地質(zhì)構(gòu)造力學(xué)基礎(chǔ)課件

1、地質(zhì)構(gòu)造永久變形應(yīng)力作用地殼運動地質(zhì)構(gòu)造的基本形態(tài)、組合型式、分布規(guī)律，與巖石或巖體的力學(xué)性質(zhì)、所處的應(yīng)力狀態(tài)密不可分。地質(zhì)構(gòu)造成因機制的研究，實際是進行力學(xué)成因機制的分析。分析力學(xué)成因機制建立在現(xiàn)代巖石固體力學(xué)基礎(chǔ)上（把巖石所受應(yīng)力與巖石本身的力學(xué)性質(zhì)結(jié)合起來進行的）建立在材料力學(xué)的實驗基礎(chǔ)上的。材料看成是均質(zhì)的，在人為條件下短時間內(nèi)進行的。巖石是不均質(zhì)的，所處環(huán)境是復(fù)雜的，變形經(jīng)歷時間漫長。解決方法，均質(zhì)、簡化、模擬10/11/2022地質(zhì)構(gòu)造永久變形應(yīng)力作用地殼運動地質(zhì)構(gòu)造的基本形態(tài)、組合型式一、力定義： 力是物體間的相互作用。 力是一種矢量，一般用力的三要素來表示（既力的作用點、大小和

2、方向）。作用于物體任何一點的力都可以進行力的分解，幾個已知力也可以進行力的合成。1.1 力和應(yīng)力10/11/2022一、力1.1 力和應(yīng)力10/10/2022一、力作用在巖石上的力，往往成對出現(xiàn)。1.1 力和應(yīng)力壓力兩力作用同一直線、大小相等、方向相向。正。張力兩力作用同一直線、大小相等、方向相背。負。剪力(扭力)兩力作用非同一直線、大小相等、方向相反。正剪力負剪力逆時針順時針10/11/2022一、力1.1 力和應(yīng)力壓力兩力作用同一直線、大小相等、二、外力和內(nèi)力處于地殼和巖石圈中的任何地質(zhì)體，都會受到相鄰介質(zhì)的作用力。1.1 力和應(yīng)力外力被研究物體（對象）以外的物體施加于所研究物體的作用力。

3、分為：面力通過接觸面?zhèn)鬟f的力。接觸面稱界面或作用面。 （接觸力）體力每個質(zhì)點都受到的外力。（非接觸力）它不通過接觸, 而是相隔一定的距離相互作用, 如太空星球之間的吸引力, 物體的重力等 。10/11/2022二、外力和內(nèi)力1.1 力和應(yīng)力外力被研究物體（對象）二、外力和內(nèi)力1.1 力和應(yīng)力內(nèi)力由外力作用引起的物體內(nèi)部各部分(質(zhì)點)之間的相互作用力。分為：固有內(nèi)力未受外力時，質(zhì)點之間的相互作用力。使各質(zhì)點處于相對平衡狀態(tài)，使物體保持固定的形狀。附加內(nèi)力物體受到外力作用時，內(nèi)部質(zhì)點之間的相互作用力也會相應(yīng)地改變，這種內(nèi)力的改變量稱為附加內(nèi)力。它阻止物體繼續(xù)變形并力圖恢復(fù)其原來的形狀。構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研

4、究中非常關(guān)注附加內(nèi)力。10/11/2022二、外力和內(nèi)力1.1 力和應(yīng)力內(nèi)力由外力作用引起的物二、外力和內(nèi)力1.1 力和應(yīng)力內(nèi)力外力，是個相對概念內(nèi)力外力。視研究對象而定例如，對地球來說，月球的引力是外力，而自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力便是內(nèi)力。但對地殼來說，慣性力又是外力，由于慣性力的作用，在地殼內(nèi)部產(chǎn)生的抵抗力才是內(nèi)力。由此可見，內(nèi)力與外力是隨著研究的對象的不同而轉(zhuǎn)化的。 本章研究對象：主要研究附加內(nèi)力。10/11/2022二、外力和內(nèi)力1.1 力和應(yīng)力內(nèi)力外力，是個相對概念例二、外力和內(nèi)力1.1 力和應(yīng)力外力內(nèi)力外力外力發(fā)生變形。附加內(nèi)力反外力。阻止繼續(xù)變形。力圖恢復(fù)原狀。10/11/2022二、外

5、力和內(nèi)力1.1 力和應(yīng)力外力內(nèi)力外力外力發(fā)生變形三、應(yīng)力1.1 力和應(yīng)力因為附加內(nèi)力的存在阻止了物體發(fā)生變形。一個物體的變形和破壞與內(nèi)力的大小有關(guān)，而內(nèi)力的大小是由應(yīng)力來度量的。所以研究附加內(nèi)力，就必須了解度量內(nèi)力大小的應(yīng)力是什么？應(yīng)力應(yīng)力是物體單位面積上的內(nèi)力。 應(yīng)力單位：“帕斯卡” 。（Pa）其大小取決于：總內(nèi)力；作用面的大小。當(dāng)內(nèi)力均勻分布，則截面A上的應(yīng)力為： =P/A （為應(yīng)力符號）10/11/2022三、應(yīng)力1.1 力和應(yīng)力因為附加內(nèi)力的存在阻止了物體發(fā)生三、應(yīng)力1.1 力和應(yīng)力當(dāng)內(nèi)力不均勻時： 合應(yīng)力任一截面上產(chǎn)生的與外力作用方向平行的應(yīng)力。正應(yīng)力和剪應(yīng)力正應(yīng)力：垂直截面的應(yīng)力，

6、以表示剪應(yīng)力：平行截面的應(yīng)力，以表示規(guī)定：正應(yīng)力壓為正，張為負。剪應(yīng)力以逆時針方向為正、以順時針方向為負。10/11/2022三、應(yīng)力1.1 力和應(yīng)力當(dāng)內(nèi)力不均勻時：合應(yīng)力10/1三、應(yīng)力1.1 力和應(yīng)力應(yīng)力分類正應(yīng)力：不垂直外力，但垂直截面的應(yīng)力剪應(yīng)力()：不垂直外力，但平行截面之力壓應(yīng)力：壓力（0）張應(yīng)力：拉伸力（0）順時針：負值( 0 )逆時針：正值( 0 )10/11/2022三、應(yīng)力1.1 力和應(yīng)力應(yīng)力分類正應(yīng)力：不垂直外力，剪應(yīng)三、應(yīng)力1.1 力和應(yīng)力主應(yīng)力、主方向、主平面 主應(yīng)力：某一截面上只有正應(yīng)力，沒有剪應(yīng)力時的正應(yīng)力 主方向：主應(yīng)力的方向 主平面：垂直于主應(yīng)力的平面10/1

7、1/2022三、應(yīng)力1.1 力和應(yīng)力主應(yīng)力、主方向、主平面10/1一、應(yīng)力狀態(tài)的概念1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析定義：物體受到外力作用時，內(nèi)部任一點各個截面上的應(yīng)力分布情況。10/11/2022一、應(yīng)力狀態(tài)的概念1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析定義：物體受到外力一、應(yīng)力狀態(tài)的概念1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析單元體六個面上的正應(yīng)力，稱為主應(yīng)力（可張、可壓）。三對主應(yīng)力值相等時，物體只發(fā)生體積改變，而形狀不變；三對主應(yīng)力值大小不相等時，物體形狀就會發(fā)生形狀改變，這時三對主應(yīng)力分別稱為： 最大主應(yīng)力（1） 中間主應(yīng)力（2） 最小主應(yīng)力（3） 13=應(yīng)力差 當(dāng)條件相同時應(yīng)力差愈大形變也愈大。10/11/2022一、應(yīng)力狀態(tài)的概念

8、1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析單元體六個面上的正一、應(yīng)力狀態(tài)的概念1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析主方向(A)主平面(B)10/11/2022一、應(yīng)力狀態(tài)的概念1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析主方向(A)主平面一、應(yīng)力狀態(tài)的概念1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析一點的三個主應(yīng)力決定了該點的應(yīng)力狀態(tài)。單軸應(yīng)力狀態(tài)一個主應(yīng)力不為零，其余兩個均為零。雙軸應(yīng)力狀態(tài)或平面應(yīng)力狀態(tài)一個主應(yīng)力為零，其余兩個均不為零。三軸應(yīng)力狀態(tài)三個主應(yīng)力均不為零，且123 。10/11/2022一、應(yīng)力狀態(tài)的概念1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析一點的三個主應(yīng)力決二、應(yīng)力集中現(xiàn)象的分析1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析應(yīng)力集中又稱應(yīng)力擾動，是由于巖塊或地塊內(nèi)部的局部不均勻性和不連續(xù)性，在巖體內(nèi)部造

9、成應(yīng)力場局部變化的現(xiàn)象。應(yīng)力集中會影響構(gòu)造應(yīng)力場中的應(yīng)力分布狀態(tài).當(dāng)受力巖石內(nèi)部存在孔洞、缺口、微小裂隙等缺陷時易形成應(yīng)力集中。10/11/2022二、應(yīng)力集中現(xiàn)象的分析1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析應(yīng)力集中又稱應(yīng)二、應(yīng)力集中現(xiàn)象的分析1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析10/11/2022二、應(yīng)力集中現(xiàn)象的分析1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析10/10/2二、應(yīng)力集中現(xiàn)象的分析1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析地球的演化經(jīng)歷了漫長的歷史, 一個地區(qū)發(fā)生過多期次的構(gòu)造運動和構(gòu)造變形, 在早期構(gòu)造變形的部位, 尤其是在斷裂的端點, 拐折點, 分枝點以及兩條或兩條以上的斷裂的交匯處, 都是后期構(gòu)造應(yīng)力場的應(yīng)力集中部位。有破裂存在的巖石再次受力后,

10、其應(yīng)力集中與受力條件有密切關(guān)系, 例如, 張應(yīng)力作用方向與先存破裂面垂直, 則在破裂面兩端產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū); 當(dāng)壓應(yīng)力作用方向與先存破裂面垂直時, 則不出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)。 此外, 應(yīng)力集中還與巖石的力學(xué)性質(zhì)有關(guān), 當(dāng)巖石呈韌性時, 雖然巖石中有斷裂存在, 后期構(gòu)造應(yīng)力場不會產(chǎn)生應(yīng)力集中; 而巖石呈脆性狀態(tài)時, 后期構(gòu)造應(yīng)力場則在斷裂處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。10/11/2022二、應(yīng)力集中現(xiàn)象的分析1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析地球的演化經(jīng)歷二、應(yīng)力集中現(xiàn)象的分析1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析應(yīng)力集中現(xiàn)象在斷裂帶中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位示意圖10/11/2022二、應(yīng)力集中現(xiàn)象的分析1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析應(yīng)力集中現(xiàn)象在三、構(gòu)

11、造應(yīng)力場1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析構(gòu)造應(yīng)力場的概念應(yīng)力場某個地質(zhì)體（物體）內(nèi)部各點的瞬時應(yīng)力狀態(tài)所組成的空間(在三維空間上的組成的總體)，稱為應(yīng)力場。均勻應(yīng)力場、非均勻應(yīng)力場地殼中的應(yīng)力場，是由地殼運動產(chǎn)生的，是形成地質(zhì)構(gòu)造的主要因素。構(gòu)造應(yīng)力場指地殼內(nèi)一定范圍內(nèi)某一瞬時的應(yīng)力狀態(tài)。 10/11/2022三、構(gòu)造應(yīng)力場1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析構(gòu)造應(yīng)力場的概念10三、構(gòu)造應(yīng)力場1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析構(gòu)造應(yīng)力場的特征是指應(yīng)力分布規(guī)律（大小、性質(zhì)、方向、方式和變化）和構(gòu)造形跡的總和10/11/2022三、構(gòu)造應(yīng)力場1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析構(gòu)造應(yīng)力場的特征10三、構(gòu)造應(yīng)力場1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析a.按對象規(guī)模分局部構(gòu)造

12、應(yīng)力場區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場全球構(gòu)造應(yīng)力場應(yīng)力場分類b.按時間分古構(gòu)造應(yīng)力場（分析推斷得出）現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場（儀器測出）10/11/2022三、構(gòu)造應(yīng)力場1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析a.按對象規(guī)模分局部構(gòu)三、構(gòu)造應(yīng)力場1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析構(gòu)造應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)圖應(yīng)力場的表示方法：一般地，用地質(zhì)體（物體）內(nèi)各點的主應(yīng)力1、 2 、 3 ，或最大或最小剪應(yīng)力 的大小和方位來表示其應(yīng)力場的狀態(tài)和特征。構(gòu)造應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)圖依次沿相鄰的各點的主應(yīng)力或剪應(yīng)力方向連接得到的軌跡線稱為應(yīng)力軌跡線(又稱應(yīng)力網(wǎng)絡(luò))，由其繪制而成的應(yīng)力軌跡圖(應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)圖)能夠客觀地形象地定性表示某個地質(zhì)體（物體）內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)。10/11/2022三、構(gòu)造應(yīng)力場

13、1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析構(gòu)造應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)圖10/三、構(gòu)造應(yīng)力場1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析10/11/2022三、構(gòu)造應(yīng)力場1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析10/10/20221.2 應(yīng)力狀態(tài)分析單向壓縮的應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)最大應(yīng)力跡線最大剪應(yīng)力跡線最大剪應(yīng)力跡線10/11/20221.2 應(yīng)力狀態(tài)分析單向壓縮的應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)最大應(yīng)力跡線最大剪1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析單向拉伸的應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)最大應(yīng)力跡線最大前應(yīng)力跡線最大剪應(yīng)力跡線10/11/20221.2 應(yīng)力狀態(tài)分析單向拉伸的應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)最大應(yīng)力跡線最大前1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析純剪切的應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)最大應(yīng)力跡線最小應(yīng)力跡線最大剪應(yīng)力跡線10/11/20221.2 應(yīng)力狀態(tài)分析純剪切的應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)最大應(yīng)力跡線最

14、小應(yīng)力1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析直扭剪切附加側(cè)向壓縮的應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)10/11/20221.2 應(yīng)力狀態(tài)分析直扭剪切附加側(cè)向壓縮的應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)10/1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析直扭剪切附加側(cè)向拉伸的應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)10/11/20221.2 應(yīng)力狀態(tài)分析直扭剪切附加側(cè)向拉伸的應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)10/1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析旋扭剪切的應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)10/11/20221.2 應(yīng)力狀態(tài)分析旋扭剪切的應(yīng)力網(wǎng)絡(luò)10/10/202 例如, 一矩形物體在單向拉伸條件下, 僅有主張應(yīng)力s3的軌跡和最大剪應(yīng)力tmax軌跡線; 而在單向擠壓的條件下, 僅有主壓應(yīng)力s1和最大剪應(yīng)力tmax的軌跡線。1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析10/11/2022 例如, 一矩形物體在單向

15、拉伸條件下, 僅有主三、構(gòu)造應(yīng)力場1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析應(yīng)力等值線圖主應(yīng)力或剪應(yīng)力的應(yīng)力等值線圖能定量地表示某個地質(zhì)體（物體）內(nèi)各點的應(yīng)力分布及其變化特點。因此，這兩種圖件是常用的有效的應(yīng)力狀態(tài)表示方法之一。10/11/2022三、構(gòu)造應(yīng)力場1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析應(yīng)力等值線圖10/10三、構(gòu)造應(yīng)力場1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析構(gòu)造應(yīng)力的研究方法古構(gòu)造應(yīng)力場從構(gòu)造形跡的力學(xué)性質(zhì)及空間分布規(guī)律入手，反推形成構(gòu)造形跡時的應(yīng)力場的特征。反序法。節(jié)理統(tǒng)計、巖組分析、泥巴模擬、光彈模擬、數(shù)學(xué)地質(zhì)模擬等?，F(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場在地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上用儀器進行實地測定。10/11/2022三、構(gòu)造應(yīng)力場1.2 應(yīng)力狀態(tài)分析構(gòu)造應(yīng)力的

16、研究方法一、巖石的變形和應(yīng)變的概念1.3 巖石變形分析巖石的變形與位移變形巖石受力后，內(nèi)部各質(zhì)點之間的位置發(fā)生改變，使其形態(tài)或體積發(fā)生變化的現(xiàn)象。變形可分為 體積的改變形狀的改變體積、形狀均有改變10/11/2022一、巖石的變形和應(yīng)變的概念1.3 巖石變形分析巖石的變一、巖石的變形和應(yīng)變的概念1.3 巖石變形分析位移物體內(nèi)各質(zhì)點的位置在變形前后的相對變化。（平移、旋轉(zhuǎn)、體變、形變）平移、旋轉(zhuǎn)：改變坐標(biāo)，不改變形態(tài) （內(nèi)部各質(zhì)點相對位置不變）體變、形變：改變形態(tài)和體積 （內(nèi)部各質(zhì)點相對位置改變）10/11/2022一、巖石的變形和應(yīng)變的概念1.3 巖石變形分析位移10一、巖石的變形和應(yīng)變的概念

17、1.3 巖石變形分析位移位移的四種方式10/11/2022一、巖石的變形和應(yīng)變的概念1.3 巖石變形分析位移位移一、巖石的變形和應(yīng)變的概念1.3 巖石變形分析巖石的應(yīng)變應(yīng)變是指變形前后物體的形狀、大小或物質(zhì)線方位的改變量。（變形的程度）10/11/2022一、巖石的變形和應(yīng)變的概念1.3 巖石變形分析巖石的應(yīng)一、巖石的變形和應(yīng)變的概念1.3 巖石變形分析巖石的應(yīng)變線應(yīng)變變形前后線段長度的變化（ ）應(yīng)變量計算： A. 單位長度比： 式中：線應(yīng)變量； L 0、L變形前、后同一線段的長度比（伸長為正；縮短為負） B. 平方長度比：式中：變形后、前同一線段的長度比的平方10/11/2022一、巖石的變

18、形和應(yīng)變的概念1.3 巖石變形分析巖石的應(yīng)一、巖石的變形和應(yīng)變的概念1.3 巖石變形分析L0L10/11/2022一、巖石的變形和應(yīng)變的概念1.3 巖石變形分析L0L101.3 巖石變形分析 剪應(yīng)變巖石在剪應(yīng)力或扭應(yīng)力作用下，使巖石內(nèi)部原來垂直的兩條微小線段所夾直角的改變量。 （1）定義： 角應(yīng)變：變形前相互垂直的兩條直線， 變形后其夾角偏離直角的量（） 剪應(yīng)變：角應(yīng)變的正切（ ）（2）應(yīng)變量計算：= tg （右偏為正；左偏為負）10/11/20221.3 巖石變形分析 剪應(yīng)變巖石在剪應(yīng)二、巖石的變形和應(yīng)變的概念1.3 巖石變形分析主應(yīng)變、主應(yīng)變面和主應(yīng)變軸主應(yīng)變：三個相互垂直的截面上的線應(yīng)變

19、。主應(yīng)變面：只有線應(yīng)變的三個相互垂直的截面。應(yīng)變主方向：三個主應(yīng)變方向。（也稱主應(yīng)變軸）應(yīng)變方向平行最大伸長方向，為最大主應(yīng)變方向1（最大主應(yīng)變軸A或X）介于二者之間：為中間應(yīng)變方向2（中間主應(yīng)變軸B或Y）平行最大壓縮方向，為最小主應(yīng)變方向3（最大主應(yīng)變軸C或Z）10/11/2022二、巖石的變形和應(yīng)變的概念1.3 巖石變形分析主應(yīng)變、二、巖石的變形的方式1.3 巖石變形分析10/11/2022二、巖石的變形的方式1.3 巖石變形分析10/10/20三、均勻應(yīng)變與非均勻應(yīng)變1.3 巖石變形分析 1. 均勻應(yīng)變： （1）定義： 物體內(nèi)各質(zhì)點的應(yīng)變特點相同的變形(變形性質(zhì)、方向和大小都相同) （2

20、）特點：變形前 變形 變形后直線 直線平行直線 平行直線平面 平面平行平面 平行平面 10/11/2022三、均勻應(yīng)變與非均勻應(yīng)變1.3 巖石變形分析 1. 均勻三、均勻應(yīng)變與非均勻應(yīng)變1.3 巖石變形分析 2. 非均勻應(yīng)變： （1）定義： 物體內(nèi)各質(zhì)點的應(yīng)變特點發(fā)生變化的變形 (變形性質(zhì)、方向和大小發(fā)生變化的變形) 例如, 彎曲和扭轉(zhuǎn)就是非均勻變形, 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)主要研究的多是這類變形, 但在具體研究時, 多把整體的非均勻變形分解成局部的均勻變形來討論分析, 即把非均勻變形視為若干連續(xù)的局部均勻變形的總和。 （2）特點： 變形前 變形 變形后直線 曲線平行直線 非平行直線平面 曲面平行平面 非

21、平行平面 10/11/2022三、均勻應(yīng)變與非均勻應(yīng)變1.3 巖石變形分析 2三、均勻應(yīng)變與非均勻應(yīng)變1.3 巖石變形分析 3. 連續(xù)變形：物體內(nèi)從一點到另一點的應(yīng)變狀態(tài)是逐漸變化的（如彎曲）。4. 不連續(xù)變形：物體內(nèi)從一點到另一點的應(yīng)變狀態(tài)是突然變化（如斷開）。 褶皺是一種非均勻連續(xù)變形10/11/2022三、均勻應(yīng)變與非均勻應(yīng)變1.3 巖石變形分析 3. 連續(xù)三、均勻應(yīng)變與非均勻應(yīng)變1.3 巖石變形分析非均勻變形A.變形前；B.變形后；C.不連續(xù)變形彎曲變形10/11/2022三、均勻應(yīng)變與非均勻應(yīng)變1.3 巖石變形分析非均勻變形彎四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析在外力作用下，巖石變

22、形要經(jīng)歷彈性變形、塑性變形、斷裂變形三個階段。這三個階段依次發(fā)生, 但不是截然分開的, 而是彼此過渡的。由于巖石力學(xué)性質(zhì)不同, 不同巖石的三個變形階段的長短和特點也各不相同。1.彈性變形巖石在外力作用下變形, 當(dāng)外力解除后, 巖石又恢復(fù)到變形前的狀態(tài), 這種變形行為叫彈性變形。 特點：應(yīng)力與應(yīng)變成正比。（受力愈大，變形愈大，但有上限彈性極限）地震為例，小地震恢復(fù)，大地震破壞。10/11/2022四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析在外力作用下，巖石四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析 線段0B彈性變形階段。在巖石變形的初期階段, 應(yīng)力應(yīng)變圖上為一段斜率較陡的直線0A, 說明應(yīng)力與應(yīng)變成正比

23、, 與A點對應(yīng)的應(yīng)力值為比例極限; 線段AB為曲線, 這時應(yīng)力與應(yīng)變不成比例, 與B點對應(yīng)的應(yīng)力值y為彈性極限. 在B點前撤除應(yīng)力, 巖石可恢復(fù)到變形前的形態(tài).直線的斜率tan/E稱彈性模量10/11/2022四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析 線段0B彈四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析2.塑性變形物體受力變形, 當(dāng)作用力超過物體的彈性極限, 在物體中產(chǎn)生永久性不可恢復(fù)的變形叫塑性變形。特點：外形變化，但內(nèi)部結(jié)合力尚未破壞，任保持其連續(xù)性。褶皺構(gòu)造就是巖石塑性變形與彈性變形結(jié)合的具體表現(xiàn)。其本質(zhì)就是質(zhì)點的滑動位移。此外，巖石在強大的應(yīng)力下產(chǎn)生的壓溶和重結(jié)晶作用，也能促使巖石的變形。巖

24、石塑變性質(zhì)分類脆性巖石：塑性應(yīng)變幅度3%脆性韌性：塑性應(yīng)變幅度%韌性巖石：塑性應(yīng)變幅度10/11/2022四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析2.塑性變形物四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析塑性變形的特點: BD 曲線為塑性變形階段。應(yīng)力與應(yīng)變呈非線形關(guān)系, 當(dāng)外力解除之后物體也不能恢復(fù)原狀。在應(yīng)力應(yīng)變圖上, 從B點開始, 受力物體進入塑性變形階段, 過B點后, 曲線顯著彎曲, 當(dāng)達到C點后, 曲線變成近水平狀態(tài), 這意味著即使載荷增加很少, 甚至沒有增加載荷的情況下, 變形也會顯著增加, 此時巖石抵抗變形的能力很弱, 這種現(xiàn)象稱為屈服或塑性流變, C點為屈服點, 對應(yīng)該點的應(yīng)力值sg稱

25、屈服極限。過C點后應(yīng)力緩慢增加, 一直到D點, 應(yīng)力值增加到最大值。 10/11/2022四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析塑性變形的特點:1四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析10/11/2022四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析10/10/202四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析10/11/2022四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析10/10/202四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析10/11/2022四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析10/10/202四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析10/11/2022四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析10/10/20

26、2四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析斷裂變形： （教材29頁定義）定義：當(dāng)應(yīng)力達到或超過巖石的強度極限時，巖石的內(nèi)部結(jié)合力遭到破壞，就會產(chǎn)生破裂面，巖石失去連續(xù)完整性，這時就發(fā)生了斷裂變形。幾個概念：強度極限：是指在常溫常壓下使固體物質(zhì)開始破壞時的應(yīng)力值。強度：巖石抵抗外力作用的能力。一般巖石的抗壓強度要遠大于巖石的抗剪、抗張強度。（抗壓強度約為抗張強度的30倍）10/11/2022四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析斷裂變形： （教四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析斷裂變形的特點: 應(yīng)力與應(yīng)變呈非線性關(guān)系, 受力物體失去連續(xù)性。 在應(yīng)力應(yīng)變圖上, D點即為巖石的強度極限點, 對應(yīng)該

27、點的應(yīng)力值sD為強度極限, 過D點后, 應(yīng)力下降較快, 巖石產(chǎn)生破裂, 失去連續(xù)完整性。10/11/2022四、巖石變形的階段1.3 巖石變形分析斷裂變形的特點:1五、巖石的力學(xué)性質(zhì)1.3 巖石變形分析巖石的變形與巖石的力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。 巖石的彈性與塑性巖石具有彈性變形的性質(zhì)，稱為彈性。地震波的傳播，對研究地質(zhì)構(gòu)造無直接意義。巖石具有塑性變形的性質(zhì)，稱為塑性。 褶皺構(gòu)造 巖石是既具彈性，又具塑性的彈塑性材料，不存在消長關(guān)系。巖石的脆性與韌性 脆性: 巖石在彈性變形階段后至斷裂前, 沒有或只有極小的塑性變形(抗剪強度抗張強度10/11/2022七、巖石的強度和斷裂變形方式1.3 巖石變形分析巖

28、石的七、巖石的強度和斷裂變形方式1.3 巖石變形分析巖石的斷裂方式巖石受力發(fā)生斷裂的方式有張裂和剪裂兩種，張裂是在張力作用下產(chǎn)生的，當(dāng)張應(yīng)力達到或超過巖石的抗張強度時就會發(fā)生張裂。剪裂是在剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生的。當(dāng)剪應(yīng)力達到或超過巖石的抗剪強度時就會發(fā)生剪裂。受力類型張裂剪裂擠壓作用拉伸作用剪切作用10/11/2022七、巖石的強度和斷裂變形方式1.3 巖石變形分析巖石的八、巖石剪裂角的分析1.3 巖石變形分析巖石剪裂角和庫侖剪切破裂線的概念在巖石變形實驗中發(fā)現(xiàn), 巖石受到擠壓力的作用, 會在與擠壓力方向成一定交角的位置形成一對剪切破裂, 由于這一對剪切破裂是受同一作用力而形成的, 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中稱

29、這一對剪切破裂為共軛剪切破裂。 當(dāng)巖石發(fā)生共軛剪切破裂時, 包含s1象限的共軛剪切破裂面中間的夾角稱為共軛剪切破裂角（2）s1作用方向與剪切破裂面的夾角稱為剪裂角（）10/11/2022八、巖石剪裂角的分析1.3 巖石變形分析巖石剪裂角和庫八、巖石剪裂角的分析1.3 巖石變形分析 二維應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力分析可知, 兩組最大剪應(yīng)力作用面與s1或最小主應(yīng)力軸的夾角均為45, 二剪裂面之間的夾角為90, 二剪裂面的交線是中間應(yīng)力軸s2的作用方向。 但從野外實地觀察和室內(nèi)巖石實驗來看, 包含s1的共軛剪切破裂角常常90, 通常在60左右, 而共軛剪切破裂的剪裂角則45, 也就是說, 兩組共軛剪裂面并不沿理

30、論分析的最大剪應(yīng)力作用面的方位發(fā)育, 這個現(xiàn)象可用庫倫、莫爾強度理論來解釋。 10/11/2022八、巖石剪裂角的分析1.3 巖石變形分析 二維應(yīng)力狀態(tài)的1.3 巖石變形分析據(jù)巖石實驗, 庫倫剪切破裂準(zhǔn)則認為, 巖石抵抗剪切破壞的能力不僅與作用在截面上的剪應(yīng)力有關(guān), 而且還與作用在截面上的正應(yīng)力有關(guān), 設(shè)產(chǎn)生剪切破裂的極限剪應(yīng)力為t, 可寫成如下關(guān)系式: t=t0+msn 式中t0 是當(dāng)sn =0時巖石的抗剪強度, 在巖石力學(xué)中又稱內(nèi)聚力, 對于一種巖石而言t0是一常數(shù)。sn是剪切面上的正應(yīng)力, 當(dāng)sn為壓應(yīng)力時, sn為正值, t將增大;當(dāng)sn為張應(yīng)力時, sn為負值, t將減小; m為內(nèi)摩

31、擦系數(shù), 即為上述直線方程中的直線的斜率, 如果以直線的斜角f表示, 則m=tanf, 因此, 上式可寫成: t=t0+sn tan f10/11/20221.3 巖石變形分析據(jù)巖石實驗, 庫倫剪切破裂準(zhǔn)則認為,1.3 巖石變形分析t=t0+sn tan f 上式為庫倫剪切破裂準(zhǔn)則的關(guān)系式, f為巖石的內(nèi)摩擦角。在s、 t坐標(biāo)的平面內(nèi), 上式為兩直線, , 稱剪切破裂線, 該線與極限應(yīng)力圓的切點代表剪切破裂面的方位及其應(yīng)力狀態(tài)。圖中可以看出, 該切點并不代表最大剪應(yīng)力作用的截面,而是代表略小于最大剪應(yīng)力的一個截面。其上的壓應(yīng)力值介于s1 、s3之間, 并接近s3 值。剪切破裂線總是向著s軸的負

32、方向傾斜, 說明該截面上的剪應(yīng)力值比最大剪應(yīng)力值略小, 其上的壓應(yīng)力值卻比最大剪應(yīng)力面上的壓應(yīng)力要小得多, 因此, 該截面阻礙剪裂發(fā)生的抵抗力也就小得多, 所以, 在這個截面上最容易產(chǎn)生剪切破裂。10/11/20221.3 巖石變形分析t=t0+sn tan f10/101.3 巖石變形分析t=t0+sn tan f當(dāng)巖石發(fā)生剪切破裂時, 剪裂面與最大主應(yīng)力軸s1的夾角(剪裂角)q=45-f/2, 共軛剪裂角為2q=90f。由此可見, 剪裂角的大小取決于內(nèi)摩擦角(f)的大小, 內(nèi)摩擦角小, 剪裂角就大, 內(nèi)摩擦角大, 剪裂角就小。 不同巖石的內(nèi)摩擦角是不同的, 在變形條件相同的情況下, 脆性巖

33、石的內(nèi)摩擦角往往要大于韌性巖石的內(nèi)摩擦角。巖石沿著與最大主應(yīng)力軸分別呈45-/2和135- /2 夾角的兩個剪面破裂。10/11/20221.3 巖石變形分析t=t0+sn tan f巖石沿著與1.3 巖石變形分析莫爾剪切破裂準(zhǔn)則:該準(zhǔn)則認為, 相當(dāng)多材料的內(nèi)摩擦角f并不是一個固定的常數(shù), 其破裂線的方程一般表達式為: t n =f (sn )該破裂線稱莫爾包絡(luò)線, 其為曲線, 包絡(luò)線各點坐標(biāo)(sn , t n )代表各種應(yīng)力狀態(tài)下在即將發(fā)生剪切破裂的截面上的極限應(yīng)力值。由于f角是變化的, 因而剪裂角q也是變化的, 但仍小于45。10/11/20221.3 巖石變形分析莫爾剪切破裂準(zhǔn)則:10/

34、10/202一、應(yīng)變橢球體1.4 應(yīng)變橢球體與遞進變形應(yīng)變橢球體的概念巖石發(fā)生變形時, 其內(nèi)部質(zhì)點的相對位置將發(fā)生變化。設(shè)想在變形前巖石中有一個半徑為1 的單位球體, 變形后成為一橢球體。這一個橢球的形態(tài)和方位表示了巖石的應(yīng)變狀態(tài), 稱為應(yīng)變橢球體.應(yīng)變橢球有三個互相垂直的主軸, 沿主軸方向只有線應(yīng)變而沒有剪應(yīng)變。 在三個主軸不等時, 分別叫最大應(yīng)變軸, 最小應(yīng)變軸和中間應(yīng)變軸.10/11/2022一、應(yīng)變橢球體1.4 應(yīng)變橢球體與遞進變形應(yīng)變橢球體的一、應(yīng)變橢球體1.4 應(yīng)變橢球體與遞進變形1. 定義： 用來表示應(yīng)變狀態(tài)的橢球2. 特征： (1)變形前是球，均勻變形后為一橢球 (2)有三個相

35、互垂直的主軸（X、Y、Z），分別代表最大、中間、最小應(yīng)變軸（或1、2、3；A、B、C ） (3)有三個相互垂直的主平面（YZ、XZ、XY），分別垂直X、Y、Z軸 (4)應(yīng)力與應(yīng)變有密切關(guān)系： 最大應(yīng)變軸平行最小壓應(yīng)力軸和最大張應(yīng)力軸 最小應(yīng)變軸平行最大壓應(yīng)力軸和最小張應(yīng)力軸10/11/2022一、應(yīng)變橢球體1.4 應(yīng)變橢球體與遞進變形1. 定義：1一、應(yīng)變橢球體1.4 應(yīng)變橢球體與遞進變形分別以X,Y,Z (或A, B, C) 來表示應(yīng)變橢球的最大, 中間, 最小應(yīng)變軸, 包含任意兩個主軸所構(gòu)成的平面叫主平面. 所以, 應(yīng)變橢球體具有XY, YZ, XZ ( 或AB, BC, AC) 主軸構(gòu)成

36、的三個主平面。10/11/2022一、應(yīng)變橢球體1.4 應(yīng)變橢球體與遞進變形分別以X,Y,一、應(yīng)變橢球體1.4 應(yīng)變橢球體與遞進變形應(yīng)變橢球體的三個主軸方向與地質(zhì)構(gòu)造的空間方位有關(guān)： 垂直最小應(yīng)變軸Z軸的主平面(XY面, 或AB面)是壓扁變形面, 它代表了褶皺構(gòu)造的軸面, 片理面等面狀地質(zhì)構(gòu)造的方位. 平行最小應(yīng)變軸Z軸的主平面(XY面, 或AB面)是最大壓縮方向. 垂直最大應(yīng)變軸X軸的主平面(YZ面, 或BC面)是拉伸變形面, 它代表了張節(jié)理等面狀地質(zhì)構(gòu)造的的方位. 平行最大應(yīng)變軸X軸的主平面(YZ面, 或BC面)是最大拉伸方向, 它常常反映在礦物的拉伸定向排列上. YZX10/11/202

37、2一、應(yīng)變橢球體1.4 應(yīng)變橢球體與遞進變形應(yīng)變橢球體的三二、遞進變形1.4 應(yīng)變橢球體與遞進變形遞進變形的概念在同一動力持續(xù)作用的變形過程中, 如果應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生連續(xù)的變化, 這種變形叫做遞進變形 遞進變形是一個過程, 在此變形過程中, 巖石內(nèi)部的應(yīng)變狀態(tài)隨變形過程的發(fā)展而變化, 會依次出現(xiàn)性質(zhì)和方位不同的應(yīng)變狀態(tài), 并導(dǎo)致地質(zhì)構(gòu)造變形的發(fā)展及其力學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)化。因此, 遞進變形既涉及變形的空間分布規(guī)律, 也涉及到時間因素, 它是巖石變形的歷史過程。 10/11/2022二、遞進變形1.4 應(yīng)變橢球體與遞進變形遞進變形的概念1二、遞進變形對于同一變形過程來說, 增量應(yīng)變和全量應(yīng)變之間是有密切關(guān)系

38、的, 全量應(yīng)變的大小等于各階段增量應(yīng)變之和。10/11/2022二、遞進變形對于同一變形過程來說, 增量應(yīng)變和全量應(yīng)變之間是二、遞進變形10/11/2022二、遞進變形10/10/2022二、遞進變形10/11/2022二、遞進變形10/10/2022二、遞進變形遞進的簡單剪切是非共軸遞進變形的典型實例。 10/11/2022二、遞進變形遞進的簡單剪切是非共軸遞進變形的典型實例。 10一、巖石的成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造1.5 影響巖石力學(xué)性質(zhì)和變形的因素巖石礦物成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，所處的地質(zhì)環(huán)境包括圍壓、溫度、溶液、孔隙壓力、應(yīng)力作用方式和作用時間等，對巖石的力學(xué)性質(zhì)和變形的影響都是十分明顯的。巖石的成

39、分巖石成分，在一定的條件下，對巖石的力學(xué)性質(zhì)和變形會產(chǎn)生明顯的影響。含硬度大的粒狀礦物越多的巖石，強度越大，呈脆性變形，如石英砂巖，花崗巖等。含硬度的片狀礦物，強度越小，呈韌性變形，如粘土巖、片巖等。10/11/2022一、巖石的成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造1.5 影響巖石力學(xué)性質(zhì)和變形一、巖石的成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造1.5 影響巖石力學(xué)性質(zhì)和變形的因素巖石的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造10/11/2022一、巖石的成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造1.5 影響巖石力學(xué)性質(zhì)和變形二、圍壓（靜巖壓力）1.5 影響巖石力學(xué)性質(zhì)和變形的因素巖石處于地下深處時, 承受著周圍巖體對它施加的圍壓, 巖石所處深度越大, 圍壓就越大, 增大圍壓的效應(yīng)一方面增大了

40、巖石的強度極限, 另一方面增大了巖石的韌性。10/11/2022二、圍壓（靜巖壓力）1.5 影響巖石力學(xué)性質(zhì)和變形的因素三、溫度1.5 影響巖石力學(xué)性質(zhì)和變形的因素絕大多數(shù)巖石在近地表的常溫常壓的條件下是脆性的, 隨著巖石所處深度的增加, 溫度也隨之的升高, 溫度的升高導(dǎo)致巖石的強度降低, 彈性減弱, 韌性顯著增強。10/11/2022三、溫度1.5 影響巖石力學(xué)性質(zhì)和變形的因素絕大多數(shù)巖石三、溫度1.5 影響巖石力學(xué)性質(zhì)和變形的因素高溫塑性變形形成的腸狀褶皺10/11/2022三、溫度1.5 影響巖石力學(xué)性質(zhì)和變形的因素高溫塑性變形四、溶液1.5 影響巖石力學(xué)性質(zhì)和變形的因素影響巖石的強度和

41、質(zhì)點遷移能力(異?？紫读黧w) 。在干燥和潮濕這兩種不同的條件下, 巖石的力學(xué)性質(zhì)是大不相同的。當(dāng)巖石中有溶液或水蒸氣時, 會降低巖石的強度極限, 增加了巖石的韌性。此外, 巖石中的溶液, 可以降低巖石內(nèi)礦物顆粒之間的粘結(jié)力, 使巖石受力后, 易發(fā)生顆粒粒間滑動, 從而造成巖石的塑性變形。溶液還可溶解巖石中的部分易溶組分, 在巖石中留下微小孔洞, 導(dǎo)致巖石的強度降低。10/11/2022四、溶液1.5 影響巖石力學(xué)性質(zhì)和變形的因素影響巖石的強1.5 影響巖石力學(xué)性質(zhì)和變形的因素 巖石的變形實驗還表明, 同一種巖石, 因其內(nèi)中的溶液介質(zhì)不同, 其強度降低的程度也不同。例如, 處于圍壓為1000MP

42、a的大理巖, 在煤油介質(zhì)內(nèi)的抗壓強度為810MPa, 但在水溶液中, 它的抗壓強度卻降低為156MPa, 僅為在煤油中的抗壓強度的五分之一。 溶液對巖石的力學(xué)性質(zhì)的影響的原因是, 溶液的加入使分子的活動能力增強, 由此導(dǎo)致了巖石的內(nèi)摩擦力和分子之間的凝聚力必然減少, 從而降低了巖石和礦物的強度。下表列舉了部分巖石在干燥和潮濕條件下抗壓強度的降低率(單位:Mpa) 10/11/20221.5 影響巖石力學(xué)性質(zhì)和變形的因素 巖石五、孔隙水壓力在沉積物沉積時, 一些流體被封閉在粒間孔隙內(nèi), 沉積物被壓實后, 其中部分液體被擠出, 但大部分仍留巖石孔隙中和巖層中。這種巖石孔隙內(nèi)的流體的壓力稱為孔隙壓力 。在正常情況下, 地殼內(nèi)任一深度上孔隙水的流體靜壓力相當(dāng)于這一深度到地表的水柱的壓力, 約等于圍壓(靜巖壓力)的40%。由于快速沉積或構(gòu)造變動使沉積物快速壓實而孔隙水不能及時排出