構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課件

第二、三講

地質(zhì)體的基本產(chǎn)狀及沉積巖層構(gòu)造地質(zhì)體及其界面地質(zhì)體的概念地質(zhì)體：各種成因的自然巖石體或土質(zhì)體。特點(diǎn)：形態(tài)各異，尺度多種，性狀多樣地質(zhì)體的界面

地質(zhì)體間及其內(nèi)部幾何的、物理（物質(zhì)）的接觸面——

界面。

特點(diǎn)：多類型、多尺度、多成因、多物理環(huán)境

實(shí)際的物理界面

巖層層面——

斷層面——

不整合接觸面——

面理面——

等等

從幾何學(xué)的角度來看，兩條線可以構(gòu)成一個面，而線又是點(diǎn)的集合。因此，從這個意義來說，地質(zhì)體實(shí)際上可以看成是一系列線和面的集合體，也就可以用線和面來表示。線狀構(gòu)造——

面狀構(gòu)造——面狀和線狀構(gòu)造的概念

面狀構(gòu)造:指地質(zhì)體中幾何的或物理的呈面狀的結(jié)構(gòu)面—如巖層層面、斷層面、（黑板面）等。

線狀構(gòu)造：指地質(zhì)體中幾何的或物理的具一定方向延長的構(gòu)造—如斷層線、礦物定向排列而成的生長線、擦痕線、（黑板邊線）等。面狀構(gòu)造的產(chǎn)狀要素

雖然構(gòu)造的類型、成因、規(guī)模和形態(tài)千差萬別，但從幾何學(xué)上看，其基本結(jié)構(gòu)可歸納為面狀結(jié)構(gòu)和線狀結(jié)構(gòu)。觀察和測定這些面狀結(jié)構(gòu)和線狀結(jié)構(gòu)的空間方位和產(chǎn)出狀態(tài)——即產(chǎn)狀，則是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究的基礎(chǔ)。

“產(chǎn)狀”——是什么？產(chǎn)狀要素——產(chǎn)狀三要素——

面狀構(gòu)造的產(chǎn)狀——指面狀構(gòu)造的空間產(chǎn)出狀態(tài)，即指其與水平參考面和地理方位之間的關(guān)系。任何面狀構(gòu)造或地質(zhì)體界面的產(chǎn)狀均以其走向、傾向和傾角的數(shù)據(jù)表示。其中，傾向和傾角是必要條件。

一般認(rèn)為：除盆地（包括洋盆和陸盆）的邊緣外，沉積巖層的初始產(chǎn)狀都是水平的，受到力的作用發(fā)生變形后，它們的產(chǎn)狀才有可能發(fā)生改變。這是研究地質(zhì)界面產(chǎn)狀在變形前后發(fā)生變化與否的重要的基礎(chǔ)性參考“坐標(biāo)”。走向、傾向、傾角(

)走向:傾斜面與水平面的交線叫走向線（左圖中AE），走向線兩端延伸的方向即為該平面的走向。傾向：傾斜平面上與走向線相垂直的線叫傾斜線（OD），傾斜線在水平面上的投影所指的（沿平面向下傾斜的）方位即傾向。傾角(

)：指傾斜面與水平面之間的夾角。視傾向和視傾角(

)視傾向視傾角(

)tan

=tan

*cos

—界面傾向線和視傾斜線之間的夾角在水平面上的投影

產(chǎn)狀要素的表示方法圖示法——長線表示走向，短線表示傾向，數(shù)字表示傾角數(shù)字法

SE150

60

象限法

S30

E

60

注意其習(xí)慣用法?。?0NSEW線狀構(gòu)造的產(chǎn)狀要素直線的產(chǎn)狀是指直線在空間的方位和傾斜的程度。直線的產(chǎn)狀要素包括傾伏向、傾伏角；或其所在平面上的側(cè)伏向和側(cè)伏角。傾伏向和傾伏角（

)

傾伏向和傾伏角（

)

傾伏向(指向):

某一線段在空間的沿傾斜方向的延伸方向，即某一傾斜直線在向下傾斜方位上的水平投影線所指示的方向，用方位角或象限角表示。傾伏角：

指直線的傾斜角度，即直線與其水平投影線間所夾之銳角。側(cè)伏向和側(cè)伏角（

）側(cè)伏角——

當(dāng)線狀構(gòu)造包含在某一傾斜平面內(nèi)時，此線與該平面走向線間所夾之銳角即為此線在那個面上的側(cè)伏角（用量角器現(xiàn)場測量）。側(cè)伏向——

就是構(gòu)成上述側(cè)伏角的走向線的那一端的方位。表達(dá)方法

傾伏SE120

30

側(cè)伏45

NE或直接書寫為“側(cè)伏向NE,側(cè)伏角45”。

巖層的面向——巖層由老變新的方向-箭頭所指新地層老地層12354☆

面向和層序面向——是成層巖層頂面法線所指的方向，是巖層由老到新的方向。層序——是巖層的順序。成層巖層從下到上，地層由老到新—正常層序，面向指向上。成層巖層從下到上，地層由新到老—倒轉(zhuǎn)層序，面向指向下?！罾酶鞣N原生構(gòu)造及其指示面向的方法

層理：成分和結(jié)構(gòu)均一的紋層成層顯示出來的構(gòu)造——原生沉積構(gòu)造。巖層面向的確定標(biāo)志

沉積巖層的沉積學(xué)標(biāo)志

層理——

波痕——

泥裂——

印痕——

化石產(chǎn)出狀態(tài)等——

巖漿巖巖石學(xué)標(biāo)志波痕遞變層理：顆粒粒度的從底到頂由粗變細(xì)，其頂面與上一層底面是突變的。暴露標(biāo)志：

波痕：尖脊指向頂面，圓弧指向底面。泥裂印痕斜層理斜層理斜層理貝殼疊層石疊層石繩狀構(gòu)造流動構(gòu)造杏仁構(gòu)造枕狀構(gòu)造

軟沉積變形軟沉積變形：是指沉積物尚未完全固結(jié)成巖時（期間）發(fā)生的變形。主要為負(fù)荷引起的軟沉積變形

火焰狀構(gòu)造——

球狀——枕狀構(gòu)造——卷曲層理鮑馬序列沉積巖層的產(chǎn)狀類型：

根據(jù)巖層傾角α的大小可分為：

水平巖層

α＜50°

傾斜巖層

50°＜α＜85°

直立巖層

α＞85°

水平巖層水平巖層——沒有經(jīng)過構(gòu)造變動的、仍然保持成巖時的原始水平狀態(tài)的沉積巖。特征：下老上新地形地質(zhì)圖上的表現(xiàn)——巖層頂?shù)字g垂直距離（海拔高差）=厚度水平巖層地貌水平巖層地貌地質(zhì)界線——與等高線平行或重合巖層厚度——是其頂?shù)酌娴母卟顜r層出露寬度——是其頂、底面的水平距，其大小與巖層厚度和地面坡度有關(guān)傾斜巖層傾斜巖層——就是指巖石層面向某個方向傾斜的巖層。是巖層發(fā)生變形的結(jié)果－即構(gòu)造中最基本的、或者說是最多見的現(xiàn)象。水平地質(zhì)界面傾斜地質(zhì)界面“V”字形法則

“V”字形法則——傾斜巖層地質(zhì)界線在地形地質(zhì)圖上彎曲的規(guī)律。其特征受地質(zhì)界面傾角、地形坡度及地形與地質(zhì)界面產(chǎn)狀之間的相互關(guān)系等三個因素制約。表現(xiàn)為：

當(dāng)?shù)刭|(zhì)界面傾向與地形坡向“相反”時，地質(zhì)界線的彎曲與地形等高線的彎曲“相同”，即地質(zhì)界線在溝谷處形成尖端指向上游的“V”字形，在山脊處形成尖端指向下坡的“V”字形。地質(zhì)界線的彎曲緊閉度小于地形等高線的彎曲緊閉度。根據(jù)巖層傾向，傾角和地面坡向，坡角的關(guān)系，分為三種情況:

A.巖層傾向與地面坡向“相反”：地質(zhì)界線與等高線彎曲方向一致，但比等高線開闊。

“相反”——相同

當(dāng)?shù)刭|(zhì)界面傾向與地形坡向“相同”，但地質(zhì)界面的傾角大于地形的坡角時，地質(zhì)界線在溝谷處形成尖端指向下游的“V”字形，在山脊處形成尖端指向上坡的“V”字形。

B.地層傾向與地形坡向“相同”地質(zhì)界面的傾角大于地形的坡角——在圖上，地質(zhì)界線與等高線彎曲方向“相反”。

“相同”-相反

當(dāng)?shù)刭|(zhì)界面傾向與地形坡向相同，但地質(zhì)界面的傾角小于地形的坡角時，地質(zhì)界線在溝谷處形成尖端指向上游的“V”字形，在山脊處形成尖端指向下坡的“V”字形，但地質(zhì)界線的彎曲緊閉度大于地形等高線的彎曲緊閉度。

地質(zhì)界面傾向與地形坡向相同，地質(zhì)界面的傾角小于地形的坡角垂直巖層

地質(zhì)界線不受地形的影響，是一條直線。

垂直巖層直立巖層與直立地質(zhì)界面

地層的接觸關(guān)系整合接觸關(guān)系不整合接觸關(guān)系平行不整合——角度不整合——

角度不整合接觸關(guān)系地質(zhì)圖——

用規(guī)定的符號、色譜、花紋表示，按一定比例把地殼某一部分地質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造地質(zhì)現(xiàn)象等地質(zhì)內(nèi)容正投影到地形圖（水平面）上得到的一種圖件。幾何界面——褶皺軸面，等第四講

構(gòu)造研究中的

應(yīng)力分析基礎(chǔ)基本概念外力、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。力－是物體之間或物體內(nèi)部粒子之間的一種相互作用．它趨向于引起物體形態(tài)，大小或運(yùn)動狀態(tài)的改變．面力－（接觸力）體力－（非接觸力）

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。

內(nèi)力由外力作用引起的物體內(nèi)部各部分之間的相互作用力。內(nèi)力－外力，是個相對概念內(nèi)力

→

外力。視研究對象而定．

內(nèi)力可能是均勻分布的，也可能不是，為了便于度量和研究，提出了“應(yīng)力”的概念。其分析方法—截面法。

←應(yīng)力－單位面積上的內(nèi)力。一般用“公斤／平方厘米”表示

內(nèi)力/面積

P/Ｆ

dP/dA

A

一般地，應(yīng)力是矢量。當(dāng)P不垂直于Ｆ時，有：

正應(yīng)力垂直于被作用面Ｆ的應(yīng)力，用

表示

剪應(yīng)力平行于被作用面Ｆ的應(yīng)力，用

表示應(yīng)力的符號

約定：正應(yīng)力以擠壓為正、以拉張為負(fù)；剪應(yīng)力以逆時針方向?yàn)檎?、以順時針方向?yàn)樨?fù)。

（用圖表示）

總應(yīng)力＝正應(yīng)力的平方與剪應(yīng)力的平方之和的開平方。主應(yīng)力－

１＞

２＞

３

應(yīng)力反應(yīng)了作用在截面上內(nèi)力的密集程度．對形狀不規(guī)則的物體，在外力作用下，沿截面最小處易于破壞．點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)

應(yīng)力矢量（Ｐ）是與截面聯(lián)系在一起的．通過地殼巖石中的任何一點(diǎn)（m），可作出無數(shù)個截面，因而存在無數(shù)個應(yīng)力矢量．故地塊中某一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)是不能用一個簡單的矢量來表示的．

一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，在直角坐標(biāo)系中可以近似地看成是一個無限微小的正六面體單元體。一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)

剪應(yīng)力互等定理－兩個正交截面上的剪應(yīng)力，其數(shù)值大小相等、方向共同指向截面交線或背離兩截面交線．即數(shù)值相等，符號相反．

——此又稱為剪應(yīng)力成對定理．應(yīng)力分量－１８個→９個可寫成矩陣形式：

主應(yīng)力

彈性力學(xué)可以證明：對于給定的一個單元體，總能夠找到這樣一種取向：單元體表面上的剪應(yīng)力分量都為零，即三個正交截面上沒有剪應(yīng)力作用而只有正應(yīng)力作用，這種情況下的正應(yīng)力稱為該點(diǎn)的主應(yīng)力，分別以

1、

2、

3表示。且約定：

1＞

2＞

3

，其中：

1、

2、

3分別代表最大、中間和最小主應(yīng)力。應(yīng)力橢球當(dāng)

1、

2

、

3

中有兩個主應(yīng)力為零，而另一個不為零時，稱為單軸應(yīng)力狀態(tài)；

當(dāng)

1、

2

、

3

中有兩個主應(yīng)力不為零，而另一個為零時，稱為雙軸應(yīng)力狀態(tài)；

當(dāng)

1、

2

、

3

中三個主應(yīng)力均不為零時，稱為三軸應(yīng)力狀態(tài)。特殊地，當(dāng)

1=

2=

3時，稱為均壓狀態(tài)。

而

1－

3=

，稱為差異應(yīng)力，它是引起物體發(fā)生形變的力。A.單軸壓應(yīng)力B.靜水壓力C.三軸壓應(yīng)力D.雙軸壓應(yīng)力E.平面應(yīng)力F.純剪應(yīng)力

主方向

主應(yīng)力作用的方向

主平面

三個分別包含其中兩個主應(yīng)力的正交截面。主方向(A)主平面(B)

二維應(yīng)力分析和應(yīng)力莫爾圓二維應(yīng)力分析對于在以

1為橫坐標(biāo)、

2

為縱坐標(biāo)的直角坐標(biāo)系中的任一單位斜截面AB，假設(shè)其法線與橫坐標(biāo)

1的夾角為

，并沿該坐標(biāo)軸方向受到雙向擠壓應(yīng)力

1和

2的作用，那么，在這個截面上把應(yīng)力

1和

2分別轉(zhuǎn)換成平行于坐標(biāo)軸的作用力P1和P2，則有：

因?yàn)锳B=1（單位長度）,OA=sin

,OB=cos

所以

P1=

1cos

P2=

2sin

則，垂直于AB截面的作用力為：

Pn=P1cos

+P2sin

因?yàn)锳B=1所以該截面上的正應(yīng)力

為

=Pn/AB=P1cos

+P2sin

=

1cos

cos

+

2sin

sin

或

=(

1+

2)/2+(

1-

2)/2×cos2…

(1)

平行于AB面的剪切作用力Pt

為

Pt=P1sin

－P2cos

則，剪應(yīng)力為

=Pt/AB=

1cos

sin

－

2sin

sin

=(

1-

2)/2×sin2

…

…

(2)

從(2)式可得：

當(dāng)2

=90

時，

為最大

所以，最大剪應(yīng)力作用面與

1

和

2軸的夾角為45

。應(yīng)力莫爾圓由上述(1)2+(2)2

得：

(

－(

1+

2)/2)2+(

)2

=

((

1-

2)/2)2

…

…

(3)(3)式為：以

為橫坐標(biāo)軸和

為縱坐標(biāo)的直角坐標(biāo)系中的一個圓的方程式，這個圓稱為應(yīng)力莫爾圓。應(yīng)力莫爾圓

（1）當(dāng)

=0

時，

=

1，

=0；（2）當(dāng)

=90

時，

=

2，

=0；（3）當(dāng)

=45

或135

時，

=最大值，為(

1-

2)/2；（4）當(dāng)

1=

2，

=0時，為均壓無剪應(yīng)力；在三維狀態(tài)中，當(dāng)

1=

2=

3

時，為靜水壓力。應(yīng)力莫爾圓的物理意義是：應(yīng)力場及其表示方法應(yīng)力場－某個地質(zhì)體（物體）內(nèi)部各點(diǎn)的瞬時應(yīng)力狀態(tài)在三維空間上的組成的總體，稱為應(yīng)力場。構(gòu)造應(yīng)力場－構(gòu)造作用造成的應(yīng)力場稱為構(gòu)造應(yīng)力場．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．研究構(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?！葱蚍☉?yīng)力場的表示方法：

一般地，用地質(zhì)體（物體）內(nèi)各點(diǎn)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。

依次沿相鄰的各點(diǎn)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，由它們繪制而成的應(yīng)力軌跡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)；而主應(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(diǎn)的應(yīng)力分布及其變化特點(diǎn)。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。AB二維應(yīng)力軌跡圖A擠壓狀態(tài)；B剪切狀態(tài)附加側(cè)向拉伸條件下簡單剪切時的應(yīng)力狀態(tài)A應(yīng)力等值線圖；B主應(yīng)力軌跡圖；C剪應(yīng)力軌跡圖應(yīng)力場的擾動－均勻應(yīng)力場－非均勻應(yīng)力場由于巖塊或地塊內(nèi)部的局部不均勻性和不連續(xù)性等，可造成應(yīng)力場的局部變化．即稱為應(yīng)力場的擾動．圓孔附近的應(yīng)力場擾動－斷裂尖端的應(yīng)力場擾動－等等第五講

變形巖石的應(yīng)變分析基礎(chǔ)一、變形和位移1.1變形處于地殼和巖石圈中的任何地質(zhì)體，受到力作用而會發(fā)生變形。變形—是指地質(zhì)體（物體）初始形狀、方位或位置發(fā)生了改變。1.2位移

位移是指地質(zhì)體（物體）及其內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)初始位置的改變，是通過物體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的初始位置和終止位置的變化來表達(dá)的。

質(zhì)點(diǎn)的初始位置和終止位置的連線叫位移矢量。這條線只代表位移的最終結(jié)果，而不代表位移的實(shí)際路徑。

1.3位移方式

四種方式:

平移——（圖示）

旋轉(zhuǎn)——

形變——

體變——

平移：變形前后質(zhì)點(diǎn)位置的平行移動旋轉(zhuǎn)：變形前后物質(zhì)線方位的改變形變：變形前后物體形狀的改變體變：變形前后物體體積的改變二、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。2.1線應(yīng)變

指變形前后物體中線段長度的改變量，一般用e表示：

e=（L1-L0）/L0

（1）（1）式中L0和L1分別代表變形前和變形后線段的長度。并約定：伸長應(yīng)變?yōu)檎?、縮短應(yīng)變?yōu)樨?fù)值。L1L0L12.2平方長度比

指變形前后線段長度比的平方，一般用

表示：

=(L1/L0)2

=(1+e)2

（2）2.3剪應(yīng)變

變形前相互垂直的兩條物質(zhì)線，變形后其夾角偏離直角的改變量稱為角剪應(yīng)變

，其正切稱為剪應(yīng)變

。

L1L0L即：

=tan

（3）

并約定：逆時針方向旋轉(zhuǎn)的剪應(yīng)變?yōu)檎怠㈨槙r針方向旋轉(zhuǎn)的剪應(yīng)變?yōu)樨?fù)值。

三、均勻應(yīng)變和非均勻應(yīng)變3.1均勻應(yīng)變變形物體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)變特征相同。3.2非均勻應(yīng)變變形物體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)變特征發(fā)生不同的變化。四、連續(xù)變形和不連續(xù)變形

如果物體內(nèi)從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)是逐漸改變的，則稱為連續(xù)變形；如果是突然改變的，則應(yīng)變是不連續(xù)的，稱為不連續(xù)變形。例如物體的兩部分之間發(fā)生了斷裂。五、應(yīng)變橢球體5.1概念單位圓球體經(jīng)均勻應(yīng)變變成的橢球體稱為應(yīng)變橢球體。

從數(shù)學(xué)上可以證明和推導(dǎo)出，由單位圓球變成的應(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。這三個主軸分別以X、Y、Z或A、B、C表示，并分別代表應(yīng)變橢球體的最大、中間和最小應(yīng)變主軸。包含應(yīng)變橢球體的任意兩個應(yīng)變主軸的平面稱為應(yīng)變主平面。分別以XY、XZ、YZ或AB、AC、BC三個平面表示。5.2應(yīng)變橢球體的類型：Flinn圖解應(yīng)變橢球體的形態(tài)及其類型可用圖解來表示，其中Flinn圖解是常用的。在該圖解中：

a=X/Y=(1+e1)/(1+e2)（4）

b=Y/Z=(1+e2)/(1+e3)（5）

K=tan

=(a－1)/(b－1)（6）

圖解中P點(diǎn)的K值代表任意一點(diǎn)的應(yīng)變橢球體狀態(tài)，P點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)（1，1）之間的距離d反映了應(yīng)變橢球體的應(yīng)變強(qiáng)度。

當(dāng)e2=0，K=1，

V=0時，稱為平面應(yīng)變；

當(dāng)e2

0時，為壓扁應(yīng)變區(qū)；

當(dāng)e2

0時，為收縮應(yīng)變區(qū)。六、旋轉(zhuǎn)變形和非旋轉(zhuǎn)變形6.1旋轉(zhuǎn)變形變形過程中平行于應(yīng)變橢球體主應(yīng)變軸方向的物質(zhì)線方位發(fā)生了改變的變形（應(yīng)變），稱為旋轉(zhuǎn)變形。簡單剪切變形（一種體變?yōu)榱愕钠矫鎽?yīng)變）就是其典型的代表。簡單剪切變形6.2非旋轉(zhuǎn)變形

變形過程中平行于應(yīng)變橢球體主應(yīng)變軸方向的物質(zhì)線方位始終保持不變的變形（應(yīng)變），稱為非旋轉(zhuǎn)變形。純剪變形（一種體變?yōu)榱愕钠矫鎽?yīng)變）就是其典型的代表。

簡單剪切變形與純剪變形七、遞進(jìn)變形7.1有限應(yīng)變和增量應(yīng)變物體變形的最終狀態(tài)與初始狀態(tài)對比發(fā)生的變化，稱為有限應(yīng)變或總應(yīng)變。在變形過程中，物體從初始狀態(tài)變化到最終狀態(tài)的過程是一個由許許多多次微量應(yīng)變的逐次疊加過程，這種變形的發(fā)展過程稱為遞進(jìn)變形。有限應(yīng)變和增量應(yīng)變

其中，變形期中某一瞬間正在發(fā)生的小應(yīng)變叫增量應(yīng)變，如果所取瞬間非常微小，其間發(fā)生的微量應(yīng)變可稱為無限小應(yīng)變。

遞進(jìn)變形就是許多次無限小應(yīng)變逐漸累積的過程。在變形史的任一階段，都可把應(yīng)變狀態(tài)分解為兩部分：一部分是已經(jīng)發(fā)生了的有限應(yīng)變；另一部分是正在發(fā)生的無限小應(yīng)變或增量應(yīng)變。7.2共軸遞進(jìn)變形在遞進(jìn)變形過程中，如果各增量應(yīng)變橢球的主軸始終與有限應(yīng)變橢球的主軸一致，這種變形叫共軸遞進(jìn)變形。否則就叫非共軸遞進(jìn)變形。

共軸遞進(jìn)變形7.3非共軸遞進(jìn)變形遞進(jìn)的簡單剪切是非共軸遞進(jìn)變形的典型實(shí)例。

第六講

巖石力學(xué)性質(zhì)一、三軸應(yīng)力條件下的巖石變形實(shí)驗(yàn)1.1巖石變形強(qiáng)度的幾種圖解表示法應(yīng)力－應(yīng)變圖解

e

應(yīng)力－應(yīng)變速率圖解è

應(yīng)力（應(yīng)變）－時間圖解

t(e)

應(yīng)力－深度圖解

H1.2巖石的材料性質(zhì)實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究表明，巖石的材料性質(zhì)主要有下列四種基本類型：彈性材料粘性材料（牛頓流體或線性粘性流體）塑性材料復(fù)合材料

eE1.2.1彈性材料

=Ee或

=2

（1）

其中：E為揚(yáng)氏模量，e為應(yīng)變量，

為內(nèi)摩擦系數(shù)，

為剪應(yīng)變。

變形特征：象彈簧一樣發(fā)生變形。當(dāng)應(yīng)力消失后，材料完全復(fù)原到未變形狀態(tài)。1.2.2粘性材料

=2

或

=2

（2）其中，

為粘性系數(shù)，

和

分別為線應(yīng)變速率和剪應(yīng)變速率。

變形特征：象牛頓流體（蜂蜜體）一樣發(fā)生流動變形，應(yīng)力越大，流動越大；應(yīng)力消除，流動停止，但不能復(fù)原到未變形時的狀態(tài)。

2

1.2.3塑性材料

S

或

K或

y

（3）其中，K為屈服應(yīng)力。變形特征：產(chǎn)生永久變形，當(dāng)應(yīng)力消除后部分復(fù)原，大部分保留變形時的狀態(tài)。

e1.2.4復(fù)合材料彈塑性體、彈粘性體、粘塑性體等

e

y1.3巖石變形行為彈性變形塑性變形破裂變形（脆性變形)

e巖石變形的一般化應(yīng)力--應(yīng)變關(guān)系`y

y1.4影響巖石變形的因素☆物質(zhì)組成☆結(jié)構(gòu)構(gòu)造☆溫度☆壓力☆應(yīng)變速率☆流體☆時間溫度增大溫度，巖石的屈服極限降低，韌性增大壓力應(yīng)變速率

孔隙流體的存在，可以降低巖石強(qiáng)度，促進(jìn)巖石塑性變形

孔隙流體壓力的存在，促進(jìn)巖石發(fā)生脆性破裂。

孔隙流體

時間

降低應(yīng)變速率，巖石的屈服極限降低，韌性增大時間－

應(yīng)變速率降低應(yīng)變速率，巖石的屈服極限降低，韌性增大蠕變和松弛

蠕變和松弛在低于巖石彈性極限下導(dǎo)致巖石發(fā)生塑性變形，相當(dāng)與降低巖石彈性極限，韌性增大——概念破裂變形實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究表明：當(dāng)所施加的應(yīng)力強(qiáng)度等于或超過巖石抗張強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度極限時，巖石體就發(fā)生破裂變形。破裂方式：一組張性破裂面和兩組剪性破裂面。剪裂角：剪裂面與最大主壓應(yīng)力軸之間的夾角。剪裂面與最大主壓應(yīng)力軸之間的關(guān)系巖石發(fā)生剪切破裂變形時的莫爾圓圖解二、巖石破裂準(zhǔn)則

巖石發(fā)生破裂變形時所施加應(yīng)力需滿足的條件：

2.1庫侖－莫爾準(zhǔn)則

0

n

（4）

n

f（

n

）（5）

其中：

為剪應(yīng)力，

0

為巖石抗剪強(qiáng)度（內(nèi)聚力），

為內(nèi)摩擦系數(shù)、等于tan

（

是內(nèi)摩擦角），

n

為正應(yīng)力。巖石發(fā)生剪切破裂時的莫爾包絡(luò)線不同圍壓下巖石發(fā)生剪切破裂時的莫爾包絡(luò)線A—砂巖；B—頁巖2.2格里菲斯準(zhǔn)則（拋物線型莫爾包絡(luò)線）

n

n＋2T0

（6）其中：T0為單軸抗張強(qiáng)度。格里菲斯準(zhǔn)則莫爾包絡(luò)線2.3摩擦滑動準(zhǔn)則（拜爾利準(zhǔn)則）

f=

n

（7）其中：

f為摩擦剪切強(qiáng)度，

為靜摩擦系數(shù)。一旦滑動開始，則動摩擦強(qiáng)度為：

fk=

k

n

（8）其中，

k為動摩擦系數(shù)。用主應(yīng)力來表示滑動條件為：

1

R'

3

或（

1-

3

）

（R'-1）

3

（9）

其中：R'=（（1+

2）1/2-

）1/2是引起滑動的R（應(yīng)力因子R=

1/

3

）的最小值。

2.4流體作用

ef=

n－Pf=

gz(1－

)(10)

其中：

=Pf/

gz稱為流體因子，

ef

是有效應(yīng)力，

n

為正應(yīng)力，Pf

是孔隙流體壓力，

是巖石密度，g為重力加速度，z為埋藏深度。

孔隙流體壓力對破裂發(fā)育的影響貴州烏江電站水力破裂

在下圖中，由于地層中（茅口組和棲霞組）局部被封閉流體的壓力（Pf）逐步增高,使得巖石的有效應(yīng)力降低（a→b階段），莫爾圓向左移動。在低差異應(yīng)力（σ1-σ3）<4T的條件下，當(dāng)Pf=σ3+T時，即當(dāng)有效應(yīng)力莫爾圓在最大T處，接觸完整地層的破裂包絡(luò)線時，地層將發(fā)生水力張性破裂（圖6－7，c階段），形成前述的水力破裂角礫巖。隨后因巖石破裂導(dǎo)致流體壓力突然減少，使得莫爾圓重新移到破裂包絡(luò)線的右邊穩(wěn)定區(qū)域（圖，d階段）。隨破裂產(chǎn)生流體壓力Pf的變化線圖影響巖石力學(xué)性質(zhì)的各種因素

影響因素強(qiáng)度韌性圍壓增大增大增大溫度增大減小增大孔隙壓力增大減小減小溶液增多減小增大應(yīng)變速率減小減小增大

擴(kuò)散蠕變：通過空位運(yùn)動和原子運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)。

體積擴(kuò)散蠕變——納巴羅－赫林蠕變

晶界擴(kuò)散蠕變——柯勃爾蠕變

溶解蠕變：流體參與

顆粒邊界滑動：

T>0.5Tm，擴(kuò)散速率大。

巖石可以發(fā)生很大變形，但晶粒本身無變形，因此無晶格優(yōu)選和形態(tài)優(yōu)選。動態(tài)重結(jié)晶作用：形成細(xì)小的新顆粒，即核幔構(gòu)造巖石能干性反映巖石變形程度的差異，近似可以用粘度的大小來說明。第七講

面理和線理一、面理

面狀構(gòu)造和面式結(jié)構(gòu)或統(tǒng)稱之面理是構(gòu)造地質(zhì)中最重要最廣泛的構(gòu)造現(xiàn)象，也是構(gòu)造研究中最基礎(chǔ)的研究對象和構(gòu)造標(biāo)志。1.1幾個基本概念

透入性:指在一個地質(zhì)體中均勻連續(xù)彌漫整體的構(gòu)造現(xiàn)象，反映了地質(zhì)體的整體發(fā)生并經(jīng)歷了一度變形或變形變質(zhì)。

非透入性:構(gòu)造是指那些僅僅產(chǎn)出于地質(zhì)體局部或只影響其個別區(qū)段的構(gòu)造。透入性非透入性

面理，在構(gòu)造上一般具有透入性。其涵義界定為在變形變質(zhì)作用中形成的具有透入性的面狀構(gòu)造，即劈理、片理、片麻理等。

劈理是一種將巖石按一定方向分割成平行密集的薄片或薄板的次生面狀構(gòu)造。劈理1.2面理的類型從面理的形成和發(fā)育過程分析，可分為原生和次生兩大類。原生面理——包括沉積和成巖中形成的層理和韻律層以及巖漿巖中的成分分異層和流面等。次生面理——是指變形變質(zhì)作用中形成的劈理、片理、片麻理和各種破裂面理。1.3劈理的結(jié)構(gòu)特征劈理域劈理域常是由層狀硅酸鹽或不溶殘余物質(zhì)富集成的平行狀或交織狀的薄條帶或薄膜，故稱劈理域，也稱薄膜域。微劈石微劈石是夾于劈理域間的窄的平板狀或透鏡狀的巖片，亦稱透鏡域。劈理域微劈石1.4劈理的分類傳統(tǒng)分類根據(jù)劈理的結(jié)構(gòu)及其成因不同，分為：流劈理——

破劈理——

滑劈理——破劈理流劈理流劈理流劈理流劈理是變質(zhì)巖中和強(qiáng)烈變形巖石中最常見的一種次生透入性的面狀構(gòu)造，它是由片狀、板狀或扁園狀礦物或其集合體的平行排列構(gòu)成的面理。具有使巖石分裂成無數(shù)薄片的性能。流劈理破劈理破劈理的原意是指巖石中一組密集的剪破裂面，裂面定向與巖石中礦物的排列無關(guān)。破劈理滑劈理—褶劈理滑劈理或應(yīng)變滑劈理在形態(tài)上就是褶劈理，發(fā)育于具有先存面理的巖石中，它是一組切過先存面理的差異性平行滑動面，使先存面理發(fā)生褶皺變形。

褶劈理結(jié)構(gòu)形態(tài)分類根據(jù)劈理域結(jié)構(gòu)可識別的尺度不同，分為：連續(xù)劈理——

不連續(xù)劈理——

間隔劈理褶劈理連續(xù)劈理凡巖石中礦物均勻分布，全部定向，或劈理域?qū)挾葮O小，以至只能借助偏光顯微鏡和電子顯微鏡才能分辨劈理域和微劈石的劈理，均稱為連續(xù)劈理。

連續(xù)劈理連續(xù)劈理連續(xù)劈理:片理連續(xù)劈理：板理不連續(xù)劈理劈理域在巖石中具有明顯間隔，用肉眼就能直接鑒別劈理域和微劈石的劈理，稱為不連續(xù)劈理。不連續(xù)劈理：褶劈理不連續(xù)劈理：間隔劈理間隔劈理二、線理2.1線理的概念及分類

線理——是巖石中發(fā)育的呈線狀延伸的構(gòu)造。根據(jù)成因，線理可分為:

原生線理——

次生線理——

變形巖石中依觀察的尺度，可將線理劃分為:

小型線理:指露頭或手標(biāo)本尺度上透入性線狀構(gòu)造。

大型線理:指大中尺度上不一定具有透入性的線理。2.2線理的類型小型線理：礦物生長線理——

拉伸線理——

皺紋線理——

交面線理——礦物生長線理拉伸線理皺紋線理交面線理大型線理：石香腸構(gòu)造——

窗欞構(gòu)造——

壓力影構(gòu)造——

桿狀構(gòu)造等——石香腸構(gòu)造石香腸構(gòu)造石香腸構(gòu)造石香腸構(gòu)造石香腸構(gòu)造窗欞構(gòu)造窗欞構(gòu)造壓力影構(gòu)造桿狀構(gòu)造鉛筆構(gòu)造鉛筆構(gòu)造三、劈理和線理的應(yīng)變意義3.1劈理與應(yīng)變橢球體的XY面A、純剪變形（應(yīng)變）B、簡單剪切變形（應(yīng)變）XY面YXXY劈理面劈理面3.2線理與應(yīng)變橢球體的X軸或Y軸礦物生長線理、拉伸線理平行于應(yīng)變橢球體的X軸——與物質(zhì)運(yùn)動方向一致，又稱a線理。皺紋線理、交面線理、石香腸構(gòu)造和窗欞構(gòu)造平行于應(yīng)變橢球體的Y軸——與物質(zhì)運(yùn)動方向垂直，又稱b線理。3.3線理與運(yùn)動方向的關(guān)系純剪變形（應(yīng)變）簡單剪切變形（應(yīng)變）AB四、劈理和線理的形成機(jī)制機(jī)械旋轉(zhuǎn)作用——重結(jié)晶作用——重結(jié)晶作用壓溶作用壓溶作用塑性變形五、劈理和線理與大構(gòu)造的關(guān)系劈理和線理與褶皺的關(guān)系劈理和線理與斷層的關(guān)系區(qū)域性劈理和線理層間劈理六、劈理和線理的觀察與分析劈理與層理的區(qū)別劈理結(jié)構(gòu)及其物質(zhì)組成的觀察劈理和線理產(chǎn)狀的測定多期劈理的觀察與分析劈理研究在大構(gòu)造研究中的作用

通過劈理等小構(gòu)造的識別與分析，確立大構(gòu)造的形態(tài)，……第八講

褶皺幾何分析(一)一、基本概念褶皺－指地質(zhì)體中呈彎曲形態(tài)的構(gòu)造形跡（現(xiàn)象）。褶皺

基本形態(tài):背形、向形基本形態(tài):背形、向形褶皺基本形態(tài)背形－指褶皺面上凸式彎曲．向形－指褶皺面下凹式彎曲．基本類型

根據(jù)褶皺面（層）的彎曲形態(tài)和地層變新之關(guān)系可分：背斜－核部老地層、翼部新地層向斜－核部新地層、翼部老地層向斜背斜

Ｓ

Ｄ３

背斜向斜褶皺面向指在褶皺軸面上垂直于褶皺樞紐方向觀察得到的巖層由老變新的方向。樞紐方向褶皺面向二、基本要素核翼拐點(diǎn)特征線

樞紐－指同一褶皺面上最大彎曲點(diǎn)的連線

軸跡（褶軸）

特征點(diǎn)

頂（脊）

拐點(diǎn)

槽

特征值

波長、波幅、翼間角特征面褶皺面軸面－各相鄰褶皺面的樞紐連成的面背面槽面褶皺的翼間角直立剖面水平剖面正交剖面（垂直樞紐方向）觀測褶皺的幾種剖面三、褶皺描述術(shù)語褶皺轉(zhuǎn)折端形態(tài)圓弧褶皺尖棱褶皺箱狀褶皺撓曲圓弧褶皺尖棱褶皺箱狀褶皺撓曲翼間角

平緩褶皺

>120

開啟褶皺

120-70

中常褶皺

70-30

緊閉