Vrásy

Vrásy (foto 1) patria medzi najvýraznejšie a na pohľad najzaujímavejšie štruktúry v geológii. Pre bežného človeka je veľmi ťažké predstaviť si, ako mohli tieto masívne a hrubé „vlny“ v pevnej hornine vzniknúť. Dôležite však je uvedomiť si, že takýto proces si vyžaduje obrovské množstvo času a predovšetkým vhodné podmienky.

Vrása je vlnovité alebo esovité (sinusoidné) prehnutie štruktúrnej plochy, periodicky sa opakujúce v priestore. Je prejavom ohybu planárnych štruktúr a predstavuje nehomogénnu spojitú deformáciu. Patrí medzi najbežnejšie duktílne deformačné štruktúry. Vyskytuje sa vo všetkých genetických typoch hornín, v rôznej hĺbke v zemskej kôre. Vrásnenie je jedným zo spôsobov, ktorým sa môže realizovať skrátenie v kôre pri kompresii. Základnou požiadavkou na vznik vrásy je prítomnosť planárnych plôch anizotropie (vrstevnatosť), ktoré sa môžu ohýbať.

Geometria a vzhľad vrásy nám podávajú dôležité informácie o type deformácie, ktorou horniny prešli, o procese vzniku a v konečnom dôsledku nám pomáha odkrývať tektonickú stavbu študovanej oblasti. Ich dôležitosť spočíva aj v ekonomickom význame. Veľmi často slúžia ako uhľovodíkové pasce, ložiská rúd a iných nerastných surovín.

 

Geometrická charakteristika vrás

Charakter vrásovej štruktúry určujú jej geometrické prvky, ktoré sú základom pre rôzne klasifikácie vrás. V teréne často pozorujeme vrásy v ich priečnom reze, preto je nevyhnutné poznať všetky ich základné znaky (obr.1). Medzi najdôležitejšie patria orientácia osí, ramien a zámkov. Najdôležitejšou časťou vrásy je zámok, ktorý spája dve ramená (často rozdielne veľké a rôzne uklonené). Zámok vrásy sa v priestore nachádza v tzv. zámkovej línii. Tá môže byť ostrá a strmá, mierne zakrivená alebo koncentrická a predstavuje najviac zakrivený úsek vrásy. Na základe umiestnenia zámku vo vráse rozlišujeme v zámkovej oblasti hrebeň ako najvyššie umiestnený bod antiklinály a kýl, ktorý predstavuje najnižšie situované miesto synklinálneho zámku. Bod s najväčším zakrivením v antiklinále je vrchol, v synklinále je to dno. Antiklinálny a synklinálny zámok spájajú ramená vrásy, na ktorých je umiestnený inflexný bod. Je to miesto, kde dochádza k najmenšiemu zakriveniu na vráse. Veľmi dôležitou časťou je os vrásy. Je to línia prechádzajúca vrcholovými bodmi antiklinály alebo dnami synklinály. Predstavuje predovšetkým os rotácie ramenných plôch z pôvodnej planárnej polohy do polohy zvrásnenej. Osou vrásy prechádza rovina vrásy. Je to plocha, ktorá spája zámkové línie všetkých vrstiev, ktoré vrásu tvoria.

 

Obr.  1: Hlavné geometrické prvky vrásy

 

Medzi ďalšie geometrické parametre (obr. 2) definujúce veľkosť vrásy patria výška (veľkosť vrásovej vlny v apikálnom smere), šírka (veľkosť vrásovej vlny v mediánovom smere) a dĺžka vrásy (veľkosť vrásovej vlny v pozdĺžnom smere). Polovičná (kolmá) vzdialenosť medzi tangentami hrebeňa a kýlu sa označuje ako amplitúda vrásy. Ramená medzi sebou zvierajú medziramenný uhol, na základe ktorého môžeme určiť veľkosť deformácie, ktorá viedla k vzniku vrásy. Vo všeobecnosti platí, že čím je uhol menší, tým bola pôsobiaca kompresia väčšia. Posledným parametrom, pomocou ktorého môžeme definovať vrásu je vlnová dĺžka. Ide o spojnicu dvoch priľahlých zámkov vrásy. Jej definícia sa však v rôznych literatúrach líši.

 

Obr. 2: Veľkostné parametre vrásy

 

Tvar a orientácia vrásy

Vrásy sa najlepšie skúmajú kolmo na zvrásnené vrstvy, kde je možno pozorovať tvar vrásy v pozícii zámku. Existuje celé spektrum tvarov, ktoré nám ich pomocou matematických funkcií (použitím amplitúdy a vlnovej dĺžky) pomôžu klasifikovať aj napriek tomu, že nevykazujú pravidelnosť. Vo viacvrstvových zvrásnených horninách sa môžu opakovať vrásy s podobným tvarom v zámkovej línii – harmonické vrásy. Ak sa líšia vlnovou dĺžkou a tvarom zámkovej línie, ide o disharmonické vrásy. Špecifickým typom sú vrásy cylindrické (valcovité). Ide o vrásy s priamou zámkovou líniou, to znamená, že majú rovnaké zakrivenie v celom profile. Svojím profilom pripomínajú povrch valca. Zaujímavosťou cylindrických vrás je, že ak odmeriame vrásnené vrstvy a merania znázorníme pomocou veľkých oblúkov, získame jeden bod, kde sa všetky oblúky spoja a to je os cylindrickej vrásy (niekedy označovaná ako b-os alebo β-os). Druhým spôsobom ako určiť, či je vrása cylindrická je použiť namiesto veľkých oblúkov póly (pri veľkom množstve dát). Týmito pólmi preložíme optimálnu rovinu tzv. π- oblúk, ktorého pól (π- pól) nám znázorní os vrásy. Ak je aspoň 90 % plôch od π- oblúka vzdialených do 10°, horniny sú vrásnené cylindricky (obr. 3a, foto 2). Podľa niektorých autorov sú všetky vrásy necylindrické a stupeň valcovitosti varíruje medzi jednotlivými vrásami (obr. 3b).

Obr.  3: Cylindrické a necylindrické vrásy (Fossen 2010)

Podľa pozície zámku rozdeľujeme vrásy na antiformy a synformy. Ramená antiformy vrásy smerujú nadol z oblasti zámku. U synformy je to opačne. Ak poznáme stratigrafiu študovanej oblasti, rozlišujeme antiklinály – vrásy, ktoré majú v jadre staršie vrstvy a synklinály – v jadre majú vrstvy mladšie (obr. 4).

Obr.  4: Znázornenie synklinály a antiklinály

V horninovom prostredí nenájdeme vždy len základné formy vrás. Ak sa vrása dostane do ďalšieho deformačného procesu môžeme získať sekundárne antiformy a synformy. Smer usporiadania vrstiev bude závisieť od toho, či sa nachádza na obrátenej strane alebo na vzpriamenom ramene. V takomto prípade môžeme definovať synformnú antiklinálu ako štruktúru s antiklinálnym usporiadaním vrstiev v tvare synformy a antiformnú synklinálu s kombináciou synklinálneho usporiadania vrstiev a antiformy. Ako už bolo spomenuté, väčšina vrás je necylindrická. Obrovské necylindrické antiformy sa označujú ako dómy. Predstavujú klasické uhľovodíkové pasce. Opačnú štruktúru vytvorenú synformou označujeme ako bazén.

Ďalšou dôležitou klasifikáciou je rozdelenie vrás podľa úklonu osovej roviny. Na základe tohto kritéria rozlišujeme vrásy priame, s vertikálnou osovou rovinou, uklonené alebo šikmé, ktoré majú osovú rovinu uklonenú v rozmedzí 89 – 45°, prevrátené vrásy, s intervalom 44 – 1° a ležaté vrásy so subhorizontálnou rovinou (obr. 5).

 

Obr. 5: Znázornenie osových rovín vrásy

Okrem orientácie a stratigrafických vzťahov sa vrásy klasifikujú podľa tzv. tesnosti (uzatvorenosti), teda veľkosti medziramenného uhla: mierne (180 – 120°), otvorené (120 – 70°), zovreté (70 – 30°), stlačené (30 – 0°) a izoklinálne. Miera uzavretia ramien odráža množstvo a silu zaťaženia, ktoré pôsobilo počas vrásnenia.

Najdôležitejšou klasifikáciou vrás je klasifikácia založená na tvare zvrásnenej vrstvy v profile. Pri pozorovaní v teréne si môžeme všimnúť, že niektoré vrstvy niektorých vrás vykazujú konštantnú hrúbku v zámkovej oblasti, iné v oblasti ramien. Toto viedlo k vypracovaniu metódy na rozdelenie vrás založenú na geometrii izogon. Izogony sú vertikálne línie, ktoré spájajú body s rovnakým sklonom vonkajšieho a vnútorného oblúka v  zvrásnenej vrstve. V pôvodnej, nezvrásnenej vrstve, predstavovali izogony kolmice z bodu vonkajšej vrstvy na vnútornú. Sklon izogon zobrazuje rozdiel medzi hranicami, teda zmenu hrúbky vrstvy po vrásnení. Podľa priebehu izogon z obalu do jadra vrásy rozlišujeme tri hlavné typy (obr. 6):

• konvergentné izogony – izogony 1. triedy – sklon izogony sa zbieha smerom do jadra vrásy, čiže k vnútornému oblúku, ktorý je viac zakrivený a teda aj viac deformovaný. Izogony 1. triedy sa ďalej delia do podtried:
• podtrieda 1A – vrása je charakteristická zúženou oblasťou zámku a zhrubnutými ramenami.
• podtrieda 1B – označujú sa ako paralelné alebo koncentrické vrásy. Majú konštantnú hrúbku vrstvy v ramenách aj v línii zámku.
• podtrieda 1C – majú výrazne stenčené ramená a zhrubnutú oblasť zámku.
• paralelné izogony – izogony 2. triedy – izogony sú navzájom rovnobežné. Zakrivenie vo vonkajšom a vnútornom oblúku sú rovnaké. Do tejto skupiny patria podobné vrásy.
• divergentné izogony – izogony 3. triedy – izogony sa vejárovite rozbiehajú z jadra, vzďaľujú sa od seba. Majú zhrubnutú zámkovú oblasť a stenčené ramená.

 

Obr.  6: Klasifikácia vrás na základe izogon (Fossen 2010)

Symetria vrás

Vrásy môžu byť v priereze symetrické alebo asymetrické (obr. 7). Vrása je dokonale symetrická, ak pri pohľade na prierez, ktorý je kolmý na osovú rovinu sú obidve strany zrkadlovo rovnaké. To znamená, že obe ramená majú rovnakú dĺžku. Symetrické vrásy niekedy označujeme ako vrásy typu M (foto 3). Majú subvertikálnu osovú rovinu. Na druhej strane, asymetrické vrásy s uklonenou rovinou sa označujú písmenami S a Z. Asymetrické vrásy typu S sú charakteristické tým, že ich krátke rameno rotuje proti smeru hodinových ručičiek. Naopak, krátke rameno asymetrickej vrásy typu Z rotuje v smere hodinových ručičiek. Zaujímavé je, že pri pohľade z opačnej strany sa vrásy typu S menia na vrásy typu Z. Pri veľkých vrásach sa často stáva, že majú na sebe naložené menšie parazitické vrásy. Formovali sa spoločne so vznikom veľkej vrásy, na ktorú sú naložené, preto sa označujú sa ako vrásy druhého rádu. Ak sa vo vrásovom systéme objavujú parazitické vrásy na synformnej alebo antiformnej štruktúre, potom ich asymetria alebo vergencia naznačujú ich polohu na celej štruktúre. Tento vzťah medzi parazitickými vrásami a hlavnou štruktúrou, na ktorej vznikli môže byť mimoriadne užitočný pri mapovaní vrásových štruktúr, ktoré sú príliš veľké na to, aby mohli byť priamo pozorované na odkryve.

Obr. 7: M-,S- a Z-vrásy (Fossen 2010)

 

Dynamický aspekt vrásnenia nám definuje vergencia vrás (obr. 8). Predstavuje smer, do ktorého je uklonená (preklopená) pôvodne horizontálna vrásová rovina. Zároveň sa s ňou vyjadruje aj úklon vrásy. Vergenciu je možné definovať len pri asymetrických vrásach a udáva nám smer tektonického transportu.

 

Obr. 8: Vergencia vrásy

 

Mechanizmy vrásnenia

Existuje množstvo teórií o v pôvode a vzniku vrásových štruktúr. Väčšina z nich je založená na geometrickej charakteristike a vonkajšieho tvaru vrásy. Jeden z prístupov je založený na pôsobení sily na vrstvovú plochu. Spolu s reologickými vlastnosťami hornín, predovšetkým pevnosťou (kompetenciou), anizotropiou vrstiev a kinematikou režimu deformácie sa vyčlenili tri základné mechanizmy deformácie: aktívne vrásnenie (ohýbanie), prehýbanie a pasívne vrásnenie (strižné vrásnenie). Najdôležitejším znakom na rozlíšenie jednotlivých typov je v tom, akým spôsobom (aktívne alebo pasívne) vrstvy reagujú na vznik napäťového poľa.

 

Obr. 9: Deformačné mechanizmy (Fossen 2010)

Aktívne vrásnenie – ohýbanie – je proces vrásnenia, ku ktorému dochádza, keď dochádza k skracovaniu vrstiev v paralelnom smere k vrstevnatosti (obr. 9a, 10). Na to, aby mohlo dôjsť k ohýbaniu je dôležitá kontrastná viskozita medzi vrásnenou vrstvou a okolitou horninou, pričom vrásnená vrstva musí byť kompetentnejšia (pevnejšia) ako okolité horniny. Výsledkom ohýbania sú zaoblené vrásy, často paralelné, či koncentrické, patriace do podtriedy 1B alebo vrásy so sínusoidným tvarom. Ak je izotropná vrstva hornín dokonale planárna a rovnobežná s hranicami, v tom prípade aj dokonale rovnobežná s konštantne orientovanou σ₁, môže dôjsť k skráteniu vrstvy čistým strihom, bez vrásnenia, aj v prípade, keď medzi vrstvou a hostiteľskou horninou existuje výrazný viskozný kontrast. Akákoľvek nepravidelnosť na rozhraní vrstiev však spôsobí vrásnenie. Z toho vyplýva, že k aktívnemu vrásneniu vrstiev dochádza len vtedy, ak medzi vrásnenou horninou a okolitými horninami existuje akákoľvek nehomogenita, ktorá spôsobí nukleáciu vrásy, prítomnosť laterálneho tlaku, teda kompresie a rozdielne vlastnosti okolitých hornín. Pri ohýbaní sa deformácia koncentruje v zámku vrásy a to spôsobí, že vonkajšia časť vrstvy sa v zámkovej oblasti viac natiahne (dochádza k extenzii), zatiaľ čo vnútorná časť je skrátená (prebieha tu kompresia). Medzi týmito dvoma časťami existuje tzv. neutrálna zóna, v ktorej nedochádza k žiadnej deformácii. Kolmica na osovú rovinu vzniknutej vrásy nám určuje smer maximálneho skrátenia. Pre počiatočné štádium ohýbania je charakteristické postupné hrubnutie vrstvy, pričom dochádza k homogénnemu skracovaniu vrstiev a zvyšovaniu rastu nepravidelností, ktoré napokon vedú k výslednej vráse. Ak je však vrstva kompetentných hornín deformovaná laterálnym tlakom v rovnako pevných horninách, dochádza len k homogénnemu hrubnutiu, bez vzniku vrásy. Avšak väčšina hornín vykazuje nelineárne reologické správanie počas deformácie a dôsledkom toho je vznik vrásy ohybom.

 

Obr. 10: Aktívne vrásnenie - ohýbanie

Pasívne vrásnenie je typické pre horniny, v ktorých dochádza k tzv. pasívnemu toku, pričom pri vrásnení nedochádza k mechanickej deformácii vrstvy. Takáto vrstva je pasívna a slúži len ako vizuálny marker deformácie. Dokonalé pasívne vrásy vznikajú jednoduchým strihom alebo procesom, kde je významná zložka jednoduchého strihu. Označujú sa ako tulcové vrásy a sú zaradené do 2. triedy (obr. 9c). Pasívne vrásy sa môžu vytvárať reakciou na akékoľvek napätie (transpresiu), jednoduchý strih je však významným mechanizmom. Pri pasívnom vrásnení sa vytvárajú harmonické vrásy, pričom mechanizmus ich vzniku nemá vplyv na ich tvar. Bežne sa vyskytujú v oblastiach, ktoré sú postihnuté zlomovou tektonikou a v strižných zónach.

Prehýbanie je proces vrásnenia, pri ktorom sily pôsobili kolmo alebo pod veľkým uhlom (obr. 9b, 10). Je veľmi blízke pasívnemu vrásneniu, pretože vrstvy sa nútene prehnú pod vplyvom geometrie alebo kinematiky pod nimi ležiacich horninových jednotiek. To väčšinou znamená, že vrstvy sedimentárnych hornín sa nachádzajú nad deformovanými horninami (obr. 11c) a sú dostatočne mäkké, aby sa vedeli prispôsobiť geometrii podložia. Prehýbanie sedimentov nad zlomovou plochou môže spôsobiť prehýbanie vrstvy a vznik monoklinálnej vrásy len do okamihu, kedy hornina prehýbaním stratí súdržnosť a pretrhne sa. Pri prehýbaní môže na vrstvu pôsobiť viacero mechanizmov. Môže k nemu dochádzať poklesom podložia, pri budináži (obr. 11a), pri vzniku vrás na rampách (obr. 11b) alebo v okolí soľných diapírov (obr. 11d).

 

Obr.  11: Príklady prehýbania (Fossen 2010)

 

K ohybovému sklzávaniu dochádza na rozhraní jednotlivých vrstiev počas vrásnenia, takže predpokladom je, že deformované teleso musí byť zložené najmenej z dvoch vrstiev alebo v ňom musí byť vyvinutá silná anizotropia. Vhodná anizotropia vzniká napr. v horninách bohatých na fylosilikáty (sľudy). Počas vrásnenia medzi sebou jednotlivé vrstvy pozdĺžne prekĺzavajú prostredníctvom strižného mechanizmu (obr. 12). Maximálne sklzávanie je najvýraznejšie v oblasti inflexných bodov a v ramenách, kým v oblasti zámku je nulové. Vrásy, ktoré vznikajú týmto spôsobom patria do triedy 1B (konštantná hrúbka v ramenách aj v zámku – koncentrické vrásy). Vrásnenie ohybovým sklzom prebieha predovšetkým vo vrchnej kôre, ale časté je aj v spodnej kôre, kde je podporené duktílnymi deformačnými mechanizmami.

Obr. 12: Ohybový sklz

V prípade, že je deformácia rozdelená pozdĺž celého vrásneného telesa, ohybový sklz sa predovšetkým v režime plastickej deformácie mení na ohybový tok (obr.13). Pri ohybovom toku je strižné napätie spojené s rotáciou vrstiev. Nedochádza tu k prekĺzavaniu medzi jednotlivými vrstvami, deformácia spôsobuje vznik napätia vo vnútornej aj vonkajšej časti vrstvy – k strižnej deformácii dochádza priamo vo vnútri vrstvy. Napätie sa smerom od zámku zvyšuje. Pri takomto vrásnení vznikajú podobne ako v predchádzajúcom prípade vrásy podskupiny 1B.

Podobným typom je ortogonálny ohyb, pri ktorom nedochádza k deformovaniu strihom vo vnútri vrstvy, ale dochádza k naťahovaniu vrchnej a skracovaniu spodnej časti vrásnenej vrstvy (obr. 13a). Vo vnútri vrstvy existuje neutrálny povrch, v ktorom nepôsobí napätie, a ktorý oddeľuje vonkajšiu a vnútornú časť.

 

Obr. 13: Ohybový tok (Fossen 2010)

Strižné vrásnenie

Strižné vrásnenie je charakteristické pre horniny, ktoré sú tvorené systémom husto usporiadaných paralelných plôch, orientovaných naprieč vrstvovitosťou. Ide napríklad o horniny, ktoré sú výrazne postihnuté klivážou. K deformácii dochádza strižným prekĺzavaním medzi jednotlivými plochami foliácie (obr. 14).

Obr. 14: Strižné vrásnenie

Interfernecia vrásnenia

V oblastiach, ktoré sú postihnuté dvomi alebo viacerými fázami deformácie môžu sekundárne vzniknuté deformácie prekrývať tie staršie. Vznikajú na seba naložené systémy, ktoré majú často zložité interferenčné vzory vrás. Tie vznikajú „prepisovaním“ predchádzajúceho systému a závisia od orientácie všetkých vrásových setov. Na základe pozorovania v teréne boli vyčlenené 4 typy interferenčných vzorov (obr. 15), ktoré vznikajú dvomi na seba naloženými setmi vrás. Tieto typy sú však len koncovými členmi v širokom spektre rôznych štruktúr, ktoré môžu interferenciou vznikať a predstavujú výsledok polyfázovej deformácie v oblasti ich výskytu.

 

Obr. 15: Typy interferencie (Fossen 2010)