Địa chất cấu trúc

Sử dụng và tầm quan trọng

Các nghiên cứu về cấu trục địa chất có một tầm quan trọng trong lĩnh vực địa chất kinh tế, cùng với cả địa chất dầu khí và khai thác mỏ. Các tầng đá bị gập và bị lỗi ở địa tầng thường tạo thành các loại bẫy tích tụ và cô đặc các dạng chất lỏng như dầu mỏ và khí tự nhiên. Tương tự, các khu vực phức tạp và có cấu trúc phức tạp đáng chú ý là các khu vực thấm đối với nhiệt dịch, dẫn đến các khu vực tập trung của các quặng kim loại đặc. Tĩnh mạch của các khoáng chất chứa các kim loại khác nhau thường chiếm các lỗi và gãy xương trong các khu vực phức tạp về cấu. Những vùng đứt gãy và đứt gãy có cấu trúc này thường xảy ra liên quan đến đá lửa xâm nhập. Chúng cũng thường xảy ra xung quanh các phức hợp rạn san hô địa chất và các đặc điểm sụp đổ như hố sụp cổ đại. Các loại đá quý vàng, bạc, đồng, chì, kẽm, và các kim loại khác, thường được tìm được ở những nơi phức tạp.
Địa chất cấu trúc là một phần quan trọng của địa chất kỹ thuật, liên quan đến các tính chất cơ lý của đá tự nhiên. Các loại vải cấu trúc và các khuyết tật như đứt gãy, nếp gấp, vết nứt và joints là những điểm yếu bên trong của đá có thể ảnh hưởng đến sự ổn định của các công trình kỹ thuật của con người như đập, đoạn cắt đường, open pit mỏ và underground mines và các đường hầm.
Rủi ro địa chất công trình, bao gồm cả rủi ro động đất chỉ có thể được điều tra bằng cách kiểm tra sự kết hợp giữa địa chất cấu trúc và địa mạo. Ngoài ra, các khu vực của cảnh quankarst nằm trên các hang động ngầm, khả năng có hố sụp hoặc các địa điểm sụp đổ khác có tầm quan trọng đặc biệt đối với các nhà khoa học này. Ngoài ra, các khu vực có độ dốc lớn là nguy cơ sụp đổ hoặc sạt lở đất rất nguy hiểm.
Các nhà địa chất môi trường và địa chất thủy văn cần áp dụng các nguyên lý của địa chất cấu trúc để hiểu cách các vị trí địa chất tác động (hoặc bị tác động bởi) dòng chảy và sự xâm nhập của nước dưới đất.  Ví dụ, một nhà thủy văn học có thể cần xác định xem sự rò rỉ các chất độc hại từ bãi thải có xảy ra trong khu dân cư hay nếu nước mặn thấm vào tầng ngậm nước.
Kiến tạo mảng là một lý thuyết được phát triển trong những năm 1960, mô tả sự chuyển động của các lục địa bằng cách phân tách và sự va chạm của các mảng vỏ. Theo nghĩa địa chất cấu trúc trên quy mô hành tinh, và được sử dụng trong toàn bộ địa chất cấu trúc như là một khuôn để phân tích và hiểu các đặc điểm quy mô toàn cầu, khu vực và địa phương.

Methods

Các nhà địa chất cấu trúc sử dụng nhiều phương pháp để (thứ nhất) đo hình học đá, (thứ hai) xây dựng lại lịch sử biến dạng của nó và (thứ ba) ước tính trường ứng suất dẫn đến biến dạng đó.

Geometries

Bộ dữ liệu chính cho địa chất cấu trúc được thu thập trong lĩnh vực này. Các nhà địa chất cấu trúc đo lường một loạt các tính năng phẳng (bedding planes, foliation planes, độ gấp các mặt phẳng trục, đứt gãy, and joints), và linear features (sự truyền dài, trong đó các khoáng chất được kéo dài một cách dễ dàng; một tính năng phẳng trên một bề mặt phẳng khác).

Measurement conventions

Độ nghiêng của cấu trúc phẳng trong địa chất được đo bằng chiếu lại và nhúng. Sự chiếu lại là đường giao nhau giữa đặc tính phẳng và mặt phẳng nằm ngang, được thực hiện theo quy ước bàn tay phải, và độ nhúng là độ lớn của độ nghiêng, bên dưới nằm ngang, ở góc phải để tấn công. Ví dụ; chiếu qua 25 độ Đông Bắc, nhúng 45 độ Đông Nam, được ghi là N25E, 45SE. 

Ngoài ra, hướng nhúng và nhúng có thể được sử dụng vì điều này là tuyệt đối. Hướng nhúng được đo theo 360 độ, thường theo chiều kim đồng hồ từ phía Bắc. Ví dụ, giảm 45 độ về phía góc 115 độ, được ghi là 45/115. Lưu ý rằng điều này giống như trên.
Thuật ngữ  hade 'đôi khi được sử dụng và là độ lệch của mặt phẳng so với phương thẳng đứng (90 ° -nhúng).
Plunge trục gấp được đo theo hướng nhúng và nhúng (nghiêm ngặt, plunge và góc phương vị của plunge). Hướng của mặt phẳng trục gấp được đo theo hướng chiếu và nhúng, nhúng và nhúng có phương hướng.
Lineations được đo theo hướng nhúng và nhúng, nếu có thể. Thông thường lineations xảy ra thể hiện trên một bề mặt phẳng và có thể khó đo trực tiếp. Trong trường hợp này, dòng dõi có thể được đo từ chiều ngang dưới dạng  rake  hoặc  pitch  trên bề mặt.
Cào được đo bằng cách đặt một thước đo góc phẳng trên bề mặt phẳng, với cạnh phẳng nằm ngang và đo góc của lớp lót theo chiều kim đồng hồ từ chiều ngang. Định hướng của lineation sau đó có thể được tính toán từ thông tin cào và tấn công nhúng của mặt phẳng mà nó được đo từ đó, sử dụng phép chiếu lập thể.
Nếu một lỗi có các lớp lót được hình thành do chuyển động trên mặt phẳng, ví dụ; slickensides, điều này được ghi lại như là một dòng dõi, với một cái cào, và được chú thích như là dấu hiệu cho thấy lỗi trên.
Nói chung, việc ghi lại thông tin đình công và nhúng của các cấu trúc phẳng theo định dạng nhúng / nhúng dễ dàng hơn vì điều này sẽ khớp với tất cả các thông tin cấu trúc khác mà bạn có thể ghi về nếp gấp, đường dẫn, v.v. phân biệt giữa dữ liệu phẳng và dữ liệu tuyến tính.

Sự kéo dãn

Lớp lót kéo dài được hình thành bằng cách shearing đá trong quá trình biến dạng không đối xứng của một khối đá. Kéo dài lineations ghi chủ yếu là vectơ của độ giãn lớn nhất, vuông góc với mặt phẳng nguyên lý của sự rút ngắn.
Một sự truyền dẫn kéo dài có thể được hình dung như một quả bóng của treacle (mật rỉ), khi được kéo, tạo thành một thanh hình xì gà song song với hướng mà nó được kéo. Điều này song song với hướng mà một lực cắt, như được tìm thấy trong một khu vực cắt, kéo dài tảng đá. Sự rút ngắn xảy ra cùng lúc với độ giãn dài nhưng theo nghĩa vuông góc với thanh kéo dài.
Với tham chiếu đến hình ảnh ở bên phải (trên cùng), các viên sỏi kết tụ rất có thể đã được lắng đọng dưới dạng đá cuội hình cầu phụ và các tảng đá. Trong quá trình biến dạng, đá bị san phẳng và sau đó bị kéo căng bởi sự di chuyển dọc theo một khu vực cắt dễ uốn trong đó phần nhô ra này nằm trong đó. Các viên đá cuội hình cầu kéo dài dọc theo hướng di chuyển của vùng cắt này, đạt được hình dạng xì gà có phần hơi phẳng hiện tại của chúng. Do đó, các viên sỏi ghi lại thông tin quan trọng về hướng của khu vực cắt (dưới đất) và hướng chuyển động của khu vực cắt, và sự thay đổi tổng thể về hình dạng viên sỏi từ hình cầu phụ ban đầu để kéo dài hình xì gà, cho phép người ta định lượng căng thẳng trải qua bởi khối đá trong quá khứ địa chất.
Các lớp lót kéo dài cũng có thể biểu hiện dưới dạng các đặc tính tuyến tính trên các bề mặt có sẵn như các lớp phủ trong các khu vực cắt (xem hình ảnh bên phải, bên dưới). Trong trường hợp như vậy, lineation có thể không rõ ràng trong kế hoạch và có thể yêu cầu đo như một cái cào trên bề mặt phẳng. Trong trường hợp này, hai lớp lót được hình thành trong cùng một sự kiện biến dạng nhưng được biểu hiện khác nhau do các lưu biến khác nhau của các đá biến dạng.
Cuối cùng, điểm khác biệt chính giữa lớp lót kéo dài và lớp lót giao nhau là lớp lót kéo dài không có thông tin về hướng của các loại vải fabrics khác trong một khối đá. Trong trường hợp các lớp lót được minh họa trong sa thạch, chúng không ghi lại sự biến dạng của sự kiện biến dạng trước đó và không thể được sử dụng để suy ra thông tin định hướng cho các nếp gấp hoặc giường gốc.

Quy ước mặt phẳng, vải, nếp gấp và biến dạng

Quy ước để phân tích địa chất cấu trúc là xác định  'cấu trúc phẳng' , thường được gọi là  vải phẳng  bởi vì điều này ngụ ý một
textural hình thành,  'cấu trúc tuyến tính'  và, từ phân tích những cái này, làm sáng tỏ  'biến dạng' 
Các cấu trúc phẳng được đặt tên theo thứ tự hình thành của chúng, với lớp trầm tích ban đầu thấp nhất ở S0. Thường thì không thể xác định
S0 trong các đá biến dạng cao, do đó việc đánh số có thể được bắt đầu bằng một số tùy ý hoặc đưa ra một chữ cái, (VD: SA)
Trong trường hợp có một bedding-plane phân lá gây ra bởi biến thái chôn cất hoặc diagenesis điều này có thể được liệt kê là S0a
nếu có các nếp gấp, chúng được đánh số là F₁, F₂, etc. Nói chung là phân lá mặt phẳng trục hoặc Cleavage
của một nếp gấp được tạo ra trong quá trình gấp và quy ước số phải khớp. Ví dụ: F₂ gấp nên có một trục folial. 
Các biến dạng được đánh số theo thứ tự hình thành của chúng với chữ D biểu thị một sự kiện biến dạng. Ví dụ: D₁, D₂, D₃. Các nếp gấp và sự hình thành, bởi vì chúng được hình thành bởi các sự kiện biến dạng, nên tương quan với các sự kiện này. Ví dụ: mặt phẳng, với các phân lá mặt phẳng trục sẽ là kết quả của biến dạng D ₂ Các sự kiện biến chất có thể kéo dài nhiều biến dạng. Đôi khi, rất hữu ích khi xác định chúng tương tự như các đặc điểm cấu trúc mà chúng chịu trách nhiệm, ví dụ:; M2. Điều này có thể có thể bằng cách quan sát porphyroblast hình thành trong sự phân tách tuổi biến dạng đã biết, bằng cách xác định tập hợp khoáng chất biến chất được tạo ra bởi các sự kiện khác nhau, hoặc thông qua địa thời học
Các lớp lót giao nhau trong đá, vì chúng là sản phẩm của giao điểm của hai cấu trúc phẳng, được đặt tên theo hai cấu trúc phẳng mà chúng được hình thành. Chẳng hạn, lớp lót giao nhau của sự phân tách và bộ đồ giường như là lớp lót giao nhau (còn được gọi là lớp lót tách lớp).
Các lớp lót kéo dài có thể khó định lượng, đặc biệt là trong các loại đá dễ uốn có độ co giãn cao, nơi thông tin folination tối thiểu được lưu giữ. Trong trường hợp có thể, khi tương quan với biến dạng (vì một số ít được hình 
thành trong các nếp gấp và nhiều trường hợp không liên quan chặt chẽ với sự hình thành phẳng), chúng có thể được xác định tương tự như bề mặt phẳng và nếp gấp. Để thuận tiện, một số nhà địa chất thích chú thích chúng với một chỉ số để phân biệt chúng với các dòng giao nhau, mặc dù điều này thường là dư thừa.

Dự đoán lập thể

Stereographic projection là một phương pháp để phân tích bản chất và định hướng của ứng suất biến dạng, đơn vị thạch học và vải thấm trong đó các đặc tính tuyến tính và phẳng (cấu trúc tấn công và đọc nhúng, thường được sử dụng bằng cách sử dụng
compass clinometer) đi qua một quả cầu tưởng tượng được vẽ trên hình chiếu lưới hai chiều, tạo điều kiện cho việc phân tích tổng thể hơn về một tập hợp các phép đo.

Cấu trúc vĩ mô đá

Ở quy mô lớn, địa chất cấu trúc là nghiên cứu về sự tương tác và mối quan hệ ba chiều của các phân vị địa tầng bên trong terranes  của các vùng đá hoặc địa chất.Chi nhánh địa chất cấu trúc này chủ yếu liên quan đến sự định hướng, biến dạng và các mối quan hệ của địa tầng (bedding), mà có thể đã bị lỗi, nếp uốn hoặc đưa ra một foliation bởi một số sự kiện kiến tạo. Đây chủ yếu là một môn khoa học hình học, từ đó có thể tạo ra  mặt cắt ngang 'và ba chiều' 'mô hình khối' 'của đá, vùng, đất nung và các bộ phận của vỏ Trái đất.
Nghiên cứu về cấu trúc khu vực là quan trọng trong sự hiểu biết tạo núi, kiến tạo mảng và cụ thể hơn trong dầu, Chất khí và Khoáng vật các ngành công nghiệp thăm dò như các cấu trúc như lỗi, nếp gấp và Bất chỉnh hợp là các biện pháp kiểm soát chính đối với khoáng sản quặng và bẫy dầu.
Cấu trúc khu vực hiện đại đang được điều tra bằng cách sử dụng địa chính chiếu sóng và địa chấn học phản chiếu trong ba chiều, cung cấp hình ảnh vô song về bên trong Trái đất, các đứt gãy và lớp vỏ sâu. Thông tin thêm từ địa vật lý như là tương tác hấp dẫn và từ tính trong không khí có thể cung cấp thông tin về bản chất của những tảng đá được chụp ở trong lớp vỏ sâu.

Metamorphic microstructure

Các nghiên cứu về cấu trúc đá biến chất nhằm xác định thời gian, trình tự và điều kiện biến dạng, tăng trưởng khoáng sản và in đè lên các sự kiện biến dạng tiếp theo trong các khoảng thời gian sau này.
Các cấu trúc vi mô biến chất bao gồm các kết cấu được hình thành bởi sự phát triển của foliation và in đè lên các quá trình hình thành  crenulations. Mối quan hệ của porphyroblasts cho đến foliations và tới dần các porphyroblasts khác có thể cung cấp thông tin về thứ tự hình thành các tập hợp biến chất hoặc facies của các loại khoáng sản.
Kết cấu Shear đặc biệt phù hợp để phân tích bằng các nghiên cứu vi cấu trúc, đặc biệt là trong các mylonites và các loại đá bị xáo trộn và biến dạng cao khác trong phân vực nghiên cứu.

Quá trinh chụp cắt lớp

Chụp cắt lớp địa chấn sử dụng các bản ghi địa chấn để tạo ra hình ảnh 2D và 3D của dị thường dưới bề mặt bằng cách giải quyết các vấn đề nghịch đảo lớn để tạo ra các mô hình phù hợp với dữ liệu quan sát được. Các phương pháp khác nhau được sử dụng để giải quyết sự bất thường trong lớp vỏ và thạch quyển, lớp phủ nông, lớp phủ và lõi dựa trên sự sẵn có của dữ liệu và các loại sóng địa chấn xâm nhập vào vùng có bước sóng phù hợp để phân giải tính năng. Độ chính xác của mô hình bị giới hạn bởi tính khả dụng và độ chính xác của dữ liệu địa chấn, loại sóng được sử dụng và các giả định được thực hiện trong mô hình.
Dữ liệu sóng P được sử dụng trong hầu hết các mô hình địa phương và mô hình toàn cầu ở các khu vực có mật độ động đất và địa chấn đủ. Dữ liệu sóng S và sóng bề mặt được sử dụng trong các mô hình toàn cầu khi vùng phủ sóng này không đủ, chẳng hạn như trong các lưu vực đại dương và cách xa các khu vực hút chìm. Thời gian đến đầu tiên được sử dụng rộng rãi nhất, nhưng các mô hình sử dụng reflected and refracted phases được sử dụng trong các mô hình phức tạp hơn, chẳng hạn như các hình ảnh lõi. Thời gian khác nhau giữa các pha sóng hoặc loại cũng được sử dụng.

Động học

Các nhà địa chất đã sử dụng các phép đo hình học đá để hiểu thêm về lịch sử biến dạng của các loại đá. Sự biến dạng này có thể có dạng đứt gãy giòn và uốn và uốn dễ uốn. Biến dạng giòn diễn ra ở lớp vỏ nông, và biến dạng dẻo diễn ra ở lớp vỏ sâu hơn, ngay tại nơi mà nhiệt độ và áp suất cao hơn.