Geologické struktury jsou výsledkem deformačních procesů a jejím studiem se zabývá strukturní geologie. V širším slova smyslu studuje nejen struktury deformační (sekundární), které jsou výsledkem působení tektonických procesů (viz. kapitola 2.3 – Teorie litosférických desek), ale také celkovou architekturu – stavbu litosféry, včetně vzájemných prostorových a genetických vztahů prvotních a sekundárních struktur.
Tektonické síly působící v litosféře (včetně zemské kůry) jsou vyvolány celkovou dynamikou vnitřních sfér Země (její celkovou energetickou bilancí, především tepelnou a gravitační energií). Jejím nejzřetelnějším vyjádřením je mobilita jednotlivých litosférických desek, tak jak je známa z geologické minulosti a jak ji lze dnes měřit metodami satelitní geodézie (obr. 2.3.2). Na rozdíl od litostatického napětí (vypočítá se obdobně jako hydrostatické napětí podle známé rovnice s=h.r.g, kde h – hloubka, r – hustota a g – gravitační zrychlení), které je izotropní (všesměrné), vytváří tektonické síly anizotropní napěťové pole, kde platí nerovnice: s1 > s2 > s3. Charakter tohoto napětí nejlépe vyjadřuje napěťový elipsoid (obr. 6.1.1). Vymezit lze tlaková, tahová a smyková (střižná) napětí. Výsledkem působení tektonických napětí je přetvoření (angl. strain), které lze měřit a obdobně i toto prostorové přetvoření vyjádřit elipsoidem přetvoření. Vliv na konečné přetvoření (finite strain) však nemá jen velikost a charakter napěťového pole, ale především petrofyzikální – reologické vlastnosti samotné horniny. Ty navíc významně ovlivňují podmínky (především teplota, litostatický tlak a rychlost deformace – čas, tj. celkové p,T,t podmínky) za nichž k deformaci dochází.
Z tohoto pohledu se rozlišuje deformace křehká a duktilní (také často ne zcela správně označovaná jako plastická). Mezi těmito krajními případy je široké pole deformací duktilně-křehkých. Vzájemný vztah lze nejlépe vyjádřit prostřednictvím tzv. deformačních diagramů (obr. 6.1.2), vyjadřujících vzájemný vztah mezi přírůstkem napětí a přetvořením.
Zjednodušeně platí, že podmínky křehkého přetvoření platí ve svrchní kůře blízko zemského povrchu. Duktilní deformace je dominantní v hlubší kůře a plášti, kde úzce souvisí s podmínkami metamorfózy, případně s parciální anatexí (částečným natavením) hornin.
Typickým příkladem křehké, nespojité deformace jsou pukliny a křehké zlomy. Naopak vrásy a flexury odpovídají spojitým deformacím (duktilním, případně plastickým; obr. 6.1.3).
Do této kategorie patří flexury a vrásy, které představují tvarově i geneticky velmi pestrou skupinu tektonických struktur.
Jako flexury se označují nejjednodušší spojité struktury vytvořené nahodilým, neopakujícím se, případně nepravidelně se opakujícím ohybem vrstev, metamorfních foliací atd. Flexury bývají často spojeny se zlomy a kernými pohyby podél nich. Jsou reakcí nejčastěji plastických sedimentárních formací, případně jen dílčích vrstev (obr. 6.2.1) na poklesy rigidních ker a bloku podloží. Na rozdíl od vrás, které jsou výsledkem tlakového namáhání, mohou takto vznikat flexury i v extenzním napěťovém režimu.
Vrása (obr. 6.2.2) v nejjednodušší podobě je spojitá tektonická struktura, v níž jsou vrstvy, nebo jiná deskovitá geologická tělesa deformována do tvaru, jehož příčný řez je podobný sinusoidě. Na rozdíl od flexur jsou vrásy charakterizovány periodickým opakováním a vytvářením většinou regionálně rozsáhlých vrásových systémů.
U vrásy se rozlišuje antiklinála (část vyklenutá nahoru) a synklinála (část vyklenutá dolů). Část vrásy spojující antiklinálu a synklinálu se nazývá rameno vrásy nebo také vrásové křídlo (obr. 6.2.3). Horniny uvnitř antiklinály se označují jako jádro antiklinály, přičemž platí, že v jádře antiklinály jsou vrstvy starší a obdobně v jádře synklinály vrstvy mladší. Toto stratigrafické kriterium antiklinály a synklinály je zcela zásadní pro jejich klasifikaci. Pokud toto stáří není známo, jedná se o antiformu, resp. v opačném případě o synformu.
Důležitou součástí popisu vrásové struktury je její geometrizace. Ta vymezuje především vrásovou osu, která je totožná s linií maximálního zakřivení (tzv. zámkovou linií) antiklinály (obr. 6.2.3 a 6.2.4), resp. synklinály a dále osní rovinu vrásy. Podle pozice osní roviny se vrásy klasifikují jako přímé, šikmé, překocené (obr. 6.2.7), ležaté a ponořené (obr. 6.2.5). Podle velikosti úhlu sevřeného rameny vrás (obr. 6.2.6) se vrásy dělí na rozevřené (120-180°), otevřené (70-120°), zavřené (30-70°), sevřené (5-30°), izoklinální (0-5°) a zaškrcené - hřibovité (záporná hodnota úhlu ramen a další specifické rysy).
Důležitým klasifikačním kritériem vrásové stavby je dělení vrás na vrásy cylindrické (válcové – obr. 6.2.8) a vrásy konické (kuželové, často označované jako brachyvrásy, obr. 6.2.9). Toto klasifikační kriterium je založeno na jejich celkové 3D prostorové geometrii. Jestliže se šířka vrás blíží jejich délce, označuje se antiklinální část jako kopule (dóm, obr. 6.2.10), synklinální jako mísa. S existencí konických vrás souvisí vyznívání a případně znovu nasazování vrás ve směru vrásové osy, jejich kulisovité uspořádání - vikarování. Často se lze také setkat, především v intenzivněji deformovaných oblastech, se superponovanými vrásami. Jsou výsledkem opakované polyfázové deformace – vrásnění. Geometrické vztahy obou, případně vícenásobných vrásových systémů mohou být velmi různé – od koaxiálních až po příčné vrásy.
Nespojité struktury jsou podmíněny vznikem nových plošných strukturních prvků (ruptur, fraktur, puklin, zlomů atp.) reprezentujících porušení souvislosti primárních geologických těles. Zpravidla se dělí na pukliny a zlomy. S jistými výhradami k nim lze zařadit i kliváž, která má však geneticky blíže k duktilním, duktilně-křehkým deformacím. Zásadní rozdíl mezi puklinami a zlomy je v kinematice. Na zlomech dochází k přemístění sousedních ker, bloků atd., u puklin nikoliv.
Pukliny představují nejběžnější typ porušení mechanické soudržnosti hornin a horninového masivu. Nejčastěji se vyskytují v souborech, v nichž se zpravidla řadí do dvou a více puklinových systémů (obr. 6.3.1, 6.3.2 až 6.3.3) různé geometrie (pozice v prostoru – orientace a sklonu) a často také geneze. Každý systém pak představuje geneticky stejnocenné a v zásadě paralelní pukliny.
Podle orientace pukliny k rovině vrstevnatosti, případně podle metamorfní foliace (obecně starším foliačním systémům v horninovém masivu) se pukliny dělí na kolmé, diagonální a paralelní (směrné) s těmito primárními systémy. Významným kritériem pro hodnocení puklinového porušení je četnost (frekvence) jednotlivých puklinových systémů (tj. jejich počet na jednotku délky měřeno kolmo na daný systém). Obdobný význam má kritérium průběžnosti. Průběžná puklina se nazývá ta (obr. 6.3.1), která prochází přes více než jednu vrstvu. Také tvar puklin (rovné, nerovné, zvlněné atd.) je z praktického hlediska důležitý. Velmi významným kritériem praktické klasifikace puklin je kritérium otevřenosti – tj. vzdálenosti stěn pukliny. Výrazně otevřené bývají především tahové pukliny, které bývají často vyhojeny minerály jako jsou křemen (obr. 6.3.3), kalcit atp.
Z genetického hlediska je jedním z nejpodstatnějších kritérií klasifikace puklin na základě jejich vztahu k složce napětí, která byla příčinou jejich vzniku. Porušení od normálové složky napětí podmiňuje vznik tahových, resp. tlakových puklin. Rozhodující a v přírodním horninovém masívu podstatně častěji vystupující jsou tahové pukliny. Vzácnost výskytu tlakových puklin souvisí s rozdílnou pevností hornin v tahu a tlaku. Pevnost horniny v tlaku je překročena většinou až v podmínkách zvýšené duktility, kde však již funkci tlakových puklin přebírá většinou kliváž. Velmi rozšířené jsou v horninách párové systémy střižných (smykových) puklin. Vedle puklin tektonického původu existují také pukliny, jejichž příčinou vzniku je např. dilatace spojená s objemovými změnami horniny. Typickým příkladem je vznik puklin podmiňujících sloupcovitou odlučnost čediče vznikající v souvislosti s chladnutím magmatu.
Zlomy geneticky souvisí se vznikem fraktur ploch porušení, podél nichž dojde ke zřetelnému posunu obou zlomem oddělených ker. Charakter relativního přemístění je současně základním klasifikačním kritériem zlomových struktur. Zlomy velmi často vytváří komplikované systémy, obvykle koncentrované do zlomových (dislokačních) zón. Jejich doprovodným rysem je přítomnost drcených, často nesoudržných pásem hornin označovaných jako kataklasity (dislokační brekcie) a mylonity („dislokační jíl“).
Zlomová plocha vymezuje dvě dílčí tektonické kry, z nichž ta, která leží nad zlomovou plochou je označována jako nadložní kra. Kra pod zlomovou plochou je krou podložní. U svislých (radiálních) zlomů (s úklonem 90°) toto označení ztrácí smysl. Podle vztahu zlomů ke směru vrstev a metamorfním foliacím se zlomy klasifikují obdobně jako pukliny - zlomy příčné, kosé a směrné. Směrné zlomy mohou mít pozici totožnou s vrstevními plochami. V tomto případě se jedná o vrstevní, resp. obecně intrafoliační zlomy, přičemž k posunu dochází nejčastěji po vrstevních spárách mezi jednotlivými vrstvami.
Základním klasifikačním kriteriem zlomových struktur je kritérium dynamických podmínek (obr. 6.3.4) v době jejich vzniku a především kinematické kritérium – relativní přemístění obou dislokovaných ker (obr. 6.3.5). Analyzuje-li se přemístění zlomových ker, činí se tak pomocí vektorů přemístění a jeho složek. Jednou z možností, jak jeho parametry zjistit je analýza tektonických lineací na zlomové ploše (dislokační ohlazy, tektonické rýhování, tektonická zrcadla, vleky vrstev atd.).
S přihlédnutím k orientaci hlavních tektonických napětí v době vzniku zlomu, se dělí zlomy na tahové, tlakové a střižné. Kategorii tahových zlomů s jistým zjednodušením odpovídají poklesy. Vzhledem k tomu, že vznikají, je-li maximální napětí orientováno subvertikálně, označují se někdy jako gravitační zlomy. Jsou definovány poklesem nadložní kry vůči kře podložní a vektorem přemístění totožným se spádovou přímkou. Velmi často vytváří systémy protiklonných poklesů struktury, označované jako tektonické příkopy (obr. 6.3.6), případně poklesy v kombinaci s flexurním ohybem - asymetrické příkopy (polopříkopy). Typickými strukturami příkopového charakteru s podkorovým dosahem limitujících poklesových zlomů jsou rifty (obr. 6.3.7). Jejich protikladem, vytvořeným relativně vyšší pozicí podložních ker, jsou hrástě, resp. polohrástě.
Zlomovými strukturami, vytvořenými na rozdíl od poklesů v kompresních napěťových polích, jsou přesmyky. Jsou definovány výzdvihem nadložní kry relativně vůči podložní kře. V případě úklonu přesmykové plochy menší než 30° bývají v české literatuře označovány jako násuny. Přesmyky vytvořené přetržením středního ramene vrásy jsou tzv. vrásové přesmyky.
Směrné posuny jsou zlomové struktury, u nichž dochází k posunům dílčích ker ve směru hlavní přímky subvertikální zlomové plochy. Často vytváří rozsáhlé, komplikované systémy párových zlomů značné směrné délky – tektonické zóny. Jejich vnitřní geometrie se vyznačuje kulisovitým uspořádáním dílčích zlomů v zóně.
Svým charakterem patří ke zlomovým strukturám tektonické příkrovy. Jako příkrov (obr. 6.3.8) se označuje ploché dalekosáhlé (podle některých autorů minimálně 5 km horizontální amplitudy, většinou však řádu n.10 km) přesunutí nadložní kry - alochtonu přes kru podložní - autochton. V české literatuře je stále uplatňováno dělení příkrovů na kerné a vrásové. Velmi časté jsou příkrovy odlepení. Vyvíjejí se v nezvrásněných sledech, kde se vytváří plochy odlepení – mezivrstevního skluzu, lokalizované především v plastičtějších sedimentech (např. jílovitých a slinitých horninách), případně na rozhraní hornin (vrstev, sedimentárních formací) s rozdílnými reologickými vlastnostmi. Významnou úlohu v transportu tak rozsáhlých horninových mas, jakými příkrovy jsou, sehrávají tlaky fluid uvolňovaných v souvislosti s litifikací sedimentů ve větších hloubkách kůry.
V případě vrásových příkrovů se předpokládá jejich vznik přetržením středního ramene rozsáhlých ležatých vrás. Dojde-li k zablokování čela příkrovů, vyvíjí se často tzv. čelní digitace (také tzv. duplexy) a obecně šupinová stavba (stavba dílčích příkrovů). Typickým reprezentantem příkrovové stavby na našem státním území jsou Vnější flyšové Karpaty.
Významným strukturním prvkem z hlediska charakteru strukturní anizotropie horninového masivu je kliváž (z angl. cleavage; obr. 6.3.9, 6.3.10, 6.3.11), která je představována hromadným výskytem ploch oslabené soudržnosti až její úplné ztráty. Je typem struktury, která má rysy disjunktivní tektoniky a současně však vnitřně přetváří horninu. Tato skutečnost souvisí s její genetickou podmíněností metamorfózou (rekrystalizací). Nově vytvořené klivážové plochy (domény) omezují nově vzniklá tělesa v hornině, označovaná jako litony případně mikrolitony. Rozvoj kliváže s narůstající metamorfózou dosahuje případně až stadia penetrativní (horninu celkově prostupující) kliváže, která přechází v metamorfní břidličnatost.
Zásadní význam tektonických struktur (zlomů, puklin, vrás a kliváže) pro inženýrskogeologickou a stavební praxi lze shrnout následovně:
znehodnocují vlastnosti hornin
zvyšují náročnost průzkumných prací a jejich rozsah
významně ovlivňují stabilitu svahů
velmi významně ovlivňují zákonitosti pohybu podzemních vod; na poruchová pásma jsou často vázány vývěry pramenů, včetně termálních vod
tektonické struktury, především zlomy, zvyšují dynamické účinky zemětřesení
v případě řady staveb, mj. především přehrad, poznatky o intenzitě porušení a prostorové distribuci zlomů a puklinových zón spolurozhodují o koncepci, pozici a typu přehrady
znalost tektonického porušení horninového masivu, charakteru strukturních poměrů, umožňují racionální přístup k vyhledávání, průzkumu a těžbě stavebních nerostných surovin.
ZPĚT NAHORU ZPĚT NA TEXTOVOU MULTIMEDIÁLNÍ ČÁST ZPĚT NA ÚVODNÍ STRANU
