Fałdy i pasma kolankowe (załomowe) — geometria, warunki powstawania, interpretacja (przykład z fliszu Karpat zewnętrznych)

Fa³dy i pasma kolankowe (za³omowe) — geometria, warunki powstawania,

interpretacja (przyk³ad z fliszu Karpat zewnêtrznych)

Jacek Rubinkiewicz*

Kink folds and kink bands — geometry, conditions of nucleation, interpretation (an example from the Outer Carpathian flysch). Prz. Geol., 53: 1040–1046.

S u m m a r y. Kink folds and kink bands are common structures which occur in metamorphic and sedimentary rocks. They have a specific geometry. Kink folds originate under layer — parallel compression. To nucleate those struc-tures, several conditions are necessary such as: multilayered material, high overburned pressure conditions and presence of initial perturbation. Different sedimentary and tectonic structures form initial perturbations, e.g, solemarks, fractures and faults. Knowing the locking angle of kink fold it is possible to determine the orientation of the maximum stress axis and the friction angle between the layers using a butterfly diagram.

Key words: kink folds, kink bands, butterfly diagram, Outer Carpathians

Celem niniejszego artyku³u jest przegl¹d wybranych, u¿ytecznych informacji na temat fa³dów i pasm kolanko-wych, a w szczególnoœci ich geometrii, mechanizmu i warunków powstawania oraz interpretacji. Przedstawiony bêdzie równie¿ przyk³ad analizy fa³du kolankowego z obszaru Karpat fliszowych.

Fa³dy kolankowe wystêpuj¹ w formie fa³dów o z³ama-nych, najczêœciej ostrych przegubach (ryc. 1), st¹d spoty-kana w polskiej literaturze nazwa fa³dy „za³omowe” (Jaroszewski, 1980).

Poza typowym opisem pasm kolankowych w podrêcz-nikach z zakresu geologii strukturalnej i tektoniki (np. Jaroszewski, 1980; Dennis, 1987; Ramsay & Huber, 1987; Dadlez & Jaroszewski, 1994; Price & Cosgrove, 1990; Twiss & Moores, 1992; Davis & Reynolds, 1996), s¹ dostêpne opracowania poœwiêcone wy³¹cznie tego typu fa³dom, z zawartymi w nich wnioskami z badañ teoretycz-nych i doœwiadczalteoretycz-nych (np. Paterson & Weiss, 1961; Anderson, 1964, 1968, 1974; Gay & Weiss, 1974; Honea & Johnson, 1976; Reches & Johnson, 1976; Weiss, 1980) oraz obserwacji terenowych (np. Reches & Johnson, 1976). Podjêto równie¿ próby zastosowania metod analizy przemieszczeñ uskokowych do analizy paleonaprê¿eñ z pasm kolankowych (Srivastava i in., 1999). Najnowsze informacje dotycz¹ce opisu i interpretacji fa³dów kolanko-wych dostêpne s¹ na stronach internetokolanko-wych w niepubliko-wanych gdzie indziej pracach (Johnson, 2000;Johnson & Manuszak, 2001; Johnson i in., 2001).

Z polskiej literatury na uwagê zas³uguje praca Halickiego (1963) opisuj¹ca struktury „Z” z fliszu podha-lañskiego, mog¹ce byæ przyk³adem fa³dów kolankowych. Brodzikowski i Ceg³a (1981) analizuj¹ fa³dy kolankowe powsta³e prawdopodobnie w zamarzniêtych, skonsoli-dowanych utworach czwartorzêdowych. Mastella (1988) opisuje grupê fa³dów „z³amanych” wzd³u¿ powierzchni osiowych i o p³askich, nierównej d³ugoœci skrzyd³ach, tworz¹cych szeregi pasm kolankowych. Z kolei Konon

(2001) przedstawia fa³dy z ostrymi przegubami,

uk³adaj¹ce siê w pasma kolankowe (ryc. 1B). Autor niniej-szej publikacji (Rubinkiewicz, 2002) opisa³ seriê fa³dów kolankowych z utworów fliszowych, które powsta³y pod znacznym nadk³adem, spowodowanym nasuwaniem siê wy¿ej leg³ych jednostek tektonicznych.

Geometria fa³dów i pasm kolankowych oraz warunki powstawania

Fa³dy kolankowe wystêpuj¹ w oœrodkach skalnych z gêstymi, równoleg³ymi powierzchniami anizotropii. S¹ to przewa¿nie ska³y metamorficzne z dobrze wykszta³con¹ foliacj¹ oraz gêsto u³awicone lub skliwa¿owane ska³y osa-dowe (np. niektóre partie fliszu). Fa³dy te najczêœciej

osi¹gaj¹ wielkoœci od kilku do kilkudziesiêciu

centymetrów (ryc. 1B), spotyka siê równie¿ formy kilku-, kilkunastometrowe.

W ksi¹¿kach z zakresu geologii strukturalnej spotyka siê bardzo ró¿ne definicje oraz opis geometryczny fa³dów kolankowych (np. Ramsay & Huber, 1987; Twiss & Moores, 1992; Dennis, 1987). W niniejszym artykule postanowiono zastosowaæ (z pewnymi modyfikacjami) opis geometrii fa³du kolankowego na podstawie prac pod-sumowuj¹cych Johnsona (2000) i Johnsona i in. (2001). Fa³d kolankowy tworz¹ w rzeczywistoœci dwa fa³dy o ostrych przegubach (ryc. 1), jednak potocznie ca³oœæ struk-tury jest traktowana jako pojedynczy fa³d. Typowy fa³d kolankowy sk³ada siê (ryc. 1) z dwóch d³u¿szych, równo-leg³ych do siebie skrzyde³ „zewnêtrznych”, po³¹czonych ze sob¹ krótszym skrzyd³em „wewnêtrznym” (Davis & Reynolds, 1996). Skrzyd³o wewnêtrzne tworzy pasmo

kolankowe, ograniczone od skrzyde³ zewnêtrznych

powierzchniami osiowymi. Opis geometrii fa³du kolanko-wego uzupe³niaj¹: k¹t2 miêdzy skrzyd³em wewnêtrznym i zewnêtrznym oraz k¹t$ odchylenia osi naprê¿enia F1od p³aszczyzn anizotropii (warstwowania, foliacji itp.) w skrzyd³ach zewnêtrznych (ryc. 1A).

WyrF¿nia siê (Johnson, 2000) trzy podstawowe rodza-je fa³dów kolankowych (ryc. 2): symetryczne sprzê¿one, asymetryczne sprzê¿one i monoklinalne. Mog¹ one byæ S-kszta³tne lub Z-kszta³tne. Takie okreœlenia geometrycz-nego kszta³tu fa³dów kolankowych wydaj¹ siê byæ najbar-dziej neutralne, choæ w literaturze anglojêzycznej spotyka siê pojêcia dextral i sinistral (Davis & Reynolds, 1996) lub

right–facing i left–facing (Johnson, 2000).

Mechanizm powstawania fa³dów i pasm kolankowych obejmuje zginanie z poœlizgiem w oœrodkach z gêstymi powierzchniami anizotropii, pod dzia³aniem œciskania równoleg³ego lub bliskiego równoleg³oœci do tych powierzchni (Anderson, 1974; Reches & Johnson, 1976) i pod znacznym ciœnieniem otaczaj¹cym, utrudniaj¹cym ogólny rozproszony posuw fa³dowy (Paterson & Weiss,

*Uniwersytet Warszawski, Wydzia³ Geologii, ul. ¯wirki i Wigury 93, 02-089 Warszawa; Jacek.Rubinkiewicz@uw.edu.pl

1968; Anderson, 1974; Ahmer Wadee i in., 2004). Przyj-muje siê powszechnie zwi¹zek pasm wygiêæ kolankowych

z p³aszczyznami, wzd³u¿ których uaktywniaj¹ siê

wzmo¿one naprê¿enia œcinaj¹ce (Anderson, 1974). Powstawanie fa³dów kolankowych lub typowych fa³dów ze zginania jest œciœle zwi¹zane z si³¹ tarcia na powierzchniach anizotropii. W przypadku, gdy jest ona niewielka, to poœlizg na powierzchniach anizotropii jest u³atwiony i powstan¹ typowe fa³dy ze zginania z poœli-zgiem (w tym, np. fa³dki ci¹gnione). W przypadku, gdy si³a tarcia jest stosunkowo du¿a, to do wzajemnego prze-mieszczenia wzd³u¿ powierzchni anizotropii mo¿e dojœæ tylko w pewnych strefach, gdzie nastêpuje koncentracja si³ œcinaj¹cych. W wyniku takiego procesu mog¹ powstaæ fa³dy i pasma kolankowe. Sposób powstawania fa³dów ze zginania lub fa³dów kolankowych dobrze dokumentuj¹ Reches & Johnson (1976). Autorzy wskazuj¹, ¿e w kom-pleksie skalnym poddanym fa³dowaniu, z³o¿onym z rogo-wców i ³upków, w zale¿noœci od mi¹¿szoœci wk³adek ³upkowych powstaj¹ albo fa³dy kolankowe (ma³y udzia³ ³upków — du¿a si³a tarcia — utrudniony poœlizg) albo fa³dy ci¹gnione (du¿y udzia³ ³upków — zmniejszona si³a tarcia — u³atwiony poœlizg). Badaj¹c fa³dy w terenie bar-dzo istotne jest rozpoznanie, z któr¹ grup¹ fa³dów mamy do czynienia, poniewa¿ klinencja (kierunek odchylenia p³asz-czyzn œrodkowych fa³dów od prostopad³oœci do ich obwiedni) fa³dów ze zginania jest odwrotna do klinencji

fa³dów kolankowych, co radykal-nie zmienia interpretacjê zwro-tów przemieszczenia.

Fa³dy kolankowe s¹ czêsto mylone z fa³dami szewronowymi (zygzakowatymi). Ró¿nica w ich powstawaniu jest zwi¹zana z kie-runkiem skrócenia tektonicznego (Twiss & Moores, 1992). Jeœli jest ono równoleg³e lub niemal rów-noleg³e do powierzchni anizotro-pii (foliacji, warstwowania), to powstan¹ fa³dy kolankowe, jeœli natomiast jest ustawione skoœnie pod stosunkowo du¿ym k¹tem, to mog¹ utworzyæ siê fa³dy szewro-nowe.

Zgodnie z obserwacjami tere-nowymi i badaniami

doœwiad-czalnymi oraz teoretycznymi

(Paterson & Weiss, 1968; Honea & Johnson, 1976; Reches & John-son, 1976), aby mog³y powstaæ

fa³dy kolankowe musz¹ byæ

spe³nione nastêpuj¹ce warunki: 1. Istnienie oœrodka skalnego z gêstymi powierzchniami anizo-tropii (np. foliacja, u³awicenie, z³upkowacenie, skliwa¿owanie), z przewag¹ ³awic niepodatnych (kompetentnych) i niewielkim udzia³em podatnych (niekompe-tentnych).

2. ObecnoϾ lokalnego zabu-rzenia w warstwowaniu

(pertur-bacji), które jest miejscem

inicjacji fa³du kolankowego i zacz¹tkiem dzia³ania naprê¿eñ œcinaj¹cych w tworz¹cym siê skrzydle wewnêtrznym. Zaburzeniami mog¹ byæ wczeœniej istniej¹ce struktury przecinaj¹ce powierzchnie anizotropii (np. drobne spêka-nia i uskoki), a w ska³ach osadowych tak¿e drobne nierównoœci na stropowych, b¹dŸ sp¹gowych powierzch-niach ³awic (np. hieroglify). Wielkoœæ (skala) takich zabu-rzeñ jest proporcjonalna do wielkoœci powstaj¹cych fa³dów kolankowych.

3. Du¿a si³a tarcia na powierzchniach anizotropii, która jednak¿e zostanie przekroczona w miejscu wystêpowania zaburzeñ (perturbacji).

4. Oœ najwiêkszego naprê¿eniaF1musi byæ zoriento-wana pod k¹tem mniejszym ni¿ 45o

—N/2 (N— k¹t tarcia

wewnêtrznego), w stosunku do powierzchni anizotropii w skrzyd³ach zewnêtrznych.

5. Du¿e ciœnienie otaczaj¹ce, utrudniaj¹ce rozproszony posuw fa³dowy.

Mechanizm powstawania fa³du kolankowego Przyk³ad powstawania fa³du kolankowego przedsta-wiono przy za³o¿eniu, ¿e k¹t tarcia wewnêtrznego na powierzchniach anizotropii (w tym przypadku warstwowa-nia) wynosi 30o. W sytuacji wyjœciowej warstwowanie jest poziome, a oœ naprê¿eniaF1jest do niego równoleg³a. W obrêbie warstwowania wystêpuje lokalne zaburzenie

(per-skrzyd³o zewnêtrzne

outer limb skrzyd³o wewnêtrzne

inner limb pasmo kolankowe kink band powierzchnia osiowa axial surface

θ

k¹t miêdzy skrzyd³em zewnêtrznym i wewnêtrznym

angle between outer and inner limb

β

k¹t odchylenia orientacji osi naprê¿enia od powierzchni anizotropii σ1 inclination angle

σ

₁

A

A

B

skrzyd³o zewnêtrzne outer limb

σ

₃

Ryc. 1. A — Parametry geometryczne fa³du kolankowego; B — Fa³d kolankowy w warstwach menilitowych p³aszczowiny œl¹skiej w kamienio³omie Skrzydlna w Beskidzie Wyspowym (fot. A. Konon)

Fig.1. A — Geometrical features of a kink fold ; B — Kink fold formed within menilite beds — Skrzydlna quarry, Beskid Wyspowy Mts. (Photo A. Konon)

turbacja). Stopniowo zwiêksza siê wartoœæ naprê¿eniaF1, przy równoczesnej, sta³ej wartoœci naprê¿eniaF3o orien-tacji osi prostopad³ej do warstwowania (wartoœæ tego

naprê¿enia mo¿e byæ spowodowana, np. ciê¿arem

nadk³adu i musi byæ wiêksza ni¿ wytrzyma³oœæ ska³y na rozci¹ganie). Kiedy ró¿nica skrajnych naprê¿eñ staje siê coraz wiêksza, w miejscu lokalnego zaburzenia zaczynaj¹ siê wywi¹zywaæ naprê¿enia œcinaj¹ce, wystarczaj¹ce do powstania lokalnego przemieszczenia. W ten sposób zaist-niej¹ warunki do rozwoju fa³du kolankowego.

Stopniowy rozwój fa³du kolankowego mo¿na

przedstawiæ w formie wykresu, w funkcji stosunku naprê¿eñ g³ównych F1/F3 i wielkoœci k¹ta 2 (Reches & Johnson, 1976; ryc. 3). Wartoœci przedstawione na wykresie s¹ przyk³adowe (za Johnson, 2000).

Wraz z rosn¹c¹ kompresj¹ zwiêkszaj¹ siê równie¿ naprê¿enia œcinaj¹ce w obrêbie perturbacji (zaburzenia), ale tylko do momentu, gdy si³a tarcia zostanie przekroczo-na. W omawianym przyk³adzie, gdy stosunek naprê¿eñ F1/F3osi¹gnie wartoœæ 22,5 ( ryc. 3 — punkt A) zaczyna siê formowaæ pasmo kolankowe z równoczesnym poœlizgiem w obrêbie zaburzenia (perturbacji). Wskutek tego poœlizgu k¹t 2 stopniowo zwiêksza swoj¹ wartoœæ. Jak wynika z analizy krzywej (ryc. 3) proces ten jest niestabilny, ponie-wa¿ krytyczny stosunekF1/F3naprê¿eñ potrzebny do spo-wodowania poœlizgu w skrzydle wewnêtrznym, przy wy¿szych k¹tach2 staje siê mniejszy ni¿ pocz¹tkowy kry-tyczny stosunek naprê¿eñ (ryc. 3 — przejœcie od punktu A do B). Przyk³adowo stosunek ten zmniejsza siê niemal o 50% (do 12), jeœli k¹t2 zwiêksza siê z 4 do 6o. Jeœli k¹t2 zwiêkszy siê do 30o

to stosunek naprê¿eñF1/F3zmniejszy siê do oko³o 3 (ryc. 3 — punkt C). Przy takim stosunku

naprê¿eñ orientacja u³awicenia w skrzydle wewnêtrznym zaczyna siê stabilizowaæ, poniewa¿ dalsze zwiêkszanie siê

k¹ta 2 jest uwarunkowane ponownym zwiêkszeniem siê

krytycznego stosunku naprê¿eñ.

K¹t odpowiadaj¹cy punktowi C nazywany jest k¹tem zablokowania (2L) lub zamkniêcia (ang. locking angle) dla pasma kolankowego (Reches & Johnson, 1976; Collier, 1978). Jeœli stosunek naprê¿eñF1/F3nie bêdzie siê zwiêk-szaæ ponad wartoœæ w punkcie C, to k¹t2 zamknie siê na wartoœci 30o.

Od punktu C do D proces staje siê stabilny i przy ponownie zwiêkszaj¹cym siê stosunku naprê¿eñF1/F3k¹t zamkniêcia fa³du kolankowego bêdzie wiêkszy. Ostatecz-nie, jeœli stosunek naprê¿eñF1/F3osi¹gnie wartoœæ tak¹ jak pocz¹tkowa (22,5), wtedy k¹t 2 osi¹gnie wartoœæ 58o (punkt D). W omawianym przyk³adzie k¹t ten jest ograni-czony wartoœci¹ 60o, która odpowiada tzw. ostatecznemu

k¹towi zablokowania (2UL) pasma kolankowego (ang.

ultimate locking angle), (Collier, 1978). Innymi s³owy,

jeœli stosunek naprê¿eñF1/F3d¹¿y do nieskoñczonoœci to k¹t zablokowania d¹¿y do 60o.

Ostateczny k¹t zablokowania ma wartoœci dodatnie dla S-kszta³tnych fa³dów kolankowych, zgodnie ze wzorem 2ULS= 90 –N + $, a ujemne dla Z-kszta³tnych: 2ULZ= – (90 –N ) + $ (Johnson, 2000). Wartoœæ tego k¹ta jest wiêc okreœlona przez dwie zmienne: k¹t tarcia na kontaktach ³awic oraz k¹t inklinacji osi najwiêkszego naprê¿eniaFs1.

K¹t zablokowania mierzony w terenie jest bardzo u¿y-teczny do interpretacji pasm kolankowych, poniewa¿ k¹t ten odpowiada ostatecznemu k¹towi zablokowania dla sze-rokiego zakresu stosunkFw naprê¿eñ.

Warunki powstawania trzech typów fa³dów kolankowych

Istnieje œcis³y zwi¹zek pomiêdzy wielkoœci¹ odchyle-nia osi najwiêkszego naprê¿eodchyle-niaFs1(o k¹t$) od powierzch-ni apowierzch-nizotropii (Gay &Weiss, 1974; Reches & Johnson, 1976), a rodzajem powstaj¹cych, poszczególnych typów fa³dów kolankowych (symetryczne sprzê¿one, asyme-tryczne sprzê¿one, monoklinalne).

Kiedy oœ naprê¿eniaF1jest równoleg³a do powierzchni anizotropii (F1 = 0) powstaj¹ symetryczne sprzê¿one pasma kolankowe (ryc. 2), przy równych k¹tach zabloko-wania dla S i Z-kszta³tego fa³du kolankowego (2ULS=2ULZ). W przypadku, gdy oœF1jest odchylona ($ ¹ 0 o wartoœci kilku stopni), to mog¹ powstawaæ asymetryczne sprzê¿one pasma kolankowe (2ULS¹ 2ULZ). W koñcu, gdyF1jest jesz-cze bardziej odchylona od powierzchni anizotropii fa³dy kolankowe mog¹ formowaæ siê w monoklinalne pasma kolankowe.

Gdy wielkoœæ k¹ta$ osi¹ga wartoœæ krytyczn¹ ($ = 45o–N/2 ; N — k¹t tarcia na powierzchniach anizotropii), to przemieszczenie bêdzie zachodziæ równie¿ w zewnêtrz-nych skrzyd³ach i fa³dy kolankowe nie bêd¹ mog³y siê two-rzyæ (Reches & Johnson, 1976).

Metodyka analizy fa³dów kolankowych — diagram motylowy

Badaj¹c fa³dy kolankowe w terenie i mierz¹c orientacjê powierzchni anizotropii w skrzyd³ach zewnêtrznych i wewnêtrznych mo¿emy w prosty sposób okreœliæ k¹ty S-kszta³tne S-shaped Z-kszta³tne Z-shaped symetryczne sprzê¿one symmetric conjugate

σ

1 monoklinalne monoclinal β asymetryczne sprzê¿one asymmetric conjugate β

σ

1

σ

1

Ryc. 2. Rodzaje fa³dów kolankowych z orientacj¹ osi najwiêkszego naprê¿enia. Pozosta³e objaœnienia w tekœcie

Fig. 2. Types of kink folds with orientation of maxi-mum stress axis

zablokowania. Johnson (2000) zaproponowa³ zastoso-wanie diagramu motylowego (ryc. 4), u¿ytecznego do okreœlenia k¹ta inklinacji odchylenia osi naprê¿eniaF1oraz k¹ta tarciaN na powierzchniach anizotropii, na podstawie pomierzonego k¹ta zablokowania, który w wiêkszoœci przypadków odpowiada wartoœci ostatecznego k¹ta zablo-kowania.

Diagram motylowy przedstawiono w postaci wykresu, korzystaj¹c z równañ:2ULS= 90

o

–N + $ dla 2>0 oraz 2ULZ= – (90 –N) + $ dla 2<0 . Na osi rzêdnych oznaczono wartoœci ostatecznego k¹ta zablokowania2, a na osi odciê-tych wartoœæ k¹ta$ oraz wartoœci k¹ta tarcia wewnêtrzne-goN. Zasiêg mo¿liwych wartoœci dla danego k¹ta tarcia wewnêtrznego jest ograniczony do obszarów zacieniowa-nych skrzyde³ek. Granice tych skrzyde³ek to rezultat ogra-niczeñ wartoœci k¹ta$, zgodnie ze wzorem 45o– N/2.

K¹t$ mo¿e mieæ wartoœci dodatnie lub ujemne (ryc. 4). Dla danego k¹ta tarcia rotacja kierunku osi najwiêkszego naprê¿enia odwrotnie do ruchu wskazFwek zegara ($>0)

zwiêksza k¹t zablokowania dla S-kszta³tnych fa³dów

kolanko-wych i zmniejsza dla

Z-kszta³tnych. Odwrotnie, rota-cja osi naprê¿enia zgodnie z ruchem wskazFwek zegara ($<0) zmniejsza k¹t zablokowania dla pasm S-kszta³tnych i zwiêksza dla Z-kszta³tnych.

W przypadku sprzê¿onych

fa³dów kolanowych mo¿emy

okreœliæ zarówno k¹t tarcia, jak i k¹t odchylenia naprê¿enia F1, jeœli pomierzyliœmy ostateczne k¹ty zablokowania. Przyk³adowo (ryc. 4) dla ostatecznych k¹tów zablokowania wynosz¹cych2ULS = 80o

i2ULZ= 60 o

k¹t inklinacji$ wyniesie 10o, a k¹t tarcia

wew-nêtrznego N na powierzchniach

anizotropii 20o.

Zdecydowanie powszechniej obserwuje siê w ska³ach mono-klinalne fa³dy kolankowe. W ich przypadku, aby znaleŸæ k¹t inklinacji musimy — oprócz znajomoœci ostatecznego

k¹ta zablokowania — okreœliæ równie¿ k¹t tarcia na

powierzchniach anizotropii. Wartoœæ k¹ta tarcia wewnêtrz-nego dla szerokiego zakresu ska³ zawiera siê w zakresie 20–40o (Barton & Choubey, 1977). K¹ty tarcia na powierzchniach anizotropii s¹ z regu³y mniejsze. W przy-padku pakietów ska³ u³awiconych takich jak, np.

piaskow-ce z wk³adkami ³upków i mu³owcFw, gdzie

przemieszczenie zachodzi na kontaktach ³awic, k¹ty tarcia osi¹gaj¹ wartoœci 5–20o

(Johnson, 2000). St¹d w takich œrodowiskach mo¿na siê spodziewaæ (jak to wynika z wy¿ej przedstawionych równañ) stosunkowo du¿ych k¹tów zablokowania pasm kolankowych.

Przyk³ad interpretacji fa³du kolankowego Interpretacjê rozpatrzono na przyk³adzie fa³du kolan-kowego z Karpat zewnêtrznych (ryc. 5). W rzece Wis³ok

σ/

σ

13 0 0 5 10 10 15 20 30 30 35 40 40 50 60 70 80 90 B D 20 25 A

θ

θ σ σ1/ 3=4=22,5 B C D zaburzenie (perturbacja) initial perturbation θ σ σ1/=63=12 σ σθ/=30₌₃ 1 3 θ σ σ1/=583=22,5 σ3 σ1 σ3 σ1 σ3 σ1 σ3 σ1

Ryc. 3. Przyk³ad rozwoju fa³du kolankowego na wykresie w funkcji stosunku skrajnych naprê¿eñ do wielkoœci k¹ta q (wg Reches & Johnson, 1976; Collier, 1978), uczytelnione. Objaœnienia stadiów rozwoju A–D w tekœcie

Fig. 3. An example of the development of kink fold as a function of stress ratio and orientation of the layering within the inner limb q (after Reches & Johnson, 1976; Collier, 1978), modi-fied)

β

θ

10 20 20 30 50 40 40 60 -60 -80 -100 -120 80 100 120 -10 -20 -20 -30 -40 -40 -50 0 θ_ULZ<0° β>0° θULS= 80° Przyk³ad: An example: θ_ULZ<0° β<0° θ_ULS>0° β>0° β<0° θULS>0° θULZ= – 60° σ1

¬

Fig. 4. Diagram moty-lowy (wg Johnson, 2000, zmodyfikowane) z przyk³adem interpeta-cji. Objaœnienia w tekœcie

Fig. 4. Butterfly dia-gram (after Johnson 2000, modified) with an example of the interpretation

na odcinku od Rudawki Rymanowskiej po okolice Pu³aw wystêpuje ca³y szereg fa³dów, które mo¿na zinterpretowaæ jako typowe fa³dy kolankowe. Jednym z nich jest fa³d kolankowy wystêpuj¹cy w podciêciu lewego brzegu rzeki Wis³ok w miejscowoœci Pu³awy Dolne (ryc. 5).

Badane ods³oniêcie znajduje siê w obrêbie ska³ fli-szowych nale¿¹cych do p³aszczowiny œl¹skiej, która na

badanym obszarze charakteryzuje siê budow¹

fa³dowo-³uskow¹. Fa³d kolankowy wystêpuje w obrêbie fa³du Tokarni–Rudawki Rymanowskiej–Iwonicza Zdroju (Œl¹czka i in., 1991), buduj¹cego brze¿n¹, po³udniow¹ czêœæ centralnego synklinorium karpackiego. Ods³aniaj¹ siê tu oligoceñskie warstwy kroœnieñskie dolne (ryc. 5).

Opis

W skarpie o wysokoœci oko³o 15 m (ryc. 6) ods³aniaj¹ siê œrednio- i cienko³awicowe piaskowce z cienkimi (do 15 cm) wk³adkami szarych ³upków. W pakiecie tym wystêpu-je S-kszta³tny, monoklinalny fa³d kolankowy. Fa³d ten tworz¹ dwa równoleg³e do siebie, po³ogie skrzyd³a zew-nêtrzne o orientacji 118/23Sn i 120/25Sn (n — po³o¿enia normalne), po³¹czone stromym skrzyd³em wewnêtrznym o po³o¿eniu 110/75No (o — po³o¿enia odwrócone). Przegu-by ³¹cz¹ce skrzyd³a zewnêtrzne z wewnêtrznym s¹ ostre i z³amane. P³aszczyzny œrodkowe o orientacji 102/25N i 118/23N ograniczaj¹ pasmo kolankowe o szerokoœci oko³o

6 m. K¹t zablokowania fa³du kolankowego wynosi2LS= 80o.

W zapadaj¹cych pod niewielkim k¹tem skrzyd³ach zewnêtrznych, w obrêbie ³awic piaskowców wystêpuje zespó³ spêkañ prostopad³ych do u³awicenia o œredniej orientacji 110–125/70–80N i œrednim rozstêpie 10 cm. Spêkania te maj¹ nierówne powierzchnie, a œlady przeciê-cia z powierzchniami u³awicenia s¹ krzywoliniowe. W powi¹zaniu z gêstymi powierzchniami u³awicenia zespó³ ten tworzy typowy kliwa¿ o³ówkowy z osiami o roz-ci¹g³oœci zgodnej z osiami fa³du kolankowego.

W stromym skrzydle wewnêtrznym w stropowej czêœci piaskowców wystêpuje zespó³ drobnych uskoczków o orientacji 110/75S (ryc. 6). Na ich powierzchniach wystê-puj¹ lustra tektoniczne z drobnymi rysami, wskazuj¹cymi na zrzutowy, odwrócony typ tych uskoków. Wzd³u¿ ich powierzchni dochodzi do przemieszczenia rzêdu kilku cm. Omawiany zespó³ ma cechy typowych niskok¹towych spê-kañ Riedla (R) o k¹cie 25–35o

w stosunku do powierzchni u³awicenia. Równoczeœnie na kontaktach ³awic pia-skowcFw i ³upków równie¿ s¹ widoczne œlady przemiesz-czenia w postaci zlustrowanych powierzchni.

Kilkanaœcie metrów na pó³noc od os³oniêcia poni¿ej pó³nocnego, zewnêtrznego skrzyd³a fa³du kolankowego ods³ania siê strefa deformacji tektonicznych, w której wystêpuje seria stromych uskoków normalnych o œredniej orientacji 110/80N. Towarzysz¹ im fa³dy o zró¿nicowanej geometrii (symilarne i koncentryczne), zbudowane z

Karpaty Zewnêtrzne Outer Carpathians Kraków fa³d Bukowicy Bukowica fold fa³d Iwonicza-Rudawki Rymanowskiej Iwonicz-Rudawka Rymanowska fold fa³d Bóbrki-Rogów Bóbrka-Rogi fold

lokalizacja fa³du kolankowego

location of the kink fold

1

2

3

4

5

Pu³awy Dolne

Rudawka Rym.

Rymanów

4

3

1

1

1

1

2

2

2

2

3

3

3

4

4

4

4

5

5

5

0 2 4km Stratygrafia: Stratigraphy:

warstwy kroœnieñskie dolne (piaskowce i ³upki)

Lower Krosno beds (sandstones and shales)

warstwy kroœnieñskie dolne (z piaskowcami z Otrytu)

Lower Krosno beds (including Otryt sandstones)

nasuniêcia overthrusts granice wydzieleñ geological contacts uskoki faults warstwy przejœciowe Transition beds warstwy menilitowe Menillite beds warstwy hieroglifowe Hieroglyphic beds 21 55’° 49 30’°

Ryc. 5. Lokalizacja ods³oniêcia fa³du kolankowego z rzeki Wis³ok na tle fragmentu mapy geologicznej Karpat zewnêtrznych (wg Jan-kowski i in., 2004, zmodyfikowane)

Fig. 5. Location of the outcrop of the kink fold in the Wis³ok river against the background of the geological map of the Outer Carpathians (after Jankowski et al., 2004, modified)

³upków i piaskowców cienko³awicowych. Dodatkowo, w strefie tej wystêpuj¹ martwice wapienne oraz wysiêki siar-kowodoru.

Interpretacja

Ods³aniaj¹cy siê gêsto u³awicony pakiet ska³ z prze-wag¹ piaskowcowych ³awic niepodatnych i niewielkimi wk³adkami podatnych ³upków (ryc. 6) jest typowym œrodo-wiskiem powstawania fa³dów kolankowych. Na pó³noc i na po³udnie od os³oniêcia, gdzie mi¹¿szoœæ wk³adek ³upko-wych jest wiêksza, a ³awice piaskowców s¹ mniej liczne

obserwuje siê fa³dy, powstaj¹ce na drodze zginania z poœlizgiem. Jest to przyk³ad potwierdzaj¹cy obserwacje Rechesa & Johnsona (1976) o wp³ywie mi¹¿szoœci prze³awiceñ warstw podatnych na mo¿liwoœæ powstania fa³dów kolankowych.

Jednym z warunków powstania fa³du kolankowego jest obecnoœæ lokalnej perturbacji (zaburzenia) w u³awiceniu. W omawianym przypadku takim zaburzeniem mog³a byæ wczeœniej istniej¹ca strefa uskokowa, ulokowana w strefie po³o¿onej pod pó³nocnym, zewnêtrznym skrzyd³em fa³du kolankowego. Potwierdzeniem jej obecnoœci s¹ opisywane

skrzyd³o zewnêtrzne

outer limb

skrzyd³o wewnêtrzne

inner limb

niskok¹towe spêkania R

low-angle Riedel shears

118/23Sn β θ 10 20 20 30 50 40 40 60 -60 -80 -100 -120 80 100 120 -10 -20 -20 -30 -40 -40 -50 0 β<0° θULS>0°

β = ~(-5 )

°

φ = ~5°

θ

_ULS

_{= 80°}

σ

₁

Ryc. 6. Szczegó³owa interpretacja fa³du kolankowego z rzeki Wis³ok Fig. 6. Detailed interpretation of the kink fold from the Wis³ok river

wczeœniej drobne uskoki oraz martwice wapienne i wysiêki siarkowodoru.

Na dzia³anie naprê¿eñ œcinaj¹cych w wewnêtrznym skrzydle fa³du kolankowego wskazuj¹ niskok¹towe spêka-nia Riedla oraz lustra na powierzchspêka-niach u³awicespêka-nia. Na ich podstawie mo¿na okreœliæ kierunek i zwrot przemiesz-czenia (ryc. 6). Z kolei, w skrzyd³ach zewnêtrznych (ryc. 6) brak jest takich przemieszczeñ, co wskazuje, ¿e si³a tarcia na powierzchniach u³awicenia nie zosta³a przekroczona.

Na podstawie pomierzonego ostatecznego k¹ta zablo-kowania 2ULS= 80

o

, przy u¿yciu diagramu motylowego (ryc. 6) okreœlono poœrednio wartoœæ k¹ta tarcia wewnêtrz-negoN na powierzchniach u³awicenia, która wynosi oko³o 5ooraz k¹t odchylenia osi naprê¿eniaF1$ = –5

o

. Takie war-toœci wydaj¹ siê byæ najbardziej prawdopodobne, ponie-wa¿ przy mniejszych wartoœciach k¹ta$ powsta³yby raczej sprzê¿one fa³dy (pasma) kolankowe, a przy wiêkszych k¹t tarcia na powierzchniach u³awicenia by³by bliski zera. Orientacja osi naprê¿eniaF1wynosi oko³o 120/18N. Rów-noczeœnie omawiany fa³d kolankowy musia³ powstawaæ

pod znacznym nadk³adem, którego efektem by³o

oddzia³ywanie naprê¿eniaF3.

Przedstawiona interpretacja drobnych struktur potwier-dza ró¿ne mechanizmy deformacji panuj¹ce w wewnêtrz-nym i zewnêtrznych skrzyd³ach fa³du kolankowego.

Wnioski

Fa³dy i pasma kolankowe, ze wzglêdu na specyficzny mechanizm powstawania s¹ dobrym wskaŸnikiem warun-ków deformacji w oœrodkach skalnych z gêstymi

powierzchniami anizotropii. W przypadku du¿ej

powszechnoœci wystêpowania na pewnych obszarach mog¹ wskazywaæ na specyficzny model fa³dowania w du¿ej skali.

Poniewa¿ fa³dy te powstaj¹ pod znacznym ciœnieniem otaczaj¹cym, to ich obecnoœæ mo¿e wskazywaæ na wystê-powanie du¿ego nadk³adu. W jednostkach tektonicznych typu p³aszczowinowego obecnoœæ takich fa³dów na przed-polu nasuniêæ mo¿e poœrednio wskazywaæ, ¿e ich obecny zasiêg jest erozyjny.

Fa³dy kolankowe powstaj¹ w miejscu wczeœniej ist-niej¹cych zaburzeñ (perturbacji), które mag¹ mieæ

charak-ter zaburzeñ tektonicznych (spêkania, uskoki) lub

sedymentacyjnych (np. hieroglify). Wielkoœæ fa³du jest proporcjonalna do wielkoœci zaburzeñ. Fa³dy kolankowe o wielkoœci kilku- kilkunastu metrów mog¹ wskazywaæ na wystêpowanie du¿ych stref uskokowych, mog¹cych mieæ niejednokrotnie znaczenie regionalne.

Do interpretacji fa³dów kolankowych u¿yteczny jest diagram motylowy. Znaj¹c wielkoœæ ostatecznego k¹ta zablokowania mo¿na okreœliæ k¹t tarcia wewnêtrznego na powierzchniach anizotropii oraz orientacjê naprê¿eniaF1, szczeóglnie w przypadku wystêpowania sprzê¿onych pasm kolankowych. W przypadku monoklinalnych fa³dów kolankowych jest to równie¿ mo¿liwe, jak to wynika z przedstawionego przyk³adu interpretacji.

We fliszu Karpat zewnêtrznych fa³dy kolankowe wydaj¹ siê byæ bardziej powszechne ni¿ wynika to z dotychczasowych badañ i publikacji, dlatego te¿ ich szczegó³owa analiza wymaga dalszych badañ.

Niniejszy artyku³ zosta³ opracowany i sfinansowany ze œrodków badañ w³asnych (BW–1642/5) oraz badañ statu-towych (BST–977/2).

Literatura

AHMER WADEE M., HUNT G.W. & PELETIER M.A. 2004 — Kink band instability in layered structures. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 52: 1071–1091

ANDERSON T.B. 1964 — Kink bands and related geological structu-res. Nature, 202: 272–274.

ANDERSON T.B. 1968 — The geometry of a natural orthorombic sys-tem of the kink bands Research in tectonics. Geol. Surv. Canada Papers, 68–52: 200–219.

ANDERSON T.B. 1974 — The relationship between kink bands and shear fractures in the experimental deformation of slates. J. Geol. Soc. London, 130: 367–382.

BARTON N. & CHOUBEY V. 1977 — The shear strength of rock joints in theory and practice. Rock Mechanics, 10: 1–54.

DAVIS G.H. & REYNOLDS S.J. 1996 — Structural Geology of Rocks and Regions. John Wiley & Sons. inc.

DENNIS J.G. 1987 — Structural Geology, An Introduction: 1–448. Wm.C. Brown Publishers, Dubuque, Iowa.

DADLEZ R. & JAROSZEWSKI W. 1994 — Tektonika. Wydawnic-twa PWN Warszawa.

GAY N.C. & WEISS L.E. 1974 — The relationship between principal stress directions and the geometry of kinks in foliated rocks. Tecto-nophysics, 21: 287–300.

HALICKI B. 1963 — Tektonika Podhala. Rocz. Pol. Tow. Geol., t. 33, z. 3: 349–362.

HONEA E. & JOHNSON A.M. 1976 — Development of sinusoidal and kink folds in multilayers confined by rigid boundaries. Tecto-nophysics, 30: 197–239.

JANKOWSKI L., KOPCIOWSKI R. & RY£KO W. 2004 — Geologi-cal Map of the Outer Carpathians: Borelands of Poland, Ukraine and Slovakia. Polish Geological Institute.

JAROSZEWSKI W. 1980 — Tektonika uskoków i fa³dów: 1–360. Wyd. Geol.

JOHNSON K.M., MANUSZAK J.D. & JOHNSON A.M. 2001 — How kinks work and how to work with kinks. Strona www.eas.pur-due.edu/physproc/how_kinks_form.htm.

JOHNSON K. M. & MANUSZAK J. D. 2001 — How to analyze kink folds: field examples from the Eastern Alaska Range and San Rafael Swell, Utah. Strona physproc/easy_guide_to_kinks.htm.

JOHNSON K.M. 2000 — Methods of structural analysis of the Spo-tted Wolf section of the San Rafael monocline, Utah [M.S. thesis]: Indiana, Purdue University: 1–202.

KONON A. 2001 — Tectonics of the Beskid Wyspowy Mountains (Outer Carpathians, Poland). Geol. Quart., 45: 179–204.

MASTELLA L. 1988 — Budowa i ewolucja strukturalna okna tekto-nicznego Mszany Dolnej, polskie Karpaty Zewnêtrzne. Ann. Soc. Geol. Pol., 58: 53–173.

PATERSON M.S. & WEISS L.E. 1961 — Folding and boudinage of quartz — rich layers in experimental deformed phyllite. Geol. Soc. Am. Bull., 79: 795–812.

PRICE N.J. & COSGROVE J.W. 1990 — Analysis of Geological Structures. Cambridge Univ. Press: 1–502.

RAMSAY J.G. & HUBER M.I. 1987 — The Techniques of Modern Struc-tural Geology. Vol. 2: Folds and Fractures. Academic Press: 1–700. RECHES Z. & JOHNSONA.M. 1976, Asymmetric folding and monoc-linal kinking: Tectonophysics, 35: 295–340.

RUBINKIEWICZ J. 2002 — Ewolucja strukturalna p³aszczowiny œl¹skiej pomiêdzy Os³aw¹ a Hoczewk¹ — Bieszczady. Rozprawa dok-torska., Arch. Inst. Geol. Podst. Uniwersytet Warszawski.

SRIVASTAVA D.C., LISLE R.J., IMRAN M., KANDPAL R. 1999 — A New Approach for Paleostress Analysis from Kink Bands: Applica-tion of Fault-Slip Method. J. Geol., 107: 165–176.

ŒL¥CZKA A., BOBER L., CHOWANIEC J., CIESZKOWSKI M., GIERAT-NAWROCKA D., ZUCHIEWICZ W. 1991 — Objaœnienia do Szczegó³owej Mapy Geologicznej Polski 1: 50 000. Arkusz Jaœliska (1056). Wyd. Geol.: 1–97.

TWISS R.J. & MOORES E.M. 1992 — Structural Geology. W.H. Fre-eman and Company. New York: 1–532.

WEISS L.E. 1968 — Flexural slip folding of foliated model mate-rials, [W:] Baer, A.J. & Norris, D.K. (eds) — Proceedings of the Con-ference on Research in Tectonics: Geological Survey of Canada Paper 68–52: 294–333.

WEISS L.E. 1980 — Nucleation and Growth of Kink Bands. Tecto-nophysics 65: 1–38.