là điểm tượng trưng cho ứng suất trên mặt nghiêng có pháp tuyến u và lúc đó M có hoành độ là a u v à tu n g đ ộ Tuv. M có hoành độ là O M ' và tung độ là M M ' (M' là hình chiếu cùa M trên trục hoành). Gọi ß là góc giữa CD và trục hoành, ta có: Ö M '= Ö C + C M ' = ÖC + C M cos(ß + 2 a ) M M ' C M sin(ß + 2 a ) Do CM cos ß = CD COS ß = — — — 2 và CM sin ß = C D sin ß = Txy (hình 3.21); n ên O M 'ơ . + ơ v — ơ ^ - ơ v ơ . V --- - c o s 2 a - T xv sin2 a = ơ„ 2 u và MM = — ------sin 2 a + T,V c o s2 a = T,,,, 2 -V uv Để xác định vị trí của M trên vòng tròn Mo hoặc là ta quay bán kính gốc CD một góc bằng 2 a ngược chiều kim đồng hổ, hoặc là từ D kẻ đường song song với trục hoành đườn° này cắt vòng tròn Mo ở P: từ p kẻ đường song song với pháp tuvến u cùa mặt phảno song song với z; đường này tạo với PD một góc a và cắt vòng tròn Mo ở M cần tìm (hình 3.21) 38 ơ 2 “ ơ min Hình 3.21: Ý nghĩa hình học trong nghiên cứu ứng suất của vòng tròn Mo. Gọi I và J là hai điểm trên vòng tròn Mo có tung độ cực trị (xmax, T m ị n ) thì những mặt phẳng vuông góc với PI và PJ là những mặt có ứng suất tiếp cực trị. Gọi A và B là giao điểm của vòng tròn M o với trục hoành thì OA = ơ mjn, OB = ơ max, và những mặt vuông góc với PA và PB là những mặt chính (các mặt được vạch trên hình 3.21). ở trạng thái ứng suất pháng, ứng suất theo các phương chính là ứng suất cực trị. Xem ơ u v à Tuv là h àm s ố c ú a a , lấ y đ ạ o h à m b ậ c n h ấ t c ủ a (1 ) v à (2), sa u đ ó c h o đ ạ o h à m đ ó b ằ n g không, ta được: ± ị \ / ( ơ * - ơ v ) 2 +4 txy (7) (8) T max — - \ / ( ơ x ơ y ) v\y m in Trên hình 3.21 ta có ơ max = O B ,ơ min = O A ,xmax = CI,Tmm = CJ . Do đó, (7) và (8) cũng có thể xác định bằng giải bài toán hình học từ hình 3.21. Thât vây: ơ mm = O A = O C - R = —------— + T xy — — — — „ ơ x + ơ v = OB = OC + R = 3ƠY - ơ v4- Xxy CI = R = ị\l(a* - ơy f + 4xé = a . - R = -iJ(0< 39 Đối với trạng thái ứng suất khối người ta vẽ các vòng tròn ứng suất với các giá trị dôi một của ơ |, ơ 2 và ơ 3 với đường kính bằng trị số khoảng cách giữa hai ứng suất dó. Theo lí thuyết đàn hồi thì miền gạch chéo trong hình 3.22, giới hạn bới ba vòng tròn ứng suat the Hình 3.22: Vòng tròn Mo và phạm vi biểu diễn trạng thái ứng suất khối Từ dồ thị ta thấy ứng suất tiếp cực trị lần lượt là: Ơ I --- Ơ I Ơ 9 ơ-5 ơ | --- ơ - ỉ * 1 . 2 = t 3 = 2 - T 2 . 3 = T I = 2 . T | . 3 = T 2 = — 2 Để xác định các trị sô ứng suất Irên nhũng mặt phẳng nghiêng song song với ơ 3 người ta sử dụng vòng tròn Mo ứng suất tạo bời ơ |, ơ 2. Các vòng trò n này vẽ trẽn hệ tọa độ ơ u và Tuv. Từ những vòng tròn Mo này có thê thây mặt nghiêng có ứng suất tiếp cực đại là mặt song song với ơ 2 (đới ơ 2) có pháp tuyến tạo với ơ | một góc 45°. Mặt có ứng suất cực tiểu là măt vuông góc với măt trên. Tmaí =•—— — • úng suất pháp trên mãt đó là ơ . = CT| +c?3 • 2 2 3.6. CÁC LOẠI M ÔM EN XUẤT h i ệ n t r o n g c ấ u t ạ o m ặ t Trong địa chát có nhiều cấu tạo (dạng) mặt. Những măt này nếu xét trong pham vi hẹp cũng có thể xem như những hình phẳng. Nếu một hình phảng (cấu tạo mặt) nào đó có diện tích là F. đặt trong tọa độ vuòng góc xOy (hình 3.23) ta đều có thể tìm được m ột điểm bất kì M|(x, y) có khoáng cách từ o đến M, là r. Khi đó m òm en tĩnh cùa F đòi với o là So = JO M i.dF có các thành phần hình chiếu xuống các trục tọa độ Ox, Oy lần lượt là F Sx = Jy.dF và Sy = jx .d F . Các thành phần này được gọi là môm en tĩnh cúa F. M ỏm en F 40 quán tính của F đối với o là Jp = J r2d F , F còn dược gọi là mổmen quán tính độc cực đối với o. Nếu thay r bằng khoảng cách từ M, đến một trục nào đó ta sẽ có mômen quán tính của F đối với trục đó, chẳng hạn đối với trục X ta có: J x = Jy 2d F ; đối với F trục y ta có: Jy = Jx 2d F . M ômen quán tính F li tâm của F đối với hệ trục tọa độ xOy là Jxy = |x y d F . Hệ tọa độ có mômen quán F Hình 3.23: Giải tliicli các định Iigliĩa tính li tâm của F đối với hệ đó bằng không gọi là hệ trục quán tính chính. Trong diện tích F người ta luôn luôn có thê tìm được một điểm G sao cho Sg = jG M idF = 0, khi đó điểm G F được gọi là trọng tâm của cấu tạo mặt (hình phẳng). Do OMi = O G + GMi nén So = í(OG + G M i)dF = OG.F, suy ra XG = — ; y c = — . Hê F F trục quán tính chính di qua G gọi là hệ trục quán tính chính trung tám. Khi hệ trục tọa độ xOy quay đi một góc (X đê hình thành một hệ trục tọa độ mới uOv, gọi M, là hình chiếu của M; trên Ox, lúc đó ta có thành phần hình chiếu của phương trình này trên Ou và Ov là: u = xcosa + y sin a, V = y co sa - xsina. Từ đó, theo định nghĩa ta có: J u = Ị v 2đF = J(y c o s a - x s i n a ) 2dF F 1- J v = Ị u 2dF = |( x c o s a + y s i n a ) 2dF F F J uv = |u v d F = |( x c o s a + y s in a ) ( y c o s a - x s i n a ) d F F F Tiếp tục biến đổi ta có : J = —----—+ —----—cos2a-Jxv sin2a 2 2 J „ + J v J Y — J v 2 Jv - J „ -c o s2 a + J.„ sin 2 a -sin 2 a + J xy c o s2 a 41 - 2 J . V . . , Nếu hê truc uOv là hê truc quán tính thì Juv = 0, ta có tg 2 a = ------— . Phương tn n h nay luôn luôn có hai nghiệm, nghĩa là luôn có thể xác định dược 2 trục quán tính chính vuỏng góc vỏi nhau và Ju, Juv thể hiện là những phương trình toán học giống với ơ u và Tuv dã nói ở trên. Vì thế nêu dùng hệ trục tọa độ có trục hoành biếu diẽn Ju, trục lung biếu diẻn Juv thì í J x + Õ 2 2 í Jx - Jy f 2 tương quan giữa chúng cũng là một đường tròn: J u ------------ + J„v = ------------ — + J,y. Vòng tròn này được gọi là vòng tròn Mo quán tính. Vì Jx, Jy và Ju luôn luòn dương, nên vòng tròn Mo quán tính luôn ớ bên phải của trục tung. Những kiến thức cơ bản trên đây rất có ý nghĩa vì chúng có thể giúp ta tìm hiếu đặc trưng hình học cùa các cấu tạo mặt; nói rộng hơn đó là các đặc trưng hình học cùa các máng (cấu trúc) khi chúng di động trong không gian. 3.7. BIẾN DẠNG CÚA CẤU TẠO ĐƯỜNG Các cấu tạo đường cũng tương tự các thanh trong giáo trình Lí thuyết đàn hổi và Sức bền vật liệu; chúng có đặc điểm chung là có kích thước rất lớn theo một phương so với các phương còn lại. Mặt khác, nếu xem xét sự biến dạng cùa các cấu tạo m ặt trong từng mặt cắt riêng lé ít nhiều cũng có thể vận dụng các kiến thức về thanh đê nghiên cứu chúng. Giả sử có một cấu tạo đường chịu tác dụng bới một hệ ngoại lực, khi cắt ngang qua Ihanh. bỏ một phần đi, hợp lực cùa nội lực trên mặt cắt ớ phẩn còn lại phải cân bằng với ngoại lực tác dụng. Gọi o là trọng tãm của mặt cắt, lập hệ trục Oxyz với Oxy là hệ trục quán tính chính trung tâm của mặt cắt ngang và Oz nằm trẽn đường tiếp tuyến của trục cấu tạo đường. Nội lực xuất hiện trên mặt cắt gồm lực dọc Nz, lực cắt Q v Q > xuất hiện theo phương X, y. Vì hệ nội lực phải cân bằng tĩnh học với hệ ngoại lực nên: n n N z + ^ P1Z = 0 ( ^ Pư là tổng hình chiếu cùa p, lên trục z) i=i i=i Q y + Ẻ p.y= 0 v à Q x + Ẻ p, x = ° i = l i=l M x + £ r n xPị = 0 v à M y + X m yp, = 0 (M x, Mv: mõmen uốn quay xung quanh trục X. y) i=i i=i M z + X m ^P' = 0 : với m xp r m yP |' m zp, là m ô m e n h ợ p lự c c ù a c á c lự c p đ ô i v ớ i các i=l trục X, y, z. Gọi p là ứng suất tại điểm C(x, y) bất kì trên m ặt cắt với các thành phần hình chiêu cúa p là ơ z, Tzx, Tzy và gọi dF là diện tích xung quanh c ta có các thành phần nội lực sau đây: 42 N z = f a z d F , Q y = j t zyd F , Q x = í T zxd F ’ F F F M x = J y ơ zd F , M y = j x ơ zdF, M z = j(Tyzx - T „ y ) d F F [• F Người ta quy ước: Nz > 0 nếu có chiều đi ra khói mặt cắt (làm cho vật thể bị kéo); lực cắt Q > 0 nếu quay pháp tuyến ngoài cúa mặt cắt 90° theo chiều kim đồng hồ thì chiều của Q trùng với chiểu của pháp tuyến; mômen uốn M x > 0 khi nó làm cho thớ phiến phía dưới bị căng và là ãm (M x < 0) khi thớ phiến phía trên bị cãng. Đáng chú ý là trong nhiều trường hợp cho thấy biểu đổ nội lực có hình dạng giống với kết quá của hiện tượng biến dạng. Nói cách khác dựa vào hình dạng của cấu tạo (sản phẩm của quá trình biến dạng) có thể suy đoán được biểu đồ nội lực và từ đó dự đoán được ngoại lực đã tác dụng lên chúng (Lê Như Lai, 1979). Ngoài ra cũng có thể đưa ra các nhận xét sau đây: nơi có bước nhảy trên biểu đồ lực cắt Q y thì nơi đó ngoại lực lập trung, cũng có nghĩa là vùng có đứt gẫy (bước nhảy trên biểu đồ lực cắt) là vùng chịu tác dụng lực kiến tạo mạnh mẽ nhất. Biểu đồ môm en (M x) cho thấy khá rõ hiện trạng biến dang, nơi có bước nhảy trên biểu đồ môm en (trùng với bước nhảy trên biểu đồ lực cắt) là nơi có mômen lập trung. Trị số cùa bước nhảy được xác định bằng trị sô' cùa mômen tập trung, nói cách khác, cự li cùa đứt gảy phản ánh và tỉ lệ thuận với lực [ác dụng kiến tạo... 3.8. QUAN HỆ GIỮA ÚNG SUẤT VÀ BIÊN DẠNG Gọi ex là độ biến dạng dài tương đối theo phương X, e y là biến dạng dài tương đối theo phương y, v.v... và gọi Yxy là độ biến dạng góc tương đối trong mật phẳng xOy, ta có tenxơ biến dạng Te là một báng có 9 thành phần biến dạng lân cận điếm khảo sát trong hệ tọa độ vuông góc. Mục 3.3.2 cho thấy các tenxơ biến dạng đó. Tenxơ biến dạng và tenxơ ứng suất có hình thái tương tự nhau. Nếu thay th ế ơ x, ơ y, ơ z bằng ex, e y, e? v à T , Tvz, Txz bằng ~Yxy ~Yyz’ “ Yxz ta CÓ *hê tìm được các giá trị biến dạng bằng vòng tròn Mo. ớ trạng thái ứng suất đơn, với vật liệu đồng nhất, đẳng hướng la có: Ơ! = ơ, ƠI = ơ 3 = 0 và e, = e, e2 = e3 = - (J.eI. Như vậy biến dạng dài (cãng) theo phương này lại gây ra biến dạng ép theo hai phương khác. Gọi E là môđun đàn hồi ị^E = —j , G là hằng số lưu biến 2G e x e ib . người ta đã thiết lập được mối quan hệ giữa ứng suất và biến dang theo các phương trình sau: 43 e ' = g [ ơ x - ^ ơ y + ơ z)] e.v = g [ ơ y - ^ ơ x + ơ z)] e z = | { ơ z - n ( ơ x + ơ y ) ] Yxy G ’ Txz G íyz G V = ^ ~ y , = ^ H - Y Tương quan giữa ứng suất và biến dạng cũng còn được viết là: ơ x = X0 + 2Gex ơ y = /-0 + 2Gey ơ 2 = X0 + 2Gez TXy — G.ỴXy, TXỈ — G.yxz va TZy — G.yZy Trong đó, là hằng sô = ; 0 là độ biến dạng thể tích = ex + e + e z. l - 2 | i 3.9. ELIP, ELIPXOIT BIÊN DẠNG VÀ CÁC CẤU TẠO M ẶT DO BIỂN DẠNG 3.9.1. Elip và elipxoit biến dạng Giả sử ta có một vật thể là cấu tạo mặt có dạng là một vòng tròn. Sau quá trình biến dạng vòng tròn này trò thành một hình elip. Elip đó được gọi là elip biến dạng (hình 3.24). Đối với các cấu tạ o đường độ biến dạng tương đối e, như đã nêu ớ trên, được biểu thị là e = ^ . Trong biến dạng góc, với góc lệch y so với vị trí ban đẩu là nhỏ, ta có Y = tgy; đối vói trục X ta có Yx = tgyx .... hoặc cũng có thế kí hiệu trục X bằng số 1, trục y bằng số 2, ta c ó Ỵ| = t g y l ; y 2 = tg y 2; y x>1 = tg y l2 = Ỵ,+y2 (x e m m ụ c 3.3). Hình 3.24: Elìp biến dạng. 44 Giả sử vòng tròn ban đầu có bán kính là ỉ đơn vi. Môt điêm p có tọa độ X, y nam tren vòng tròn dó, khi bị biến dạng dịch chuyến đến vị trí P'(X|, y,) (hình 3.24). Gọi sn là độ dãn (stretch) theo phương n tính bằng — , lúc đó độ biến dạng dài tương đối theo phương n là 'Tt 1-1o ■ 2 _ en = - p L,ta c ó : s‘ = v'oy = 0 + e „ r Nếu vật thể ban đầu là hình cầu chịu tác dụng một lực p nào đó thì kết quả là vật thê đó sẽ biến thành elipxoit. Elipxoit đó gọi là elipxoit biến dạng. Elipxoit biến dạng có ba Irục được kí hiệu như sau: trục dài A (hoặc X), trục ngắn là c (hoặc Z) và trục trung gian giữa chúng là B (hoặc Y). Như thế cũng có nghĩa là theo phương cúa trục A, vật thế bị căng cực đại hoặc bị ép cực tiểu; theo phương cúa trục c vật thể bị ép cực đại hoặc bị căng cực tiểu và theo phương cùa trục B vật thê bị cáng hoặc bị ép trung bình. Ba trục A, B, c (hoặc X, Y, Z) lập thành một hệ trục tọa độ ABC (hoặc XYZ) có các trục vuông góc với nhau lừng đôi một. Hệ trục tọa độ đó gọi là hệ trục tọa độ biến dạng. Trục B của hệ trục tọa độ biến dạng thường trùng với trục b của hệ trục tọa độ cấu tạo. Người ta cũng thường dùng kí hiệu hkl để thê hiện các mặt trong hệ trục tọa độ biến dạng nhu trong kí hiệu đối với hệ trục tọa dộ câu tạo. Để p h án b iệt hệ trụ c tọ a đ ộ c ấ u tạ o với hệ trục tọa độ biến dạng, trong các mặt có chữ o người ta thường viết chữ o lớn, ví dụ hOl, hkO, v.v... (hình 3.25). 3.9.2. Các mặt cấu tạo hình thành do biên dạng c'(Z) Hình 3.25: Elipxoit biến dạng và liệ trục tọa độ biến dạng ABC Khi hình cầu biến dạng trớ thành hình elipxoit thì đồng thời cũng xuất hiện một số những mặt nứt (mặt câu tạo). Những mật nứt đó có những nét đặc trưng như sau: - Mặt nứt (cấu tạo) cắt:các mặt này tạo thành hai hệ th ố n g thường được kí hiệu là S; và s 2. Vị trí của các mặt này phụ thuộc vào cường độ, thời gian kéo dài cùa lực tác dụng và đạc biệt là tính chất cơ lí của vật bị biến dạng. Nếu vật thê bị biến dạng là vật thê đàn hồi hoặc ờ trạng thái đàn hổi thì góc giữa S| và s2 với phương của lực tác dụng p là a < 45°. Vì SịOSi chứa p (gọi tắt là góc S|S2) nên góc này là 2 a < 90°. Nếu vật thê ở trạng thái dẻo thì khi biến dạng góc SịST > 90° và khi vật thể bị biến dạng ớ trạng thái dẻo tuyệt đối thì góc S|S2 * 180° (hình 3.26). Trong biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo khi lực tác dụng tãng lên một đại lượng là AP thì góc a cũng tăng lên tương ứng là Aa. Nếu ở thời điểm t| quá trình biến dạng đã iạo ra được góc a thì ớ thời điểm t| + At, góc a sẽ biến đổi, trờ thành a + Aa. Nói chung, trong biên dạng đàn hồi các góc a + ủ a đều nằm trong giới hạn của nó (< 90°); còn trong biến dạng dẻo các góc a + A a > 90°. 45 Quan sát các mặt cấu tạo cắt S |, $2 người ta thấy chúng là những mặt nhần. phảng, thanh nét, kéo dài, trên chúng có những vết xước theo phương chuyển động và các gỡ gán như vuông góc với các vết xước đó. Trong quá trình biến dạng, mặt Sị và S2 là mặt có ứng suất tiếp cực đại và trục cấu tạo a trùng với phương phát triển của các vết xước này. M ặt S| và Sj chính là mặt [ab] của hệ trục tọa độ cấu tạo và là mặt hOl của hệ trục tọa độ biến dạng (hình 3.26). s. H ình 3.26: \ 'ẽi xước và gà trên mặt cấu lạo cắt S/ , s 2. Các mặi cấu tạo Sị và S-, ít nhiều bị dịch chuyển nên còn gọi ià các mặt chuyên động, trong nhiều trường hợp khi sự dịch chuyển có giá trị lớn chúng trò thành các đứt gẫy. Các mặt S|, s , rất khít nên không ihuận lợi cho sự xuyên nhập của các thế m agm a. Nếu gặp maam a tiong chúng thì có thể nghĩ đến sự tái hoạt động của S |. s , ớ pha sau. Các mặt S|, s 2 còn được kí hiệu là Kc! và K c2. - Mặt nứt (cấu tạo) tách: các mặt nứt tách phát tr iể n theo phương vuông góc với lực tác d ụ n g k éo (p h ư ơ n g c ả n g lớn n h ấ t ) và so n g s o n g với p h ư ơ n g c ú a lực é p . T ro n g h ệ tọ a đ ộ cáu tạo, chúng là các mặt [BC]. Đó là những mặt kém phát triển, bề mặt gồ ghề, có nhiều khe n ứ t n h ò ớ rìa v à c ó đ ộ h ờ lớ n rất th u ậ n lợi c h o sự x u y ê n n h ậ p c ù a c á c th ể m a g m a h o ặ c nhiệt dịch. Mặt cấu tạo cắt thường được kí hiệu là Kị. - Mặt nứt (cấu tạo) ép dẹp: các mặt nứt ép dẹt phát triển theo phương vuông góc với lực ép hoặc song song vói lực căng, thường gặp trong biến dạng dẻo, được kí hiệu là Kd. Các mặt này phù hợp với mặt [AB] cùa hệ trục tọa độ biến dạng. c s. S; c A— B— A c Hình 3.27: Các phần tư biến dạng ỉ và II: Phân tư ép nén; ỉỉỉ Ví) l\ Phần tư căng dãn (căng trói - extrusion). ABC (XYZ) - lìệ trục tọa độ biến dạng. 46 Vật thế hình cầu khi biến dạng bị tách ra làm 8 phần (hình 3.27), kí hiệu là 1 ,2 ...... 8. Nếu chỉ xét hiện tượng chuyển động trong biến dạng, thì hình cầu, hoặc elipxoit biến dạng bị chia làm 4 phần gọi là 4 phần tư biến dạng. Phần tư thứ I (1 và 2) và phần tư thứ III (5 và 6), trong quá trình biến dạng có xu hướng bị ép vào trung tâm, nén gọi là phần tư ép nén. Ngược lại phần tư thứ II (3 và 4) và phần tư thứ IV (7 và 8), trong quá trình biến dạng, vật chất trong chúng có xu hướng dãn ra khỏi trung tám vì thế chúng thường được gọi là phần tư căng dãn (căng trồi - extrusion). 3.9.3. Hình thái chiêu cầu của các đồ thị Cấu tạo mặt do biên dạng Để nhận biết các loại cấu tạo mặt nói trên bằng các đổ thị chiếu cầu chúng ta chú ý đến vị trí của chúng trong clipxoit biến dạng,chọn đáy bán cầu là mặt [AB] và xem mặt này có vị trí nầm ngang. Do S| tạo với phương cúa lực tác dụng p (song song với OC) trong biến dạng đàn hổi một góc là a < 45°. Góc giữa S| và St với [AB] chính là góc dốc p, và (5-, cùa các mặt S| và Si tương ứng với p, và p , > 45°. Đê giản tiện, chúng ta đặt trục OB theo hướng Bắc. Như vậy hình chiếu cầu cúa S| và s , có thế thấy như ớ hình 3.28. Hình 3.28: Trạng thái biến dạng đàn liổi. Hình 3.29: Trạng thái biến dạng dẻo. Gọi I| là điểm chiếu cầu cùa s, và I2 là điểm chiếu cầu cùa s2, do 2 a < 90°, nên I| - I2 chiếm khoảng chia (trẽn đường kính của mạng chiếu cầu) lớn hơn 90° (tức là lớn hơn bán kính) và khi quá trình biến dạng tiến triển, góc 2 a lớn dần thì lị và I, gần nhau hơn. Do đó dựa vào khoảng cách giữa cực đại ta có thể hiểu thèm về trạng thái biến dạng của vật thể. Trường hợp biến dạng déo, góc a < 45° nẽn I| - It đi qua tám vòng tròn chiếm khoảng chia nhó hơn 90° và khi quá trình biến dạng tiến triển thì I| và I2 tiến dần về phía tâm của đồ thị, cũng có nghĩa là khoảng cách I|I2 ngày càng nhỏ dần. Như vậy trường hợp biên dạng đàn hồi IỊ, I2 nằm ờ ngoài điểm chia 45° (về phía A) và ớ biến dạng dẻo lị và I2 ờ trong điếm chia 45° đó (về phía tâm đồ thị). Khoảng cách I|O I, cho biết đặc trưng cúa quá trình biến dạng (hình 3.29). Trong các đồ thị chiếu cầu nói trên ta thấy điểm chiếu cầu của Kd nằm ờ tâm của đồ thị (I3) và điểm chiêu cầu K, nằm trẽn chu vi của đồ thị, trường hợp này chúng trùng với vị trí của trục A trên đồ thị (I4). Như vậy trong một số đồ thị ớ phạm vi sát biên của chu vi có cả 47 I,. I2 và I4, đồng thời ở phạm vi sát tám cúa đó thị có cá I,, I2 và I3. Tuy nhién hoàn toàn có thế tách I| và I2 ra khỏi I3 và I4 nếu như chúng ta chú ý ngay khi thu thập số liệu ban đáu (xem hình 3.30). Chú ý nếu không chọn OB trùng với trục Bắc thì đồ thị chi quay đi một góc nào dó phụ thuộc vào phương vị cùa OB, lúc đó trục OB sẽ theo đúng góc phương vị cua nó. và hình dạng cúa đồ thị không có gì thay đổi, các điểm chiếu 1], 12. I3, ỉ4 nằm trẽn đường kính vuông góc với OB (hình 3.31). Bắc Hình 3.30: K/Ệ trí diêm chiểu cầu cùa K, (l4) và K j (l3). Hình 3.31: Trục OB bất kì, ví (lu có góc pliương vị là ỵ. Với các đổ thị có nhiều cấu tạo mạt với thế nàm ít nhiều khác nhau, đặc biệt trong biến dạng tăng triển thì phạm vi phân bô cùa các điểm chiếu cầu càng rộng (hình 3.32). Lúc đó phạm vi trong iỊ và phạm vi ngoài 1^ cùa S| (hoặc của S-,) cho thấy dao động về góc dốc của các mặt S| (hoặc S7). Khoảng cách IỊ — IỊ2 hoặc IỊ —1| cho thấy đặc điếm biến dạng của vật thể. Trong biến dạng nói chung iỊ (hoặc [2 ) thuộc pha trước so với (hoặc l ị ). Gọi 9 = a 2 - ct| thì hiệu số 9 này phan ánh đặc điếm của quá trình biến dạng và được thể hiện trên đồ thị bởi đoạn lị -lị* hoặc iỊ - l ị . Trong mộl số trường hợp I, và I- hoặc các điểm chiếu cầu riêng lẻ của S| và St không có tính đối xứng qua tâm đổ thị. Điéu này chứng tò hoặc là các mặt S|, s, có sự khác nhau (khổng nhiều lắm) về đường phương (khi I|, L, nằm trên các đường kính khác nhau) hoặc về góc dốc (khi 1], I2 cùng trèn đường kính nhưng I!o * IiO) hoặc khác nhau cả hai yếu tỏ đó (khi 11. I2 không trên cùng dường kính và I |0 -t I->0). Tất cả những điều nói trên thể hiện sự không đồna nhất cùa hiện tượng biến dạng. Hình 3.32: Đặc điếm của đổ tliị biến dạng lãng triển. 48 Nếu chúng ta lại chọn đổ thị chiếu cầu là m ặt [AC] vuông góc VỚI trục B thi hình thai cúa đồ thị có thể thấy ờ hình 3.33. Lúc đó ứng với s, ta có điểm chiếu cầu là lị, s2 là I2 nằm trên chu vi đổ thị. Vì trụ c OB thẳng đứng nên I, được thế hiện bới hai cực đại 1 và 2 ( lị ì] ) và I2 bới 3 và 4 ( l j , l | ). Hình chiếu cầu cùa K, trên đổ thị này ờ điểm 5 và 6 trùng với vị trí của trục A và hình chiếu cầu của Kd trùng với vị trí 7 và 8, trùng với trục c. Ó biến dạng đàn hổi góc 2 a bằng góc S ịC ^ < 90° nên góc 301 hoặc 204 > 90°, góc 104 hoặc 203 < 9 0 °. Do đó dựa vào vị trí các cực đại 1, 2, 3, 4 có thế suy đoán đặc điểm biến dạng cùa vật thế. Hình 3.33: Vị tri điếm cliiếu cầu của S i,S 2 trên mặt phẳng vuông góc với trục B. Trong nhiều trường hợp các hình chiếu cầu không được lập theo các mặt vuông góc với trục B mà thường tao với trục B mội góc nào đó. Khi ấy giao nhau của hai cung biểu diễn S] và s , trên đồ thị cho thấy vị trí của trục B. B càng gần tâm đồ thị chiếu cầu, mặt cắt càng gần như vuông góc với trục B và ngược lại. Nếu B không trùng với o, tâm đồ thị, thì A và c cũng không nằm trên chu vi cùa đồ thị. Đẽ tìm vị trí cùa A và c trong trường hợp này, về m ặt n g u y ên tắ c , c ó th ể tiế n h à n h n h ư sau: - Vẽ các cung chiếu cầu của mặt S| và mặt s 2. Giao nhau cúa s, và s 2 ta được điểm B. OB là trục biến dạng B. Trục A và trục c nàm trên mặt phắng vuông góc với OB. - Vẽ mặt pháng vuông góc với OB bằng cách kéo dài BO về phía o một đoạn OI sao cho IOB bằng bán kính cùa mạng chiếu cầu. - Dựa vào mạng chiếu cầu ké đường vuông góc với OB, đi qua o và cắt chu vi của mạng chiếu cầu ờ M và N. Theo mạng chiếu cầu vẽ cung MIN, cung này cắt s, ớ E, cắt St ớ F. Nếu cung EF có sô đo nhó hơn 90° chứng tỏ biến dạng đàn hổi trục c sẽ nằm ớ giữa cung này và trục A nằm ngoài cách cung này một độ cung theo mạng chiếu cầu là 90°. Nếu cung EF lớn hơn 90° the hiện hiện tượng biến dạng dẻo, trục c nằm ờ trung điếm cùa cung EF và trục A nằm ngoài cách c là một cung bằng 90° theo mạng chiếu cầu (xem 7.4.2.1.4). 49 Trong nhiêu trường hợp người ta thấv trục OB//ob//ơ2; trụ c OA//ƠỊỊ và trục O C //ơ | với ơ | > ơ 2 > ơ 3. Các trục biến dạng và các trục ứng suất nói trên cũng có thể xác dinh băng các phđn mểm vi tính. Nghiên cứu sự biến dạng cùa một tập đá có n lớp xen kẽ nhau kí hiệu /ị với tính cơ lí biến đổi từ từ. chẳng hạn từ 11 đến /n có tính cơ lí giảm dẩn. thì sự hình thành các mật cấu tạo cắt S,, s, trong chúng có góc dốc a ,, a 2, .... a n cũng thay đổi dẩn dần. Nếu /1 có độ đàn hồi lớn hơn /2... thì a , < a 7 và cứ thế nếu /2 lại đàn hổi hơn / 3, v.v... đến /n la có a n < a n+|. Trong mặt cắt [BC] hoặc gần như song song [BC] hoặc mặt cắt [AB] các dường giao tuyến giữa S| và s, với mặt cắt có dạng uốn cong và nếu như tập hợp các lớp / 1....../n có tính nhịp th ì sẽ t ạ o ra tr ê n c á c m ặ t cắt đó c á c cấu tạ o c h ữ s (khi biến đối từ từ) h o ặ c c h ữ z (khi tính cơ lí của các lớp dá biến đối dột ngột) thuận hoặc ngược (hình 3.34) (Lẽ Như Lai, 1977, 1979). Hình 3.34: Cáu tạo cliữs (a) và cliữZ (b). Dựa vào cấu tạo chữ s hoặc chữ z trong các mặt cắt địa chất hoặc ớ vết lộ có thế xác đ ịn h đư ợ c sự th a y đ ổ i đ ộ h ạ t và tín h c ơ lí c ủ a c á c lớ p đ ấ t đ á , c ũ n g n h ư c ó th ể d ự a v à o c h ú n g để tìm hiểu phạm vi phân bô của vòm nếp uốn. Vòm của các nếp uốn nằm ở vị trí chuyển từ cấu tạo chữ s sang chữ z hoặc ngược lại (Lê Như Lai, 1977). 50 C hương IV C Á C D Ạ N G T H Ế N A M C Ú A đ á t r ầ m t í c h 4.1. LỚP VÀ S ự PHÂN LỚP 4.1.1. Khái niệm chung Lớp là thể địa chất đặc trung cho đá trám tích và đá phun trào, v ề mặt hình thái lớp là thể địa chất phát triển trong không gian ba chiều, trong đó có hai chiểu phát triển tạo nên mặt lớp và chiều thứ ba ít phát triển chính là bề dày của lớp. NI ư vậy lớp có dạng tâm. Lớp là sản phẩm cùa quá trình trầm tích. Trong quá trình láng đọng trầm tích các sản phẩm chịu ảnh hướng trước hết bới nguồn nãng lượng dòng nước dẫn đến trầm tích, ngoài ra chúng còn chịu ảnh hường cúa tác dụng trọng lực. Trong một sô trường hợp, các đá trầm tích được thành tạo liên quan với các quá trình sinh học và hoá học cùa môi trường. Các vặt liệu trầm tích được các dòng nước lôi cuốn từ lục địa đến các bồn địa trầm tích như hồ, biển, v.v... Trong quá trình di chuyển đó, nếu trọng lượng cùa các vật liệu lớn hơn năng lượng cùa dòng thì chúng dừng lại, không tiếp tục di chuyên, nói cách khác chúng tích tụ hoặc trầm tích. Vì vậy. nói chung các vật liệu thỏ hoặc có tỉ trọng lớn thuờng lắng đọng tích tụ trước, các vật liệu nhỏ. nhẹ thường bị dòng nước vận chuyển đi xa và tích tụ muộn hơn. Chính do phương thức lắng tụ như vậy, các lớp trầm tích có đặc điểm khác nhau về độ hạt. Lớp còn là những thê địa chất ít nhiều đồng nhất về thành phần, về độ lớn cùa các hạt trầm tích, về tính chất cơ lí, về tính chất vật lí hoá học, về màu sắc. cấu tạo, kiến trúc, các bao thế và tập hợp hoá đá có trong chúng. Đá phun trào được hình thành từ dung nham nóng chảy, phun ra theo từng đợt. cho nên thế nằm của chúng cũng có dạng lớp. Lớp phun trào nọ khác với lớp phun trào kia và phụ thuộc vào nguồn vật chất phun ra từ miệng núi lửa. Lớp được coi là đon vị cấu tạo cơ bản cùa đá trầm tích và đá phun trào. Lớp nọ phân biệt với lớp kia bới nhữna mặt lớp. Mặt lớp có thế pháng, cona hoặc gồ ghề. nói chung dễ dàng nhận biết được ớ ngoài trời. Mặt trên cùa lớp được gọi là nóc hoặc mái cùa lóp. Đó là phạm vi bao gồm các sán phấm được thành tạo hoặc tích tụ muộn nhất trong một lớp. Mặt dưới của lớp được gọi là tường, đáy hoặc trụ của lớp. Đó là phạm vi được hình thành sớm nhất trong quá trình ihành tạo một lớp. Lớp nọ thường nằm chồng lẽn lớp kia. Hiện lượng này aọi là sự phân lớp. Tường hoặc đáy của lớp thành tạo muộn hơn phú trực tiếp trên nóc cùa lóp được thành tao sớm hơn. Các mật lớp có thể song song hoặc khõng song song với nhau. 51 Ở các trũng trầm tích lớn, sự phân bố cùa các lớp thường rộng, các mặt lớp song song hoặc gần như song song với nhau. Ở các bổn trầm tích hẹp, đặc biệt ờ sóng và ớ hô. các mạt lơp Ihư ờ ng k h ô n g so n g so n g với n h au , tạ o n ên c á c lớp v át n h ọ n d ạ n g n ê m h o ặ c d ạ n g th â u kin h . Như vậy hình thái của lớp chịu ảnh hường cùa môi trường và điều kiện lãng dọng. Bình thường tường hoặc trụ cùa lớp bao giờ cũng nằm dưới nóc hoặc mái cúa lớp. Tuy nhiên, trong thực tế cũng thấy hiện tượng ngược lại, nóc cùa lớp nằm dưới đáy của cùng một lớp. Những trường hợp không bình thường như vậy là do lớp bị biên dạng về sau. Hình 4.1: Tlìế năm bìnli thường và th ể nằm dào cùa các lớp. Trong hình 4.1, các lớp được thành tạo theo thứ tự lớp 1, 2, 3,... T hế nằm bình thường thể hiện hình 4 .la, thế nằm đảo (do uốn nếp) có thể thấy một phần của hình 4.1b. Đối với đá trầm tích, sự phân biệt giữa lớp này với lớp khác trước hết ớ kích thước các hạt vụn trầm tích. Trầm tích cấu tạo bởi các hạt có kích thước trẽn l.OOOmm gọi là khối, 100 - l.OOOmm gọi là tả n g , 100 - lOmm gọi là cuội, 10 - l m m gọi là sói. từ 1 - o.lm m gọi là cát, 0,1 - 0,0 lm m gọi là bột và nhỏ hơn 0,01 gọi là sét. Nếu chúng gắn kết rắn chắc, thành tạo thì tên gọi cùa chúng lần lượt là khối kết, tảng kết, cuội kết, sỏi kết, cát kết, bột kết và sét kết. Lớp còn được thành tạo bằng con dường sinh vật và hoá học. Các đá thuộc loại nàv được thành tạo từ dung dịch thật hoặc dung dịch keo với sự tham gia trực tiếp hoặc gián tiếp cùa sinh vật. Đó là các đá cacbonat, silic, các đá nhóm nhôm, sắt, m angan, phồtphorit. muôi, các loại than, dầu khí... Sự chuyển tiếp các lớp có thể rõ ràng, tức là chuyển tiếp đột ngột, hoặc khòng rõ ràng hay chuyển tiếp từ từ dần đến ranh giới các lớp có thể rõ ràng, khảng định hoặc chi là ranh giới dự đoán, giả định. Hiện tượng phân kíp có thế đơn điệu nhưng cũng có the xuất hiện từng tập lặp đi lặp lại. chẳng hạn lán lượt từ dưới lẽn là cuội kết, sói kết. cát kết. bót kết, sét than, than rói lại tiếp tục một tập như thế,... Hiện lượng phân lớp có sư xuất hiện từng tập lặp đi lặp lại gọi là hiện tượng phân nhịp hoặc flisơ (fish). Nếu như tập (nhịp) sau không hoàn toàn đẩy đù các thành phần của tập (nhịp) trước thì gọi là hiện tương phán nhịp thiếu. Một số nhà địa chất cho rằng, sớ dĩ có hiện tương phân nhịp là do quá trình trầm tích xảy ra phu thuộc vào m ùa. tức là phụ ihuộc vào năng lượng (vận tải) của dòng nước. Vào mùa khô, dòna nước nhỏ nãng lượng yêu chỉ vận chuyển được các hạt có kích thước nhó. đến mùa mưa. dòna nước lớn năng lượng dòng nước lớn có thế di chuyến các hat có kích thước lớn. M ùa khô và mùa 52 mưa kế tiếp lu â n phiên nên tạo ra sự xen kẽ các lớp hạt mịn, hat thó và hình thành cấu tạo phán nhịp. Một số nhà địa chất khác lại cho rằng chính chuyến dộng kiến tạo. cụ thê là chuyến động thăng trẩm (nâng hạ) của vò Trái Đất là nguyên nhân dản đế sự thành tạo phân nhịp trong đá trầm tích. Khi vỏ Trái Đất ớ vùng nào dó được nâng lẽn, bồn trũng trớ thành nông hơn, các vật liệu hạt thô được tích tụ và khi vò Trái Đất cũng tại vùng ấy bị hạ (sụt) xuống trờ thành biển sâu hơn, các vật liệu hạt mịn hơn lại được lắng đọng. Nếu quá trình nâng hạ xảy ra liên tục thì các lớp thô, mịn tiếp tục thành tạo xen kẽ nhau tạo ra cấu tạo phân nhịp trong trầm tích. Thực ra quá trình hình thành tầng phán lớp và tính phân nhịp cùa đá trầm tích rất phức tạp vừa có yếu tố địa lí, vừa có nguyên nhân kiến tạo, cần được xem xét kĩ lưỡng ớ từng vùng cụ thể. Tính phân nhịp cùa dá cũng có thể được thấy rõ qua các tài liệu địa vật lí lỗ khoan. Bên cạnh thuật ngữ về lớp đối với đá trầm tích, người ta còn dùng thuật ngữ vỉa. Vỉa là Ihuật ngữ thường dùng trong thực tế sản xuất để chỉ các lớp khoáng sản, ví dụ vỉa than, vỉa apatit, v.v... Đôi khi người ta còn dùng thuật ngữ "tầng" đế chỉ khái niệm về lớp hoặc dùng từ "lớp" để chi một phân vị địa tầng nhất định, đồng nhất về thạch học và cổ sinh. Những "lớp" địa tầng như vậy được gọi kèm theo tên địa phương, tên đá hay tên hoá đá. có thể chi lương ứng với một lớp hay một số lớp theo nghĩa cúa Địa chất cấu tạo. Như đã nêu ớ trên, quá trình trầm tích phụ thuộc vào năng lượng cúa dòng vận chuyển, ớ gần bờ trầm tích các hạt thô hơn, ớ xa bờ tích tụ các trầm tích hạt mịn hơn. Hiện tượng này đã được N. A. Golopkinxki ngay từ nãm 1869 chú ý tới. Giả sử ờ mực nước biển Mị (hình 4.2). thứ tự trầm tích từ gần bờ đến xa bờ là cuội, cát, sét, đá vôi; ớ mực nước biến M 2 cao hơn, ta cũng có bức tranh trầm tích tương tự, tiếp theo đến mực M 3, cao hơn và cao hơn nữa v.v... Hình 4.2: Táng địa tầng và táng tliạcli liọc tlieo N. A. Golopkĩnxki, 1869. Như vậy, các tầng I, II, III (hình 4.2) là những tầng có vật chất được thành tạo ít nhiều trong cùng một khoảng thời gian, nghĩa là cùng tuổi, nhưng có thành phần thạch học rất khác nhau, gồm cuội kết, cát kết, sét kết và đá vôi, được gọi là tầng địa tầng (cùng tuổi). Tầng địa tầng là một đơn vị địa tầng hay một nhóm các lóp có ranh giới rõ ràng, được thành tạo trong một khoáng thời gian nhất định nhưng cấu tạo bời các đá khác nhau và nhũng đá đó có tính chuyến tiếp theo chiều ngang. Nếu nối các đá có cùng kích thước hạt lại với nhau, ta có tầng 1 (cuội kết), 2 (cát kết), 3 (sét kết), 4 (đá vôi) thì các tầng 1, 2, 3. 4 nói trẽn 53 gọi là tầng thạch học. Rõ ràng tầng thạch học có ranh giỏi không rõ ràng, zíczắc. tuỳ thuộc vào người quan sát, nhưng lại có thành phần thạch học tương đối dóng nhất. Đôi khi táng thạch học là tầng khoáng sản rất quan trọng, ví dụ như ớ vùng Volga. theo A. \ v . Kasakov, 1935 các thành tạo phốtphorit trong các phân vị địa tầng khác nhau dã tạo ra m ột khoáng thể phốtphorit rất lớn (hình 4.3). Hình 4.3: Klioáng thểphótphorit vùng Volga tlieo A. \ . Kasakov, 1939 - xem A. D. Ashgirei, 1963. Pliần gạcli cliéo là klioáng thểphốtphorit; 1: .ì2 - 2- Keìlovvay; 3: Oxford; 4: Kiinmeridge. Các thành tạo chứa than (ví dụ ờ vùng Quáng Ninh) cho thấy tầng thạch học than cắt chéo các lớp cùa đá trầm tích. Trong trường hợp này cần xác định chính xác tầng thạch học than, không nên xem chúng là tầng (địa tầng) chan khi tính toán trữ lượng than của từng vùng (hình 4.4). Hình 4.4: Các làng tliạcli liọc cuội két 1, cát kết 2, sét kết và sét than 3, tlian 4,và các táng đị a tầng 1, II, III Khi biến chất nhiều loại đá được thành tạo; trong đó có những loại đá đổng nhất vé thành phần khoáng vật, cấu [ạo kiến trúc và cũng có dạng tâm. Những thế địa chất đó không gọi là lớp mà thường được gọi là các tầng. Xét về phương diện hình học các táng như vậy cũng có hình thái cùa một lớp và cũng có thế dùng các phương pháp của Đ ịa chất cấu tạo đế nghiên cứu chúng. 4.1.2. Bề dày và các loại bé dày cúa lớp Khoảng cách giữa nóc và tường cùa lớp gọi là bề dày của lớp. Người ta phân biệt ba loại bề dày là bề dày thật (gọi tắt là bé dày), bề dày thiếu về bề dày biểu kiến (hình 4.5). 54 Bể dày thật (h) của lớp là khoảng cách ngắn nhất giữa nóc và tường của một lớp. Bé dày thiếu (hị) của lớp là khoảng cách vuông góc từ một điếm bất kì trong lớp đến nóc hoặc đến tường của lớp đó. Bề dày biểu kiến cúa lớp (h2) là khoảng cách giữa hai điểm Hình 4.5: Các loại bé dày cùa lớp. bất kì giữa nóc và tường của một lớp. Bề dày biếu kiến ngăn nhất chính là bể dày thực của lớp. Bề dày biếu kiến là bề dày đo đuợc, quan sát dược dựa vào hai điểm bất kì của nóc và tường của một lớp. Ngoài các loại bề dày nói trên người ta còn phân biệt bẽ dày nằm ngang, bẻ dày thảng đứng và bề dày xiên. Bề dày nằm ngang h3 (AB) là khoảng cách nằm ngang giữa nóc và tường cùa lớp. Bề dày thắng đứng h4 (CD) là khoáng cách tháng đứng giữa nóc và tường của một lớp. Bé dày xiên là khoảng cách giữa hai điểm bất kì cùa nóc và tường của lớp, tương tự như bé dày kiếu kiến (h2). sin ah = h2 sin (a - ß) h = h2 sin (ß a) h = h2 sin (a + ß) I sin (ß - a) cosß Hình 4.6: Xác đinh bề dày tliực cùa lớp. 55 Khi các lớp nằm ngang thì bề dày thảng đứng chính là bề dày thật. Khi lớp nầm nghiêng bề dày tháng đứng được xác định theo tài liệu lỗ khoan tháng dứng. Bể dày cùa lớp khóng òn đ ịn h , đ ặc b iệt là đ ố i với c á c lớp th àn h tạ o ớ m ô i trư ờ n g sõ n g , h ổ , ờ n h ữ n g b ó n đ ịa q u y m ò nhó. Ở n g o à i trờ i tù y th e o d iệ n lộ, th ế n ằ m c ủ a lớp, đ ặ c đ ié m c ù a đ ịa h ìn h n g ư ờ i ta c ó thê xác định được bề dày của lớp. Gọi a là góc đốc của lớp. p là góc nghiêng cùa sườn địa h ìn h , h là bề d à y th ự c, h i là bề d à y b ié u k iế n ta th ấ y : ờ trư ờ n g h ợ p a = 0 . h = h 2s in P ; trư ờ n g hợp p = 0. h = h2sina: trường hợp a > p * 0 và cùng dốc về một phía, ta có h = h2sin(a - P); trường hợp a > p * 0 và đổ về 2 phía khác nhau , ta có h = h2sin(a + P); trường hợp p > a * 0 và đ ổ về 1 phía, ta c ó h = h-,sin(P - a ) ; trư ờ n g h ợ p lỗ k h o a n th á n g đ ứ n g h = h 2c o s a ; trường hợp khoan xiên một góc là p ta c ó h = h2sin(cc + P ); trư ờ n g hợp a > p và đổ về cùng mòt phía ta có: h = ^sin^a — — : trường hơp p > a * 0 và đổ về cùng một phía, ta có cosP h = —— . Khi a và p đổ về 2 phía, ta có h = —— ------ — , với / là hình chiếu của h2 cos Ị3 cosP trên mặt phẳng nằm ngang (hình 4.6). 4.2. PHÂN LOẠI CÁC LỚP 4 Ể2.1. Phân loại theo bề dày Phân loại các lớp theo bề dày cùa lớp được nhiều nhà dịa chát sử dụng. Bé dày cùa lớp phán ánh thời gian tích tụ, tóc độ trầm tích và hoạt động kiến tạo cúa vùng. Việc phân loại Bảng 1: Phán loại các lớp theo bề dày dựa vào tổng hợp của L. N. Botvinkinna. 1962 (tính bàng cm) Theo E. p. Bruns 1954 Trên 50: Theo L. B. Rukhin 1953. đối với đá nằm ngang Theo V. A. Aprodov 1952 Trẽn 100: rấl dày Theo N. B. Vassoevit 1951 Trên 500: rất dày Theo từ điển địa chất cùa Liên Xô 1950 rất dày Trẽn 50: dày 500- 1000: lớp thô 100 - 400: dày 50 - 90 Vài dm: 10-50: phàn lớp dày 2 - 10: 10-50: (không phản chia) 5 -1 0 : dày 10-50: trung bình 10 - 40: trung bình rất dày Vài cra: trung bình 2 -1 0 : trung bình 2 -1 0 : mỏng 5 -9 : khá mòng 1 - 4: mòng phân lớp (trung bình) 0.2 - 2: mỏng 0,2 - 2: mòng 0.2 - 2: vi phân lớp 0,5 - 0,9: hầu n h ư p h iế n rất mòng Vài mm: rất mòng < 0,2: vi p hân lớp hoậc phiến rất mòng 56 < 0,2: rất mòng <0,2: vi phân lớp 0,1 -0,4: phiến rất mòng Vài phán cùa mm: vi phán lớp các lớp theo bề dày phụ thuộc vào từng tác giá (báng 1). Ranh giói các khoảng phân loại khóng thống nhất, vì thế, tốt hơn cả là trong quá trình nghiên cứu cần nói bề dày cụ the cúa lừng lớp hoặc tập lớp (m ột số lớp). A. E. Mikhailov, 1958 dựa vào bề dày cúa lớp phán chia như sau: 10cm - lOOcm: phân lớp dày, vài cm: phân lớp trung bình, vài mm: phản lớp móng, và nếu phải sứ dụng kính hiển vi mới phát hiện được tính phán lớp thì gọi là phân lớp hiến vi. Nhìn chung có thế cho rằng các lớp có bề dày trên lm thuộc loại rất dày; từ 0.5 - lm thuộc loại dày; từ 0,1 - 0,5m thuộc loại trung bình; từ 0,02 - 0 ,lm thuộc loại mòng, và nhỏ hơn 0,02m thuộc loại vi phân lớp hoặc phán lớp rất móng. Bề dày của lớp thay đối mạnh ở các trầm tích hồ, sông hoặc nơi có dòng chày ngầm xáo trộn. Vì vậy sự biến đổi bề dày cùa lớp có thê cho thấy đặc điếm cùa mòi trường và quá trình trầm tích. Sự biến đổi bề dày theo một đơn vị khoảng cách gọi là gradient bề dày. 4.2.2. Phân loại theo hình dạng của lớp Dựa vào hình dạng của lớp người ta chia ra các loại sau đây: 4.2.2.1. Phàn lớp song song (parallel bedding) Hiện tượng phân lớp song song đặc trưng bới sự song song cúa các mặt lớp, bề dày thực của lớp không đổi, phản ánh môi trường, trầm tích và hoạt động kiến tạo ổn định. Phân lớp song song thường gặp trong các trầm tích biến, ớ hồ rộng, dưới mực tác dụng cùa sóng. Theo G. N. Sapphirov, 1965, có ba loại phân lóp song song là phân lớp vạch (có sự xen kẽ của các lớp mỏng với thành phần thanh học, cấu tạo, kiến trúc và màu sắc khác nhau), phân lớp gián đoạn (thể hiện trong phân lớp dày có các lớp mica, thực vật hoặc vật liệu vụn gián đoạn xen kẽ) và phân lớp dạng dái (có sự thay đổi các lớp mỏng thành phẩn khác nhau). Phân lớp dạng dải (lam ination) đặc trung bởi sự phân lớp với các lớp rất móng chỉ khoảng gần lcm. 4.2.2.2. Phán lớp h ìn h sóng (sinuous bedding) Phân lớp hình sóng đặc trưng là thành tạo ớ môi trường động, trên bề mặt các lớp có cấu tạo nếp nhăn hình sóng, do môi trường trầm tích chuyển động theo hai hướng khác nhau như thủy triều lên và xuống hoặc do sóng nước ở ven bờ. Hiện tượng uốn hình sóng xảy ra đối với cá một lớp. không phải chỉ có mặt lớp. 4.2.2.3. Phàn lớp xiên (cross bedding) Phân lớp xiên là phân lóp cùa các lófp bén trong nó lại có các thớ lớp mỏng bắt chéo vào nóc và tường của lớp nói trên theo những góc khác nhau thường từ 20° đến 30°. Phán lớp xiên chù yếu được thành tạo trong môi trường chuyển động theo một hướng, nơi có dòng nước cháy, hoặc do gió tạo thành. Dựa vào nguồn gốc thành tạo A. E. M ikhailov, 1958 và G. N. Sapphirov phàn chia ra các loại phân lớp xiên sau đây (hình 4.7a): 57 + Phân lớp xiên châu thổ: đặc trưng của phân lớp xiên châu thổ là các thớ lớp xiên càng xuống đến tường càng thoải, về phía nóc các thớ lóp xiên Irớ nén không rõ ràng, ớ đó xuất hiện các vật liệu hạt thô hơn. Phẩn trên của các thớ lớp xiên thường bị bóc m òn và giống nhu bị đáy của lớp bẽn trên cắt qua. + Phân lớp xiên ờ sông: phân lớp xiên sõng gồm các thớ lớp xiên có góc dốc không đổi và hướng theo dòng nước cháy. + Phân lớp xiên biển: phân lớp xiên ò biến có kích thước tương đối lớn. phạm vi phân bô của các thớ lớp xiên dày, các Ihớ lớp xiên khỏng dốc lầm. có nơi như bệ thừng vặn xoắn. Ớ môi trường trầm tích biến nông phân bô xiên tách biệt nhau hướng theo nhiều hướng có lẽ phù hợp với hướng cùa sóng. + Phân lớp xiên có nguồn gốc do gió: đày là loại phân lớp xiên không có quy luật, các thớ lớp xiên có bề dày thay đổi và phát triển theo nhiều hướng khác nhau. 4.2.2.4. P hán lớp dạng thấu kính (lenticular bedding) Phân lớp (dạng) thấu kính có rất nhiều kiểu khác nhau, đặc điểm chung là có bề dày thay đối. Mái và tường của lớp không song song và chập lại với nhau ớ một vùng nào đó. Về hình dạng khái quát, phàn lớp thấu kính có dạng thấu kính tức là bị vát nhọn Iheo mọi hướng, ở vùng ven bờ, phân lớp thấu kính chi có một đầu, trông giông như dạng nêm (hình 4.7b). a) ■\ Hình 4.7: a) Cúc loại phân lớp xiên (tlieo A. E. Mikhailov 1973) 1. Phán lớp xiên do sông; 2. Phàn lớp xiên clián tlìỏ; 3. Plián lớp xiên ờ biến 4. Phàn !ó'p xiên ở biển nông; 5. Phân lớp xiên do gió. b) Phân lớp thấu kinh, cấu tạo cliập vía và rách vía (Lé Như Lai, 1986) Phân lóp thâu kính thành tạo trong điều kiện môi trường nước hoặc gió thay đổi hướng chuyên động một cách nhanh chóng, đặc biệt gập trầm tích sông, hồ. đầm lầy. vũng vịnh hoặc ven biển. Rất ít khi gặp phân lớp thấu kính vùng nước sâu. Ở nhũng vùng nhu vậy hiện tưọng phân lớp thấu kính chi xuất hiện khi có dòng nước ngầm. Ỏ Iihữna vùns nước yên tĩnh, phân lớp thấu kính có thể xuất hiện nếu như hiện tượng vận chuyến vật liệu trám tích hạt 58 thỏ có tính chu kì. Phân lớp thấu kính tạo nên cấu tạo tách vỉa và chập vỉa. Ở hình 4.7, giả sứ thấu kính !à cuội kết, xung quanh nó là than, thì điém A có thê xem là điẽm (tiong khong gian là dường) tách vỉa, điểm B là điểm chập vỉa, từ hai vỉa than chập lại lam mọt (Le Như Lai và nnk, 1986). 4.3. CẤU TẠO M ẶT LỚP TRAM t í c h Trẽn mặt lớp có nhiều cấu tạo phức tạp, có quy mò và nguồn gốc khác nhau. Nghiên cứu câu mo mặt lứp cho phép xác định nguồn gốc và thê nằm cúa các lớp trầm tích, cũng như đặc điếm của môi trường thành tạo. Những dạng cấu tạo thường gặp trên mặt l(íp là vết gợn, khe nứt nguyên sinh, dấu vết hoạt động của sinh vật, vết giọt mưa, vết tinh thế nước đá, v.v... 4.3.1. Vết gợn Dựa vào điều kiện thành tạo người ta chia ra các loại vết gợn (ripple - mark) sau đây (hình 4.8): a ) b ) c ) Hình 4.8: Các loại vết gợn a) \'ết gợn dòng; b ) vết gợn sóng: c) vết gạn gió. 4.3.1.1. Vết gợn dòng Vết gợn dòng (current ripple - mark) là vết gợn do dòng chảy tạo nên,các gờ thường nhó nhưng đinh gờ sắc. Các gờ cắt ngang hoặc chạy dọc theo hướng chày, chúng sắp xếp như mái lợp ngói. Trong mặt cắt ngang các vết gợn sóng không đối xứng. Tỉ lệ chiều cao h và chiểu rông / của gơn là: a = — = 4-Ỉ-5. h 4.3.1.2. Vết gọn sóng Trong các loại vết gợn, vết gợn sóng (ware or oscillation ripple - mark) có kích thước nhó nhất, đinh nhọn hai sườn gờ không đôi xứng, sườn dốc hơn hướng về phía bờ. Vật liệu hat thỏ tâp trung ớ phần thấp giữa hai gờ, tỉ sô' a = — = 3 + 5. Vết gơn sóng chỉ tổn tai ở trên h mặt lớp, chúng khác với phàn lớp hình sóng có dạng sóng cả bên trong cùa lớp. Các trầm tích ớ vùng biển nòng, đặc biệt vùng hổ, ví dụ trầm tích Neogen ở Na Dương (Lạng Sơn) có các cấu tạo vêt gọn rất điển hình. Các vết gợn gặp ớ vùng này uốn lượn nhẹ theo một phương, phát triến khòng liên tục, có chiểu cao của gợn từ 1 - 2 cm , chiểu rộng từ 3 - 6 cm. 59 4.3.1.3. Vết gợn gió (w ind ripple - mark) Vết gợn gió là loại vết gợn do gió tạo nên. Loại vết gợn này có kích thước tương đỏi lớn, các gờ thường có dạng uốn cong, các vật liệu hạt thường tập trung ớ đinh cùa gờ. Ti sốa = — = 12 - 1 4 . h Khi nghiên cứu vết gợn cán chú ý phân biệt chúng với các cấu tạo có hình dạng tương tự gọi là thớ nhíu. Các thớ nhíu có kích thước nhó thường gặp trong đá biến chất. Thớ nhíu là sán phẩm cùa hiện tượng ép nén xảv ra trong quá trình biến chất, ít nhiều có liên quan với hiện tượng trượt biên độ nhỏ. 4.3.2. Khe nứl do khô cạn (mud or sun cracks) Khe nứt do khô cạn là loại khe nứt nguyên sinh thành tạo ờ nóc cùa lớp do hiện tượng khô cạn cúa môi trường trám tích tạo nên. Khi hình thành lóp tiếp theo thì vật chất lấp đầy vào các khe nứt nguyên sinh cùa lớp bẽn dưới. Các khe nứt nguyên sinh có dạng hình sao hoặc hình đa giác, mớ rộng về phía nóc của lớp và vát nhọn về phía trụ của lớp (hình 4.9). Hình 4.9: Klie nin Iig u v ê n sinli Khe nứt nguyên sinh hình thành do sự khò cạn, cho nên kèm theo hiện tượng thành tạo khe núi là hiện tượng phai (làm giám bớt hàm lượng) cacbonat. làm cho mặt lớp bị cứng, tách ra và làm cho đá đổi màu, thường có màu đó. Các khe nứt nguyên sinh (primary jointing) có thể còn xuất hiện ờ dưới nước, do sự co thể tích cùa đá vì một nguyên nhãn nào đó. Chúng có dạng hình sao. thường xuất hiện ớ giữa lớp. Ớ những miền bàng giá, do quá trình đóng bàng, thể tích cùa nước tăng, gày phá hủy và tạo ra các khe nứt nguyên sinh trona đá. 4.3.3. Dấu vét hoạt động của sinh vặt và của môi trường Trẽn mặt lớp đôi khi còn tìm H ư ớ n g c t i à y thấy dâu vết hoạt động cùa các - *“ sinh vật cổ đương thời (lúc mặt lớp được thành tạo). Có nhiều vết nổi trên mặt lớp rất phức tạp, gọi là dâu vết "chữ cổ" B ù n (hypoglyph) (trông giông như . 7 Hình 4.10: Cấu tạo khuôn dáy ựlute casts) dạng rãnh. chữ cổ) và các vết bám đáy. Các vết này hay gặp ở phần cao của các lớp cát kết hoặc đá cacbonat trong các tầng cấu tạo 60 phân nhịp (flish). Chúng có thể là vết bò của sinh vật, vết đất chảy ngầm, các luống bào mòn xuất hiện khi lớp chưa cứng thành đá. Sự lồi lõm, tạo rãnh trên mặt lớp lại là cơ sở đê cho trụ cùa lớp thành tạo về sau in lên, như kiếu dúc khuôn. Những vết đó trụ cùa lớp trên nên còn gọi là các dấu vết ở đáy (bottom markings). Tùy theo hình dạng dấu vết cùa đáy, chúng có thể là vết đúc rãnh (flute casts), đó là những vết do sự tích tụ của cát vào các vùng lõm có dạng cái muôi (spoon - shaped depessions) nằm trên lớp bùn, khi dòng chảy có tốc độ cao dưa tới (hình 4.10) hoặc cũng có thể có hình dạng phức tạp. Hình dạng cùa cấu tạo cho thấy hướng cháy cúa dòng. Đó là hướng đi từ cánh thoải sang cánh dốc cùa cấu tạo gờ (hình 4.10). Ớ mặt lớp nằm dưới cũng như ớ đáy của lớp nằm trên còn có cấu tạo lồi lõm do cát lấp vào các hố nhỏ cùa mặt lớp sét, giống như cát nén chặt vào chỗ mềm cúa lớp nàm dưới. Các cấu tạo như vậy gọi là các vết in do trọng lực (load casts). Cấu tạo này thường nằm rải rác, biệt lập trên lớp bùn. Nếu như các lớp bùn phía dưới tạo ra những gờ nhọn hướng lên phía trên và cát tích tụ xung quanh xuyên xuống lớp bùn thì người ta gọi là cấu tạo ngọn lửa (flame structure). Trên mặt lớp còn có các cấu tạo dòng bị lấp đẩy (channel structure hoặc scour and fill structure), đó là các luống, rãnh, kênh do dòng chảy đào khoét, chủ yếu được lấp đầy bới cuội hoặc đôi khi còn thấy các vật liệu trầm tích hạt nhỏ hơn. Các dấu vết giọt mưa cổ cũng có thể tìm thấy trên mặt lớp, thường có dạng bán cầu, có trục nghiêng theo hướng gió vào lúc mưa v.v... Trong thực tế còn có nhiều dấu vết khác, khi nghiên cứu cần quan sát kĩ phát hiện giải thích nguồn gốc và điều kiện thành tạo của chúng. Ớ nóc cúa lớp thường gặp lối đào vào và lối ra của sinh vật (giun), các vỏ sinh vật thường nằm úp xuống do sự cân bằng bền tạo ra bời dòng nước, rễ cây mọc theo hướng từ nóc đến trụ của lớp. Các dấu vết nói trên thường gặp trong trầm tích Trias, trầm tích Neogen... ở Việt Nam, đặc biệt trong Neogen vùng Na Dương, Lạng Sơn. Các dấu hiệu ớ đáy cũng như ở mặt lớp được sử dụng để xác định thứ tự thành tạo và thế nằm của các lớp. 4.4. CẤU TẠO M ẶT CỦA ĐÁ PHUN TRÀO Các đá phun trào được thành tạo từ dung nham nóng chảy phun ra ngoài thành dòng chảy. Khi động năng gây ra hiện tượng chảy (phụ Ihuộc vào tốc độ phun từ họng núi lửa. sườn dốc của địa hình và trọng lượng của dung nham) bị triệt tiêu, tức là dòng dung nham không chảy nữa, hình thành một lớp phun trào phủ trên các đá có trước. Mặt lớp phun trào này có đặc điểm là có nhiều lỗ rỗng, bọt khí, do đó mặt lớp thường xốp, có nhiều lỗ hổng (vesicles cavities) tạo ra cấu tạo lỗ hổng, cấu tạo bọt (vesicular structure). Mặt khác, do có nhiếu lỗ hống trên mặt lớp phun trào nên bề mặt của chúng lồi lõm. dễ gẫy vỡ, tạo ra một đới dãm, gọi là dãin kết dinh dòng cháy (flow top breccia). Khi lớp phun trào nguội đi, thể tích của chúng giám , tạo ra các khe nứt nguyên sinh (primary jointing), làm cho mặt lớp nứt nẻ, tạo thành các khôi, đặc biệt đối với các dòng dung nham ờ dưới nước. Khi đó các 61 lớp dung nham bị nứt tách dạng gối gọi là dung nham dạng gối (giống như cái gói. cái đệm) (pillow lavas) và cấu trúc như vậy gọi là cấu trúc dạng gói (pillow structure). Khi dòng dung nham di chuyển thì các vật liêu bị nó cuốn theo thường năm phía dưới cùa dòng chảy, vì vậy đáy cúa dòng (lớp) phun trào thường có thành phấn phức lap hơn. Khi dòng dung nham kết tinh, một số tinh thế đã kết tinh trước cùng các chât nặng (thường chứa nguyên tố Fe, Mn...) chìm xuống đáy của lớp: vì thế phần trẽn mật thường có tính axit hơn. ít hạt khoáng vật (đã kết tinh) hơn. nghĩa là nhiều thúy tinh hơn v.v... 4.5. MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC TANG p h â n l ớ p Khi nghiên cứu các bồn trầm tích, người ta chú ý đến quan hệ giữa các lớp lấp đầy trong đó với nhau cũng như với đá móng cổ hơn. Người ta chia ra ba kiểu thế nằm sau đây: 4.5.1Ế Thẻ nàm biên tiến (transgressive) Đặc trưng cùa kiếu thế nằm biển tiến là diện phàn bô cùa đá trẻ ngày càng m ò rộng. Các lớp đá trẻ không chỉ phù trẽn các lớp trầm tích được thành tạo ngay ò giai đoạn trước mà còn phú lên móng đá cổ. Như vậy, ớ rìa bồn trũng sau khi khoan qua một vài lớp đá trẻ là đã đến móng. Cột địa tầng lỗ khoan ớ vùng rìa vì thê khòng đầy đù. Chí có ớ vùng trung tâm cùa bồn trũng, cột địa tầng lỗ khoan mới có dầy đù các tầng cùa các trám tích phù trẽn đá móng. Hình 4.11 minh họa kiểu thê nằm này. Bồn trũng được lấp dáy bới các trầm tích Trias sớm, giữa, muộn. Trong mặt cắt tháy rõ các trầm tích Trias giữa phu rộng hơn các thành tạo Trias sớm và các trầm tích Trias muộn lại phú rộng hơn các thành tạo T nas giữa. Hình 4.11: Thê nằm biên tiến. Hình 4.12: T hế nằm biến tlioái ớ vùng có thế nằm biển tiến lỗ khoan ớ vùng trung tâm có đầy đu các phán vị đìa tầng và trong cột địa tầng ấy theo thứ tự từ dưới lên trẽn kích thước các hạt trầm tích nói chung nhỏ dần. Kiếu thế nằm biển tiến đặc trưng cho các bồn trũng(có thế là hồ, biển) sụt lún láu dài. sau đó nâng lên nhanh chóng, biến mờ rộng phạm vi ra xung quanh. Quá trình biển liến có thể chia thành hai giai đoạn. Giai đoạn đầu gọi là giai đoạn biển xàm hav bíén lấn (ingressive), nước biến tiến vào làm ngập vùng địa hình thấp như châu thò. thuns lũng, sông, tạo ra các lớp trầm tích biển phủ trực tiếp trẽn trầm tích cháu thổ, đầm ven biên hoặc trầm tích sông. Giai đoạn sau. biên tiếp tục mớ rộng, phủ lên cá những m iền đia hình cao hơn kế cả miền đá gốc. 62 4.5.2. T h ế nám biển thoái (regressive) Đặc trưng cùa kiếu thế nằm biển thoái (hoặc biến lùi) là sự phân bô' cùa các lớp trẻ hơn ngày càng thu hẹp lại. Các lớp đá tré nói chung khóng phủ kín diện tích mà các trầm tích trước đó đã hình thành. Như vậy, cột địa tầng lổ khoan ờ rìa các bồn trũng cũng không đầy dú, thiếu vắng các trầm tích trẻ. Cột dịa tầng ớ trung tâm thường có đầy đủ các phân vị địa táng thành tạo trong vùng trũng và trong cột địa tầng ấy, nhìn chung theo hướng từ dưới lên trên, kích thước hạt cúa vật liệu trầm tích tăng dần (hình 4.12). Ớ hình 4.12 minh họa một cấu trúc biến thoái, trong đó trầm tích Trias sớm, Trias giữa và Trias muộn lần lượt thu hẹp lại. Kiểu thế nằm biến thoái hình thành khi mién nào dó sụt lún nhanh, sau đó từ từ nâng lên toàn bộ hay chí nâng lên ớ miền ven biển. 4.5.3. T hế nằm chuyên dịch (migrative) Thê nằm chuyển dịch ít gặp hơn, đặc trưng bới sự dịch chuyến cùa trung tâm bổn trầm tích theo một phương nào dấy. Diện phàn bố của các đá trẻ hơn có xu hướng phát triển về một phía nào đó (phía biển chuyến dịch hoặc phía biển tiến) và lùi dần ớ phía đối diện (phía biến thoái). Chỉ có một đới nhất định, cột địa tầng lỗ khoan có thế có đủ các phân vị địa táng, ở vùng biển càng ngày càng lùi xa lộ dần các đá trẻ với quy luật gần bờ bồn trũng nguyên thúy lộ ra các đá cổ hơn. Trái lại ớ vùng biển chuyển dịch tới, à gần bờ là đá trẻ nhất (hình 4.13). Vì vậy có thể xem kiểu thế nằm chuyển dịch là kiêu trung gian giữa hai kiểu nói trên. Thê nằm chuyên dịch thành tạo khi hai phía (đối diện) cùa bồn trũng có hướng chuyển động thảng đứng trái chiều nhau, biển dịch dẩn về phía vỏ Trái Đất hạ xuống. H ư ớ n g c h u y ể n d i c h T . B i n h đ ồ H ình 4.13: Thế H ầm clmyên dịcli. Hiện tượng biển tiến, biển thoái hay biển chuyển dịch có thế xảy ra đơn độc hoặc xảy ra vào nhũng thời gian khác nhau ớ ngay một bồn trũng. Vào thời gian này có thể có hiện tượng biển tiến, sau đó lại là biến thoái, rồi lại biển tiến v.v... M uốn xác nhận các quá trình ấy cần phân tích chi tiết các cột địa tầng lỗ khoan ờ nhiều vị trí khác nhau, cũng như vẽ bản đồ xem xét sự phàn bỏ cùa các tâng lừ cổ đến trẻ trong một bồn trũng, đồng thời không thể không chú ý đến việc phân tích địa động lực và kiến tạo khu \ ực. 63 4 6 . ĐIÊU KIỆN THÀNH TẠO BỂ DÀY TRAM t í c h Nhiều nhà địa chất cho rằng độ dày Irầm tích chù yếu liên quan với hiện tượng vận động kiến tạo theo phương thẳng đứng của vỏ Trái Đất. cụ thể là cùa đáy bồn trũng. Nêu như hiện tượng sụt lún xảy ra từ từ thì quá trình trầm tích xảy ra liên tục và tại một điểm nào đó trong bồn trũng cũng liên tục thành tạo một loại đá. Nếu phương chuyén động kiến tạo thay đổi, chẳng hạn vùng đó được nâng lên thì các trầm tích hạt thô hơn sẽ thay thê các trám tích hạt mịn hơn được thành tạo trước đó. Ngược lại. nếu một phạm vi nào dó trong bổn Irẩm tích bị sụt lún sâu hơn thì tại đó, các vật liệu hạt mịn hơn sẽ tiêp tục phu lẽn các trám tích hạt thó đã thành tạo ờ giai đoạn trước. Trong hai trường hợp nói trẽn, các trầm tích hạt thò thay thê các trầm tích hạt mịn hoặc ngược lại, nghĩa là đã có sự hình thành lớp mới. Nếu gọi vs là vận tốc sụt lún, Vj là vận tốc trầm tích thì khi vs > V ị, bồn trầm tích sụt lún mạnh, vật liệu trẩm tích liên tục tích tụ, các lớp trầm tích có bể dày lớn; khi vs < V, rõ ràng hiện tượng trầm tích kết thúc, bồn trũng trớ thành miền lục địa (đất liền); khi vs = V, bồn trũng liên tục tạo thành một loại đá, bé dày cùa lứp lớn. 4.7. THẾ NẰM NGANG CÚA CÁC LỚP 4.7.1. Nhận xét chung Các lớp trầm tích được thành tạo nói chung có thế nằm ngang hoặc hơi nghiêng. Ớ vùng biển, nơi môi trường trầm tích rộng lớn. các lớp trầm tích, hoặc phun trào dưới nước, nói chung có thế nằm ngang điển hình; mặt lớp phắng và rộng. Ở những vùng trầm tích nhỏ hẹp hoặc ớ ven biển, các lớp trầm tích nói chuns có thế nằm nghiêng hoặc hơi nghiêng. Một hồn trầm tích bao giờ cũng có đáy không bằng phẳng. Các vật liệu trầm tích đáu tiên lấp đầy vào vùng thấp cúa đáy bồn trũng và nơi không bằng phẳng, tạo ra các lớp đầu tiên có cấu tạo rất phức lạp. Sau khi địa hình được san hằng, các lớp trầm tích tiếp theo, nói chung, có thế nằm ngang điển hình. Ớ nhiéu bổn trũng, đáy bổn trũng thường uốn cong dạng lòng chảo, cho nên các trầm tích được thành tạo có thế nằm hơi nghiêng về phía trung tâm cùa bồn trũng. Sườn dốc cùa địa hình và tác dộng của trọng lực là nguyên nhãn dẫn đến thê nằm nghiêng nguyên sinh này. Đối với vùng rộng lớn, có thế xem thế nảm ban đẩu của đá trầm tích là nằm ngang. Sự thay đổi thế nằm ngang ban đầu có thê’ do đặc điem địa hình, nhưng chú yếu lại do hoạt động kiên lạo xảy ra sau quá trình trầm tích. Tuy nhiên, không phái các đá có thê nằm ngang đều là đá trầm tích hoặc thế năm ngang là thế nãm ban đầu cùa đá trầm tích. Có những vùng do đất đá bị uốn nếp vẫn có thể tạo ra thế nằm ngang cùa các lớp, chẳng hạn như phần vòm cùa các nếp uổn hình hộp. Cũng có nhà địa chất quy định thế nằm ngang là thế nằm có góc dốc nhỏ hơn 1". 4.7.2. Đậc điếm cùa vùng có thế nám ngang Vùng các lớp nằm ngang có đặc điểm là bất kì một điém nào đó cùng ờ trén nóc hoặc cùng ớ trên trụ cùa cùng một lóp hoặc cùna một phân vị địa tầng cũng có độ cao tuyệt đói 64 như nhau. Vì vậy ranh giới cúa các lớp hoặc các phân vị địa tầng nằm ngang trong các bản đồ địa chất đều song song với đường đồng mức; ở nơi địa hình cao nhất lộ ra các đá trẻ nhát; ớ nơi địa hình thấp nhất lộ ra các đá nằm ngang có tuổi cổ nhất (hình 4.14). Các lỗ khoan thắng đứng ở vùng có thế nằm ngang luôn luôn gặp ranh giới cùa cùng một lớp ớ cùng một độ cao tuyệt đối. Chính vì ranh giới sóng lượn theo các đường đồng mức, nên bé dày cùa các tầng hoặc cấc lớp nằm ngang có thể xác định dựa vào các đường đồng mức liên quan với chúng. Đối với những bản đồ địa hình không vẽ đường đồng mức, có thể nhận ra các lớp có thế nằm ngang, nếu như ranh giới cúa các lớp hoặc các tầng viền đều theo các dòng sông suối. Hình 4.14: Bàn đồ địa chất vùng có thê Hằm ngang. ơ những vùng có thế nằm ngang, ranh giới của lớp có bể dày lớn khòng thê hiện trên địa hình, nóc của lớp đó nằm cao hơn mốc địa hình cao nhất và trụ cúa lớp đó lại thấp hơn mốc địa hình thấp nhất. Thế nằm ngang của lớp còn điến hình cho các trầm tích trẻ, đặc biệt là các trầm tích Neogen và các thành tạo Đệ Tứ. Điều này có thê nhận thấy trong nhiều mặt cắt, ví dụ các mặt cắt địa chất ờ vùng Biển Đòng, nơi đang được tìm kiêm và khai thác dầu khí. Thế nằm ngang của các trầm tích Kainozoi ò vùng này chỉ biến đổi ớ những vùng chịu ảnh hường của hoạt động núi lừa. hoặc chịu ảnh hướng tái hoạt động cùa đứt gãy dưới m óns. Sớ dĩ các trầm tích trẻ có thè nằm ngang vì sau khi chúng được thành tạo khòng có những hoạt động kiến tạo đáng kể xảy ra làm thay đổi thê nằm của chúng. 65 Do sườn cúa địa hình thường nằm nghiêng, cháng hạn nehiêng một góc p nào đó. cho nên khi đo bề dày cùa lớp nằm ngang ờ sườn địa hình ta dược trị sô là h2 theo địa hình, đó là độ dày biêu kiến. Bể dày thực h cùa lớp sẽ là: h = h 2 sin p . Đê thấy rõ cấu trúc cùa vùng có thế nằm ngang, người ta thường vẽ mặi cắt đi qua điểm có mốc địa hình cao nhất (lộ ra đá trẻ nhất) và nơi địa hình thấp nhất (lộ ra đá cổ nhất) hoặc đi qua lỗ khoan sâu nhấl để có thể có được tài liệu ớ dưới sâu. 4.8. THẾ NẰM NGHIÊNG CÚA CÁC LỚP 4.8.1. N hững vấn đé chung Thế nằm nghiêng của các lớp thể hiện ớ chồ các lớp đều nằm nghiêng vé một phía. Phạm vi các lớp nảm nghiêng về một phía người ta gọi là vùng có cấu tạo đơn tà (đơn nghiêng). Địa hình cùa những vùng như vậy gọi là địa hình đơn tà hoặc địa hình cuesta (cuesta). Trên đường ra Quáng Ninh, nhìn vẻ khu mỏ than M ạo Khê hoặc trên dường đi Na Dương, nhìn lẽn núi Mẫu Sơn có thể thày các bức tranh điển hình vể dạng câu trúc này. Các lớp cát kết, cát kết thạch anh trong tầng than hoặc các lớp cát kết dạng quaczil ớ vùng Mẫu Sơn do có tính cơ lí rắn chắc ít bị bào mòn nẽn chúng nhò cao lên và tạo ra các gờ rõ nét trên sườn núi; các lớp sét kết hoặc sét than, than dễ bị phong hóa, b| bào mòn, vật liệu bị lôi cuốn đi, tạo ra những vùng thấp hơn, lõm hơn. Địa hình nhấp nhỏ, chỗ cao, chỗ thấp và sườn địa hình nghiêng cùng vé một phía trông như ngói lợp là bức tranh điển hình vé cấu trúc cuesta ớ các vùng nói trên. Đói với các lớp nằm nghiêng, đế xác định chúng trong không gian, người ta chú ý đến các yếu tố thế nầm (attitude) của chúng. Như chúng ta đã biết, muốn xác định vị trí cùa một cấu tạo mặt (P) trong không gian, chi cần xác định giá trị phương vị hướng dốc và góc dốc cùa cấu tạo mặt đó là đù. Tuy nhiên trong các sách giáo Iỉình 4.15: Một sô yến tô'thể nằm cùa lớp. 66 khoa tiếng Anh (R. J. Twiss và E. M. Moores, 1992; v.v...) người ta chú ý đến một sô yếu tố sau đáy (hình 4.15). - Góc nằm ngang cúa đường phương (strike): đây là góc tạo bới giữa phương Bắc địa lí tới phương đó, thường được kí hiệu kèm theo phương địa lí cùa góc đó (3). - Đường phương (strike line) là đường nằm ngang trên mặt cấu tạo (mặt lớp) hoặc là giao tuyến của mặt nằm ngang với mặt lớp. Ớ hình 4.15, góc nàm ngang cùa đường phương (strike) là TB 40°. Góc phương vị của đường phương (góc tạo bới phương Bắc tới phương đó theo chiều thuận kim đồng hồ) là 140° và 320°. - Góc hướng dốc (trend of dip line) là góc nằm ngang tính từ phương Bắc địa lí đến hướng dốc theo chiều thuận kim đồng hồ (2 ). - Đường dốc (dip line) là giao tuyến của mặt lớp (cấu tạo mặt) với mặt thẳng đứng, cũng có nghĩa là đường vuông góc với đường phương và nằm trên mặt lớp. - Góc dốc (dip angle, đôi khi gọi tắt là dip) là góc giữa mặt phẳng nằm ngang và mặt lớp (góc nhị diện phắng giữa hai mặt này). - Hướng dốc (dip direction) là giao tuyến của mặt nằm ngang với mặt phảng thẳng đứng vuông góc với đường phương, cũng chính là hình chiếu của đường dốc trên mặt phẳng nằm ngang. Đôi với cấu tạo đường, trong các sách tiếng Anh, sứ dụng các thuật ngữ sau đày: - Góc hướng (trend) đó là góc nhọn tạo bới trục Bắc địa lí đến giao tuyến cùa mặt phẳng thắng đứng có chứa câu tạo đường với mật pháng nằm ngang. - Góc cắm (flunge) là góc giữa mặt phẳng nằm ngang và cấu tạo đường, đo trong mặt phẩng thẳng đứng chứa cấu tạo đường. - Hướng cắm (trend line, down plunge direction) là hình chiếu của cấu tạo đường trong mặt pháng thẳng đứng lên mặt pháng nằm ngang hoặc giao tuyến của mặt phầng nằm ngang với mặt phảng thắng đứng chứa cấu tạo đường đó. i B Những khái niệm nói trên tuy khõng có gì đặc biệt nhưng nén biết đê có thể tiếp cận nhanh chóng với các chương trình phần mềm vi tính dùng trong gia công các số liệu về cấu lạo mặt và cấu tạo đường của một sô nước sử dụng Anh ngữ. Như đã nói ớ trên, đối với cấu tạo mặt chí cần hai thông số là góc phương vị hướng dốc và góc dốc là đù dê xác định vị trí của chúng trong không gian. Đế biểu Hình 4.16: Ki hiệu thê nằm diễn cấu tạo mặt người ta dùng kí hiệu giống như chữ T. c"a ca" tao 'nat Thân chữ T chi phương vị hướng dốc, và như vậy nét gạch ngang đầu chữ T chỉ đường phương. Giá trị góc dốc được ghi bẽn cạnh, với quy ước các sô viết đứns theo chiều dọc cùa 67 hán đồ hoặc theo phương Bắc. Chảng hạn. tại điểm o ta đo được càu tạo mặt (m ãt lớp) có phương vị hướng dốc là a°, góc dốc là b°, ta ghi a/b. Để biểu diễn, ta hãy tướng tượng có hệ trục tọa độ vuông góc tại o , có trục tung song song với phương Bắc. Từ phương Bãc (B) ta quay thuận chiều kim đồng hồ một góc là a°, nói cách khác ta vẽ BOM = a ', (xuất phát từ OB, tức là từ phương Bác), sau dó kẻ đường vuông góc với OM tại o , ta được kí hiệu thê nằm có số đo a/b (hình 4.16). Nếu là cấu tạo đường ta chi cần vẽ đường O M . ghi số độ dốc bên cạnh theo quy clịnh về chiều chữ nói trên. Nếu góc dôc càng lớn thì đoạn OM càng dài và không dài hơn đoạn biểu diẻn đường phương (đoạn đi qua o vuóng góc với OM). Kích thước của đoạn biểu diễn đường phương theo quy ước thường từ 4 - 6 mm, đoạn biểu diễn hướng dốc từ 2 - 3mm. Đầu cùa đoạn biểu diển hướng dốc thông thường không ghi mũi tên. 4.8.2. Địa bàn địa chất 4.8.2.1. Đ ặ c điểm cấu tạo Để xác định thế nằm cúa các cấu tạo người ta dùng địa bàn địa chất. Địa bàn địa chất về nguyên tắc cũnp như địa bàn địa lí thông thường. Địa bàn địa chất khác với địa bàn địa lí trước hết ỏ vòng chia độ. Trong địa bàn địa chất vòng chia độ lại chia ngược chiéu kim đổng hồ. Việc chia ngược này giúp cho nhà địa chất đo thế nằm một cách thuập. lợi hơn, nhanh chóng và chính xác hơn. Ngoài ra, trong địa bàn địa chất còn có m ột số bộ phận chuyên dụng khác, đặc biệt là bộ phận dùng để đo góc nghiêng. Bộ phận này có dạng như một quá lắc (quả dọi) hoặc được thiết kế ngay bàn xoay cúa nắp địa bàn. Cạnh dài cùa địa bàn địa chất song song với trục Bắc - Nam của vòng chia độ. Ớ giữa vòng tròn chia độ có một trục nhọn, bển đê dỡ kim nam châm. Kim nam châm gắn với mọt vòng nhò ớ giữa và đặt trên trục nhọn và sắc nói trên. Trục nhọn và sắc này tạo điều kiện cho kim nam châm quay một cách nhạy cảm. 4.8.2.2. P hạm vi sừ dung Địa bàn địa chất thường xuyên sử dụng ờ ngoài thực địa, nên trong địa bàn địa chất có một bộ phận hãm kim nam châm, không cho nó dao động vào những lúc khóng sừ dụng để tránh làm mòn trục, dẫn đến số chì thiếu chính xác. Người ta cũng có thể dùng địa bàn địa lí đế đo góc phương vị của một phương, nhưng vì vòng chia độ lại chia thuận chiều kim đồng hồ, nên thao tác chậm và sô đo kém chính xác. Thật vậy, giá sử đo phương vị cùa phương AB bằng địa bàn địa lí ta "thao tác" như sau: Ta phái dưa tâm địa bàn đến điểm nào đó trên đường AB, xoay địa bàn sao cho kim Bắc của địa bàn chi đúng chữ Bắc (0°) trong vòng chia độ. G iữ nguyên như vậy. ta nhìn xem đường AB cắt vòng chia độ ớ sô nào thì số ây chính là góc phương vị cùa đườne phương AB. Đường AB cắt vòng tròn ờ hai điểm, nên đườne phương AB có hai giá trị. Hai giá trị hơn kém nhau 180° (hình 4.17). 68 Hình 4.17: Dùng địa bàn địa li (a) và địa bàn địa chất (h) dế do góc phương vị. ớ ngoài trời, giả sử ta có một mốc nào đó thấy được ớ ngoài trời và có vẽ trên bản đổ, muốn biết mốc đó ớ phía nào so với chỗ ta đang đứng. Ta cũng làm tương tự như trên. Trải bán đồ ra chỗ bằng phẳng, xoay bản đồ sao cho phương Bắc cùa bản đổ đúng phương Bắc do kim địa bàn chi. Đế lâm địa bàn vào vị trí đang đứng (đã biết trên bán đồ) sao cho đầu kim Bắc của địa bàn song song và trùng với phương Bắc của bán đồ. Giữ nguyên như vậy, ta lùi ra ngắm qua tàm cúa địa bàn đến mốc cố định đó. Đường ngắm này cắt vòng tròn chia độ của địa bàn ờ đáu, đó chính là góc phương vị của đường đi qua chỗ ta đứng và mốc đã biết ở ngoài trời, nói cách khác đó là góc phương vị cúa phương đi qua điếm quan sát và mốc nói trên. Dùng địa bàn địa chất (có vòng chia độ ngược chiều kim đồng hồ) đơn giản hơn nhiều. Chi việc hướng đầu Bắc của địa bàn về mốc đó, rồi nhìn kim Bắc (có thể hãm lại đế xem). Kim Bắc cùa địa bàn chỉ vào đáu trên vòng chia độ thì đó chính là góc phương vị của phương phải tìm. K hông cần phải chỉnh địa bàn. lùi ra để ngắm, chỉ cần bấm hãm kim đê xem. Rõ ràng địa bàn địa chất với vòng chia độ ngược chiều kim đồng hồ thuận tiện hơn địa bàn địa lí rất nhiều. Hình 4.17 giải thích rõ hơn những điều đã nói trẽn. Khi muôn đo phương vị của một cấu tạo đường ta chỉ cần đế phương Bắc của địa bàn hướng về phía dốc xuống của cấu tạo đường và giữ sao cho địa bàn nằm trong mặt pháng thẳng đứng và chứa cấu tạo dường đó. kim Bắc của địa bàn sẽ chi góc phương vị cùa cấu tạo đường cân đo. Hình 4.18: Xúc íliiih góc dốc cùa mặt lớp. 69 Bộ phận dùng để đo góc dốc thường là một quả lắc (quả dọi) và vòng chia độ 0 - 90 vê hai phía). Khi áp cạnh dài của địa bàn vào mặt lớp, sao cho địa bàn ờ vị trí thãng đứng có chứa đường dốc, lúc đó số chi của quá lắc chính là góc dốc của mặt nàm nghiêng định đo (hình 4.18). Góc nghiêng a cùa một góc được xác định bầng 0°OM trên vòng chia độ ớ phía cạnh dài của địa bàn địa chất. Trên hình 4.18. OM là hướng chỉ của quá dpi (vuông góc với mặt đất - mặt phẳng nằm ngang) 0°OM (ở đâyO°là góc 0° và o là tâm cùa địa bàn địa chất, nơi [reo quả lắc - kim chi), khi đó góc dốc bằng góc a vì đó là 2 góc nhọn có các canh tương ứng vuông góc với nhau từng đòi một. Muốn đo góc dốc của cấu tạo đường người ta đãt cạnh dài của địa bàn nằm nghiêng (song song) với cấu tạo đường, giữ cho địa bản nầm trong mặt phẩng chứa cấu tạo đường và vuông góc vói mặt pháng nằm ngang. Nói cách khác, đo cấu tạo đường cũng giỏng như đo góc phương vị và góc dốc của hướng dốc. Đối với địa bàn có vòng chia độ gán cố định với nãp địa bàn như những địa bàn sản xuất theo mẫu Clar người Áo. Nắp địa bàn mở ra xoay vòng chia độ xung quanh một trục. Khi đó thế nằm của lớp người ta chí cán để náp địa bàn song song với mặt lớp, giữ cho địa bàn nằm ngang (nhìn bọt thủy chuẩn) và đọc số đo góc dốc ờ vòng chia độ dựa vào nét vạch trên thân địa bàn. Khi chưa đo, nét vạch này chi vào sô không cúa vòng chia độ. Khi đo nắp địa bàn xoay quanh trục và vạch chi vào số độ của góc dốc (hình 4.19). Với cách làm như trên, đường nôi tâm trục xoay và vạch không độ trên bàn xoay ờ trục địa bàn (quay cùng với nắp địa bàn) song song với đường dốc, nên vạch ờ sườn của địa bàn chỉ vào số nào, thì số đó chính là góc dốc của mật lớp. Hình 4.19: Dùng địa bàn có vòng chia độ ở trục xoay đ ể đo góc dốc. Địa bàn địa chất còn được dùng để đưa số liệu đo được về th ế nằm cùa các dạng cấu tạo lẻn trên bản dồ. M uốn vậy người ta đặt bản đồ ớ nơi bằng pháng (chảng hạn trên mật bàn), dùng địa bàn để chinh cho phương Bắc của bán đồ quay đúng vé phương Bác. Chẳng hạn tại điểm o ta đo được thế nằm cùa cấu tạo mặt là 40/30. Đế biểu diễn th ế nãm này 70 ta để cạnh dài của đia bàn đi qua điểm o , sau đó xoay địa bàn xung quanh o cho đến khi kim Bắc cùa địa bàn chi 40°. Kẻ từ o theo cạnh dài cùa địa (i bàn về phía Bắc của vòng chia độ một đoạn dài 2 - 3mm. Đoạn đó chỉ phương vị huớng dốc (40°). Ké đường vuông góc với đoạn nói trên cân đối về hai phía cùa o, dài 4 - 6 mm. Đoạn đó chí đường phương của cấu tạo mặt có thế nằm là 40/30. Góc dốc 30° được viết sát phần biểu diễn hướng dốc Hinh 4 2 0 : Biểu diên th ế nằm với con số 30 được viết theo chiều Bắc của bản đồ bằng địa bàn địa chất (hình 4.20). Việc đưa thế nằm lên bản đổ, lẽ dĩ nhiên, có thê dùng thước đo góc. Địa bàn địa chất còn dùng đê xác định vị trí nghiên cứu trên bản đồ khi đang khảo sát ớ thục địa. Nguyên tắc của phương pháp này là giao hội hoặc dùng khoảng cách. Ở phương pháp giao hội cần tìm 2 mốc cô định ớ ngoài trời. Hai mốc đó phái có trong bản đồ cầm đi thực địa. Từ chỗ đứng nghiên cứu. hướng đầu Bắc của địa bàn về mốc nào đó, ví dụ mốc A (hình 4.21), số chỉ cùa kim Bắc cho ta biết mốc A ớ về phía nào so với chỗ ta đứng, kim Nam cho ta biết ta ớ về phía nào đối với mốc đó. Cũng như vậy với mốc B. Tim chỗ đứng (gọi là định điếm ) bằng cách, giả sử chỗ đó ớ Tây Nam 250" cùa mốc A và Đông Nam 140° của mốc B thì trên bán đồ từ mốc A và mốc B ta vẽ các phương đi qua A và B có góc phương vị lần lượt là 250°, 140°. Hai đường đó giao nhau tại c . c lả điểm cần tìm. Ở đây có thể xem c vừa nằm trên phương đi qua A với góc 250°, vừa nằm trên phương đi qua B với góc 140", nên c phải nằm trên giao điếm của chúng. Phương pháp giao hội còn gọi là phương pháp "quỹ tích". Nếu như ta biết điểm c cách A là 200m chẳng hạn, thì trên đường phương đi qua A với góc phương vị là 250° ta chọn 1 điểm c , cách A (theo ti lệ bản đồ) là 200m. AC = 200 m IIìn/i 4.21: Plurơng pháp định điểm. 71 Khi sử dụng địa bàn địa chất trước hết cần xem các bộ phận cùa địa bàn có hoại động bình thường không, đặc biệt cần xem 0° trong vòng chia độ (hoặc 360°) có nầm đúng ở vị trí đánh dấu trong địa bàn hay không, vì trục Bắc Nam của vòng chia độ phải song song với cạnh dài của địa bàn. Trong trường hợp vùng nghiên cứu có độ từ thiên lớn. là y chăng hạn, không thể xem góc phương vị địa từ (đo bằng địa bàn) bằng góc phương vị địa lí (đế đưa lên bán đồ), mà phải điều chính. Giá sử vùng có độ lệch từ thiên Đông là y, nghĩa là phương Bắc địa từ ớ về phía Đông cúa phương Bắc địa lí và tạo với phương Bắc địa lí một góc là y. Nếu góc phương vị địa từ cùa phương L là a thì góc phương vị địa lí là a + y. Ngược lại vùng có độ lệch từ B ắ c đ í a t ừ Hỉnh 4.22: Độ lệcli từ thiên. thiên Tày là Ỵ, nếu phương L có góc phương vị địa từ là a thì phương vị địa lí cùa L là a - y (hình 4.22). Đế tránh phải cộng trừ từng số liệu, khi sử dụng địa bàn địa chất người ta xoay vòng chia độ đi một góc Y xung quanh dấu vạch trục Bắc Nam (song song với cạnh dài địa bàn ớ rìa ngoài vòng chia độ), ơ vùng có độ lệch từ thiên Đông, người ta quay vòng chia độ ngược chiểu kim đồng hồ một góc là y (độ lệch từ thiên). Ớ vùng có độ lệch từ thiên Tây cần quay ngược lại. Ớ Bắc bán cầu. kim Bắc cùa nam châm bị hút mạnh hơn, tạo thành một góc 9 so với mặt phầng nằm ngang, làm cho kim bị chúc xuống, không chuyển động được. Góc 0 dó gọi là độ từ khuynh. Muốn khử độ từ khuynh, người ta đeo vào kim nam châm một vòng đối trọng. Khi 0 lớn thì vòng đôi trọng cẩn được kéo xa trục nam chàm . Ớ Nam bán cầu thì xừ lí ngược chiểu (hình 4.23). Đ e o g i a t r ọ n g Đ ẩ u N a m k im n a m c h à m b ị h ú t m a n h h ơ n Hinh 4.23: Độ lệcli từ khuynh. 72 v à o đ ầ u B ắ c k im n a m c h â m đ ể k im n ằ m n g a n g 4.8.3. M ột vài phương pháp xác định thế nàm và vị trí của các lớp nàm nghiêng 4.8.3.1. P h ư ơ n g p h á p c ụ li chiếu Phương pháp này thường dùng để xác định vị trí của vỉa trên bán đồ. Giả sứ chúng ta có một cấu tạo mặt (nóc hoặc tường của lớp). Trẽn hình 4.24 mặt đó kí hiệu là p. c ắ t p bới các mặt P |, P2, P3,... song song với nhau và cách đều nhau một đoạn là h. Nếu P |, P2, P3,... là mặt nầm ngang, thì giao tuyến của chúng với p là các đường AA, BB. cc,... Chúng chính là đường phương của mặt phẳng p. Chiếu các giao tuyến này xuống mặt nằm ngang P' ta được các đường A 'A \ B'B', C'C',... Khoảng cách giữa các đường A'A', B'B', C'C',... giả sứ bằng a, a được gọi là cự li chiếu của các đường phương. Nếu góc dốc của p là a thì: a = hcotga. Như vậy a phụ thuộc vào khoảng cách giữa các mặt song song cách đều (h) và phụ thuộc vào góc dốc a của mặt lớp p mà không phụ thuộc vào địa hình. Quan hệ giữa a và h là quan hệ tỉ !ệ thuận. Quan hệ giữa a và a là quan hệ ti lệ nghịch. Khi a = 0, lớp nằm ngang, a = 00 (không xác định) và khi a = 90°, cotga = 0, a = 0. Điều này giải thích tại sao phương pháp cự li chiếu chỉ áp dụng cho các cấu tạo mặt nằm nghiêng 0 < a < 90°. p p Người ta sử dụng phương pháp cự li chiếu để vẽ diện lộ cúa lớp, của vỉa lên bán đồ. Chúng ta hãy tướng tượng, nếu P |, Pi, P3,... là những mặt phẳng song song cách đều nhau thì chúng được xem như là nhũng mặt đẳng cao của từng mức cao (đồng mức). G iao tuyên của các mặt này với địa hình chính là các đường đồng mức. Đẽ có được a thì khoảng cách giữa hai đường đồng mức h phải nhận biết được trẽn bản vẽ, tức là tính theo ti lệ bản đồ. chúng phải có trị số là một khoảng nào đấy. Vì thê ti lệ bản dồ có ý nghĩa quan trọng. Nếu ti lệ quá nhó, h sẽ rất nhỏ. việc sử dụng phương pháp cự li chiếu không có hiệu quà. Mặt khác nếu p uốn lượn hoặc a luôn thay đổi thì cũng không thể sứ dụng được phương pháp cự li chiếu. Vì thê phương pháp này chỉ sử dụng trong phạm vi thê nằm cúa lớp (via) ổn định, không bị uốn nếp. đứt gẫy phá hủy, trên các bản đồ có tỉ lệ lớn. 4.83.2. T a m g iá r vỉa Diện lộ có dạng chữ V trên bản đồ của lớp nằm nghiêng gọi là tam giác vỉa. Tại điểm M trẽn bán đổ lộ ra nóc ciia một vỉa than, thế nằm đo được là 185/30. cần tìm đường lộ của vỉa 73 than (vẽ trên bản đổ). Nếu không nắm được kiến thức về tam giác vỉa có thế cứ dò theo đường phương đế tìm nơi vỉa lộ ra hoặc đào (phóng) hào hố theo đường phương đê tìm chúng ớ thực địa. Làm như vậy chắc chắn sẽ lãng phí và không gặp được V ia . M uốn xác định vị trí của vỉa chúng ta phải sứ dụng phương pháp tam giác vỉa. M uón vậy, chúng ta dể ý đến tỉ lệ của bản đồ, chẳng hạn bản đổ tỉ lệ 1 : 2 0 0 0 , các đường đồng mức cách nhau, ví dụ lOm. Hãy tìm cự li chiếu a. Vẽ các đường song song cách nhau một khoảng là h bằng khoảng cách giữa hai đường đồng mức trên bản đổ, tính theo tỉ lệ bản đồ. K hoảng cách đó là !0m, tính theo tỉ lệ 1: 2000 là h = íimnn. Vẽ một dường thẳng d tạo với các đường song song nói trên một góc là a (góc dốc cúa vía). Trẽn hình 4.25 ta thấy đường thăng d cắt các đường song song ớ A. B, c. Hình chiếu của AB hoặc BC trên các đường song song chính !à cự li chiếu a. Đường vuông góc với mặt giấy tại A. B.... là đường phương (còn gọi là đường phuơng chiếu) cùa vỉa, d chính là đường dốc của vía. 30 H ì n h 4.25: Xúc địnli dường lộ via. Bán đồ tì lệ ì : 2000. Dường (lồng nước cách nhau lOm (tlieo A. E. Mikhailov, J973). Trên bán đổ, tại M ta biếu diẻn thế nầm 185/30 cùa via. Kéo dài đoạn biếu diẻn hướng dốc ngược chiều hướng dốc của vía. Trên đoạn kéo dài ấy người ta chia ra từng đoạn là a. Vẽ các đường song song với đường phương (theo kí hiệu của thế nằm). Các đường song song này chính là các dường phương chiếu. Via sẽ lộ ra nơi giao nhau cùa đường phương chiếu và dường đồng mức có cùng độ cao. Nối những điểm lộ cúa via ta được đường lộ via (hình 4.25). Nếu điểm M không nằm đúng trẽn đường đồng mức thì ta vẽ các đường đồng mức phụ trợ đi qua M, sau đó lại tiến hành vẽ theo nguyên tắc nói trên. Bàng phươno pháp cự li chiếu chúng ta đã vẽ được đường lộ cùa nóc via hoặc ranh giới giữa nóc via với đá nằm trên chúng. Từ đó có thể vẽ được đáy cùa vỉa. nếu biết chiều dày cúa via. T ươns tự như vậy, nếu vẽ được trụ (tường) của vỉa thì cũng có thê' vẽ được nóc cùa vỉa. G iả sứ 2ÓC dốc 74 cùa vỉa là (X, góc dốc của địa hình là p, bề dày của vỉa là h, bề dày biêu kiến trẽn đìa hình là h2 (đoạn DF trên hình 4.26) thì đoạn cần phải vẽ trẽn bản đồ là D 'F có thể tính theo công thức: D'F' = — hC0S^ , (Lê Như Lai, 1977) sin (p ± a ) Dấu cộng trong trường hợp hướng dốc của vỉa khác chiều hướng dốc cùa địa hình, dấu trừ trong trường hợp hai hướng nói trên cùng chiều (hình 4.26). 90m 80m H ì n h 4.26.Ẻ Xác định bé rộng của via trên bản dồ. H ì n h 4.27: Xúc dị nil góc clốc của cấu tạo mặt. Nếu biết được đường lộ vỉa (nóc hay tường cùa vỉa); chúng ta có thể xác định được thế nằm của via. Đây chính là bài toán ngược cúa ví dụ nêu trên. Dựa vào sự giao cắt cùa các đường phương chiếu với đường đồng mức và ti lệ bản đồ, ta có thể xác định được góc phương vị hướng dốc và góc dốc. Đường nối các điểm giao cắt của vỉa với cùng một đường dồng mức chính là đường phương. Dựa vào phương Bắc của bản đổ, dễ dàng xác định được góc phương vị của đường phương. Hướng dốc được vẽ vuông góc với đường phương, có chiều đi từ đường phương cao đến đường phương thấp. Biết được hướng dốc, lại dựa vào phương Bắc xác định được góc phương vị của hướng dốc. Để xác định góc dóc ta vẽ hai đường song song cách nhau một đoạn là h, với h là độ cao cùa hai đường đồng mức liên tiếp trong bán đổ và tính (heo tỉ lệ bản đồ. Cự li chiêu a đo trên bán đổ. Trên đường phương chiếu ỏ' cao độ 90m, lấy 1 đoạn AB = a, B' là hình chiếu của B (rèn đường phương chiếu 80m. BAB' = a là góc dốc của vỉa. Nói cách khác, ta dựng một tam giác vuông có hai cạnh là a và h; a là góc nhọn kề với cạnh a của tam giác vuông đó (hình 4.27). Cũng có thể xác định a dựa vào công thức a = hcotga. Phương pháp tam giác via còn được áp dụng để xác định đường lộ của các dạng cấu tạo khác, trong những phạm vi nhát định, thỏa mãn các điều kiện cùa tam giác vỉa (thế nằm cùa cấu tạo mặt ổn định, bán đồ tỉ lệ lớn). Nghiên cứu về tam giác via người ta nhận thấy có môi liên hệ giữa hình dạng chữ V với thế nằm của lóp và dặc điểm địa hình (Lê Như Lai. 1977). Dưới đây chỉ là một ví dụ. 75 Chúng ta biết rằng giao tuyến của mặt phẳng với mặt cong là một đường cong. Mặc dù mặt lớp phẳng khi lộ ra ở sườn cong của một quả đổi, giao tuyến giữa chúng lại là dường cong dễ lám với một nếp uốn (hình 4.28). Trong trường hợp vía và địa hình dốc cùng chiều, nếu chiếu mặt của một lớp nào đó lên trên bình đồ thì có thê thây rằng dạng chữ V có mũi nhọn của tam giác ớ nơi địa hình cao ngược chiều với thê nằm cúa cấu tạo mặt. ơ nơi địa hình thấp mũi nhọn cùa chữ V cùng chiều với hướng dốc cùa vỉa. Ngược lại, nếu hướng dốc ngược chiểu vói hướng dốc của địa hình thì ờ nơi địa hình cao, hướng chỉ của chữ V ngược chiều với hướng dốc và nơi địa hình tháp, hướng chi cùa chữ V cùng chiều với hướng dốc (hình 4.28). // M ặ t lớ p / P h ố i c ả n h H ì n h 4.28: Nếp uốn giả. 4.8.4. Xác định thế nằm của lớp dựa vào tài liệu ba lỗ khoan Giá sử có ba lỗ khoan A, B, c. Miệng lỗ khoan A ớ độ cao tuyệt đối là 500m. khoan sâu 400m thì gặp vỉa than. Tương tự như vậy ớ lỗ khoan B và c ta có các sô' liệu lần lượt là 550m, 460m và 520m, 400m. Độ cao tuyệt đối cùa vỉa tại ba lỗ khoan A. B, c lần lượt là 500m - 400m = lOOm; 550m - 460m = 90m và 520m - 400m = 120m. B a) A(100m) H ì n h 4.29: Xác định hướng dốc (a) và góc dốc (b). 76 Nối hai lỗ khoan có độ cao tuyệt đối của vỉa cao nhất và thấp nhất, ở đây là B và c. Chia đoạn BC ra làm 3 phần ứng với điểm D và E, thì D tương ứng với 100m và E tương ứng với 1 lOm. A và D có cùng độ cao nên AD cho biết đường phương cúa vía than. Hướng dốc cúa vỉa vuông góc với đường phương và có chiều từ cao đến thấp. Ké BF vuông góc với AD (tại F)’ FB là hướng dốc, chiều đi từ F đến B (hình 4.29a). Để xác định góc dốc cùa vỉa ta vẽ 2 đường (phương chiếu) song song với nhau ớ mức 90m và 100m và cách nhau một khoảng là h. h là khoáng cách giữa hai đường đồng mức nói trên (100m - 90m) tính theo tỉ lê bản đồ. Trên đường 100m lấy đoạn AB = /. B' là hình chiếu của B trên đường 90m. BAB' chính là góc dốc của vỉa than (hình 4.29b). Nếu chưa biết có thể xác định theo định nghĩa (góc a trong hình 4.29a). 4.9. THÊ NẰM ĐẢO CỦA CÁC LỚP (overturned bedding reverse position) 4.9.1. Định nghĩa và ví du Như chúng ta dã biết thế nằm bình thường cùa các lớp là thế nằm có các kíp thành tạo trước (cổ hơn) nằm dưới, các lớp thành tạo sau (trẻ hơn) nằm trên; như vậy các lớp trong thế nằm bình thường có mái nằm trên tường. Ớ thế nằm đảo, các lớp trẻ nằm dưới, các lớp cổ hơn lại nằm trên và trong một lớp đáy (tường) lại nằm trên mái. Thế nằm đáo là thế nằm của các lớp đã bị biến dạng mạnh, góc dốc của lớp lớn hơn 90°. Những lớp như thế thường gập ớ vùng hoạt động kiến tạo mạnh mẽ, hình thành các nếp uốn hoặc đứt gẫy rất phức tạp. Ta có thể lấy ví dụ như ờ vùng mỏ apatit Cam Đường, Lào Cai. Ớ đây, các nhà địa chất Pháp cho rằng có bốn vỉa apatit nằm song song với nhau. Những kết quả nghiên cứu chi tiết của chuyên gia Liên Xô A. F. Kalmircov (1959), cho thấy ờ Cam Đường chỉ có một vỉa apatit bị uốn nếp đảo và bị các đứt gầy nghịch phá hùy nên trong mặt cắt có thể lặp đi lập lại nhiều lần. Phần vòm của các nếp uốn đã bị bào mòn cho nên khòng thấy được hình dạng cùa các nếp uốn. Quá trình khai thác về sau ớ vùng Mỏ Cóc (Cam Đường) đã chứng minh được quan điếm chỉ có một vỉa apatit bị uốn nếp là hoàn toàn đúng đắn (hình 4.30). T hế nằm đáo còn gặp ớ những vùng có cấu trúc địa di, nơi có các khối đá từ xa đưa đến (allochthonous). H ình 4.30: 7 hê nằm đào của vía apatit ở vùng Cam Dường, Lào Cai. 77 4.9.2. Cơ sở xác định thế nằm đảo Muôn khắng định có thê nằm đảo thì phải chứng minh được hiện tượng đá già năm trêr đá tré hoặc tường của một lớp nằm trên mái của nó. Người ta chú ý đẽn các dấu hiệu sau đây: 4.9.2.1. D ự a vào việc x á c định tuổi 4.9.2.1.1. Dựa vcìo lập hợp hóa dá Nếu ờ một vùng nào đó. trên cơ sớ nghiên cứu các hóa đá có thế khăng định dược tuổi tương đối của các phân vị địa tầng, lại thấy tập chứa hóa đá tré hơn nằm dưới tập chứa hóa đá cổ hơn thì có thể xem là một dấu hiệu cùa thế nằm đáo. Phương pháp xác định thế nằm dáo dựa vào hóa đá cũng không đơn giàn vì lập hợp các hóa đá giữa tầng dưới và tầng trên thường thay đổi không đáng kể, ít khi tìm được những hóa đá chi đạo (điển hình) đù đẽ khẳng định tuổi các phân vị địa táng, các lớp hoặc các tập lớp. Mặt khác cũng cán phải xem xét giữa hai tầng có chứa hóa đá chí đạo ây, tầng cổ nằm trên tầng tré có phai là do đứt gầy tạo nên hay không. Nếu chúng là sản phẩm cùa đứt gầy thì không thê kết luận quan hệ giữa chúng là quan hệ thê nằm đáo. 4.9.2.1.2. Dựa vào việc xác dinh tuổi tuyệt dối Trong một số trường hợp có thể dùng các phương pháp phân tích luổi tuvệt đối đế tìm hiểu tuổi của lớp nằm dưới và lớp nằm trên. Tuy nhiên phương pháp này tôn kém. độ chính xác không cao dẫn đến độ thuyết phục không lớn. 4.9.2.1.3. Dựa vào quan hệ xuyên cắt cùa các th ể magma v ể nguyên tắc có thê dựa vào quan hệ xuyên cắt của các thể m agm a đê xác định quan hệ về tuổi giữa hai tập lớp. V í dụ ờ mặt cắt nào đó lớp A có các mạch thạch anh nhiệt dịch xuyên cắt, trên chúng là lớp B không có biểu hiện tương tự, sau đó lại gặp lớp bị thạch anh xuyên cắt (hình 4.31) thì có thê nghĩ đến hiên tương thê nằm đảo do ... , _ . Hình 4.3Í: Xíic định thé nẳm đào uốn nêp. 1 uv nhiên trương liợp như vậy rất hãn hữu và chưa thật chắc chắn, vì rất có thế các lớp bị mạch thạch anh xuyên cắt là do tính chất cơ lí của chúng. Các đá rãn hơn, trong quá trình biến dạng nứt nẻ với các khe nứt thuận lợi cho sự xuyên nhập cùa các dung thể magm a, còn 1 ầhữiig lớp mềm dẻo hơn thì ít có các khe nứt thuận lợi cho sự xuyên nhập đó. Nếu quá thực hai lớp chúa các mạch thạch anh nói trên chi là một, thì giữa lớp A và B phái có mộl gián đoạn trầm tích. Hoạt độna nhiệt dịch xảy ra vào thời gian gián đoạn đó, trước khi lớp B được Ihành tạo. Vì vậy trong trường hợp này phải nghiên cứu chi tiết quan hệ giữa hai lớp. thành phần thạch học. cảu tạo. kiến trúc cùa các lớp. 78 4.9.2.2. D ự a vào c ấ u tạo b é n trong c ủ a lập lớp h o ặ c c ủ a lớp và t á n g đ á n h d ấ u Thế nằm đáo không phải chỉ xảy ra với một lớp mà với một tập lớp (một sô lớp). Cán nghiên cứu chi tiết cấu trúc ớ ngoài trời dọc theo một mặt cắt nào đó. Khi nghiên cứu cần chú ý đến tính lặp lại cúa một lập lớn, nếu như có thé kháng định dược sự lập lại cúa mội tập lớp không thê hiện tính phân nhịp và có dú cơ sờ chứng minh dược tập lập lại dó chính là tập đã có trong mặt cắt. Ví dụ mặt cắt nào dó ta găp từ dưới lên các lớp lần lượt là 1, 2. 3 tiếp theo lại là 3, 2, 1, rồi lại 1. 2, 3... thì có thê nghĩ đến cấu trúc uốn nếp đảo. Khi đó cần phải nghiên cứu chi tiết cấu trúc bằng các phương pháp câu tạo nhỏ (xem xét thớ chẻ, khe nứt, tiếp xúc, quan hệ giữa các lớp, v.v...) hoặc bằng phương pháp thạch học cấu tạo, lấy mẫu định hướng v.v... Trong những trường hợp như vậy cần cố gắng phát hiện tầng đánh dấu. Đó là tầng có tính cơ lí, màu sắc, thành phần khoáng vật, cấu tạo, kiến trúc, tổ hợp hóa đá, sự có mặt của các vật chất lạ (nếu có), đặc tính nứl né, thậm chí cả vết rêu bám v.v... khác hán vói các tầng, các lứp xung quanh và lại phổ biến trong phạm vi tương đôi lộng và dễ nhận biết. Các tầng đánh dấu có giá trị trong công tác đo vẽ bán đồ địa chất cũng như có thể dựa vào chúng để xác định thế nằm là bình thường hay là đảo. Ví dụ, có tầng đánh dấu A, tầng này nằm trẽn lớp sét kết B, trong mặt cắt lại thấy có nơi sét kết B lại nằm dưới tầng A, thì có thể nghĩ đến một thê nằm đảo (hình 4.32). T ầ n g đ á n h d ấ u A Hình 4.32: Xác dịnlì tliếIiằm đảo dựa vào láng đánh dấu A. Đối với các lớp phân lớp xiên, dựa vào góc cúa các thớ lớp xiên với các mặt lớp chính cũng có thể xác định nóc và trụ cùa lớp. Các thớ lớp xiên thường thoải về phía trụ cũng như có các hạt thô hơn ớ phía trụ và bị bào mòn phú cuội lèn ớ phía nóc. Đ ây chính là cơ sớ xác định nóc hoặc tường của lớp, dựa vào đó có thê kết luận về thế nằm của lớp có phân lớp xiên. Đối với các lớp có cấu tạo định hướng, ví dụ như sự sắp xếp cùa các hạt cuội, có thể dựa vào tính định hướng này để tìm hiểu thê nằm cùa đá. Các hạt cuội thường sắp xếp định hướng ngược chiều dòng chảy. G iả sử sự định hướng của chúng như vẽ ờ lớp A, quan sát lớp B ớ gần đó, nếu thấy sự định hướng của các hạt cuội định hướng ngược lại, chúng ta có thể nghĩ đốn thế nằm đảo và nên tiếp tục tìm thêm các dấu hiệu đê xác dinh chúng. Các cấu tạo vi phàn lớp. hoặc sự rải rác một sô hạt cuội, một loại cuội đặc biệt nào đó chắng hạn thấy chúng luôn luón nằm gần đáy của lớp, đến đây lại thấy chúng nằm sát nóc của một lớp lương tự... cho ta dự đoán khá năng có thế nằm đáo. Đương nhiên, cũng như đã nói ớ trên, phải tìm thèm các dấu hiệu khác đê kết luận có đú sức thuyết phục. 79 1 Đ ả o B i n h t h ư ờ n g Ilinh 4.33: Dấu hiệu tliếIiằm đảo. I . Dựa vào pliân lớp XIén; 2. Dựa vào sự định hướng cùa cuội; 3 Dựa vào vi plìún lớp; 4. Dựa vào sự phán bô cùa cuội. 4.9.2.3. D ự a vào các d ấ u hiệu ờ m ặ t lioặc đ á y lớp Các đặc điểm cấu tạo của mặt lớp như vết gợn. vết chữ cố, khe nứt do khô cạn. vét hoạt động sinh vật, vết giọt mưa v.v... Các vết này năm ớ mặt (nóc) của lớp. Nếu như, trong không gian lại thấy chúng nằm dưới trụ của lớp thì đó chính là thế nằm đảo. Hình 4.34 thê hiện các thế nằm đáo dựa vào cấu tạo mặt lớp. Nếu MI cùa lớp A phát hiện dấu vết chữ cổ, dấu vệt giọt mưa, vết gợn hoặc vết hoạt động cúa sinh vật cổ v.v... thì có Ihế khắng định về thê nằm đảo cúa lớp A. Nếu thấy lớp A nào đó, trên mặt M | có các khe nứt do khò cạn, khe nứt nàv vát nhọn về phía M9 thì có thê kháng định Mị là mái (nóc) cùa A và M2 là đáy (tường) của A. Rõ ràng đáy là thế nằm đáo. Đối với đá phun trào nếu thấy phần vỡ vụn, đá có nhiều bọt hoặc mafic hơn nàm ớ dưới thì đó là thế nãm đảo. Hình 4.34: Xác định tliê nằm đáo dựa vào cấu tạo mặt lớp. Người ta cũng có thê dựa vào mặt bào mòn (giữa tầng) đẻ xác định thế nằm đảo cua lớp; các vật liệu hạt thô thường lấp đầy vào phần lõm của mặt bảo mòn nên ờ thế nằm bình thường, trên mặt bào mòn, đặc biệt là trên mặt bào mòn cùa đá hạt mịn thường có các hạt cuội, các đá hạt thô. Ngược lại nếu như lại thấy ổ, túi, các đá hạt thô nằrn dưới mặt bảo mòn, thì đó chính là thế nầm đào (hình 4.35). Đê xác định thế nằm đảo trong các nếp uốn đáo người ta còn chú ý nghiên cứu chi tiết thớ chẻ và khe nứt, cũng như sự định hướng quang học thạch anh v.v... Về phần này chúng ta sẽ nghiên cứu ớ các chương sau. 80