构造地质学电子教案

1第一章 绪论1.1 本章导学自然科学的基础学科分为数学、物理学、化学、天文学、地学和生物学六大门类。地质学是地学（地球科学）的重要组成部分，构造地质学是地质学的基础学科之一。地球构造地质学主要研究由内动力地质作用所形成的各种地质构造的形态、产状、规模、形成条件、形成机制，分布和组合规律及其演化历史，并进而探讨产生地质构造的地壳运动的方式、规律和动力来源。构造地质学在指导人们寻找矿产资源、能源、水资源，工程稳定性评价及和自然灾害作斗争并维护人类生存发展的实践中具有重要意义。学习本章知识，要明确构造地质学的内涵、构造尺度、构造层次以及构造解析的原则，掌握构造地质学的特点和由其特点决定的研究方法、思维方法，了解构造地质学的发展与基本现状。1.2 要点讲解地球构造地质学是关于固体地球上所形成的构造的作用力的方式和方向以及演化化历史的知识体系。现代构造地质学不仅要对固体地球表面的构造进行描述性研究，而且通过定性与定量的方法对固体地球表面构造和深部构造以及天体构造进行研究，并运用构造地质学知识探明可供利用的物质以及理解构造运动过程与人类活动相互作用的机理。1.2.1 构造地质学的内涵、构造尺度和构造变形场1、构造地质学的内涵：构造地质学主要研究组成类地行星及行星卫星的岩石、岩层和岩体在力的作用上的各种变形样式、组合型式和形成过程，探讨产生这些构造的作用力的方式和方向。2、构造尺度：指构造的规模与大小，是观察、分辨、分析和处理地质构造现象的客观标准。按地质体的规模可将构造尺度划分为巨型、大型、中型、小型、微型和超微型等六个等级。不同空间尺度的构造，多级组合，相互依存，密切联系，构成一定样式的构造系统。表 1-1 构造尺度分类尺度 量级 现象巨型 全球级 超大陆、超大洋大型 半球级 大洋、大陆、南半球大气环流中型 区域级 造山带、盆地、亚洲季风、区域性断层2小型 露头上 褶皱与断层、花岗岩体、湖泊、火山机构微型 OPM 亚颗粒、流体包体、面理、线理、变形纹超微构造 TEM 晶格位错3、构造变形场：是指一种主导构造应力均匀作用的空间及其形成的构造或构造组合。根据变形场内的代表性构造及其反映的构造作用和主导应力，可将构造变形场分为六种基本类型：伸展构造、压缩构造、升降构造、走滑构造、滑动构造和旋转构造。1.2.2 地壳-岩石圈的层圈式结构和构造层次1、地壳-岩石圈的层圈式结构地壳-岩石圈垂向上是成层的、侧向上是不均一的。岩石圈可分为大陆岩石圈和大洋岩石圈，两者的结构、厚度和物质组成、地球物理属性、形成演化和年代截然不同。2、构造层次：是在构造变形过程中，由于地壳物理化学条件变化所导致的构造分带现象。地壳物理化学环境的变化最直观的表现是由地表到地球深部的垂向变化，因而构造垂向分带很明显。这种变化不但体现在地壳及岩石圈物质的垂直分层上（层圈构造）上，而且还体现在不同构造层次构造要素的变形特征上，即在不同的构造层次具有不同变形机制和构造组合。根据深度变化引起岩石物性物态的变化和相应产出的构造，将构造层次分为表构造层、浅构造层、中构造层、深构造层，不同构造层次有不同的构造组合表构造层：以脆性断层、断块作用为主，褶皱构造不太发育，以挠曲、开阔褶皱为主，岩石以强烈破碎为特点。浅构造层：位于表构造层之下，板劈理带（不包括板劈理）以上，主导变形作3用是纵弯滑褶皱作用，以平行褶皱和脆性断层为代表性构造。中构造层：位于浅构造层之下，顶面以板劈理为界，底面以片理（不包括片理）为界，主导变形作用是纵弯流褶皱作用和压扁作用，以相似褶皱、顶厚褶皱、韧性断层、板劈理和千枚理等为代表性构造。深构造层：位于中构造层以下，顶面以片理为界，主导变形作用是流变作用和深熔作用，代表性构造是柔流褶皱（无根褶皱、不协调褶皱）、构造置换（片理、片麻理、线理）和韧性剪切带。1.2.3 构造解析的基本原则构造地质学主要采用构造解析的方法对地质现象进行研究。所谓解析是一种思维方法，即把整体分解为部分，把复杂的事物分解为简单的要素加以研究的方法。解析的目的在于透过现象掌握本质，因此，需要把构造现象的各个方面放在矛盾双方的相互联系、相互作用中去，放到构造的运动、演化中去，看看它们在地壳、岩石圈的整体结构中各占何种地位，各起什么作用，各以何种方式与其他方面发生相互制约又相互转化的关系等。构造解析包括几何学、运动学、流变学和动力学的解析。主要包括以下几个基本原则：1、构造演化同一地质体或构造单元的构造属性在地质历史过程中不断地发生变化，初始的构造被新生的构造叠加、置换和改造，造成构造的得失、增减、分异和改组。结果使地质体内先存的构造要素逐渐消失，新生构造要素愈趋显著，从而改变了原有的构造属性。构造叠加:指同一变形面的褶皱或同一断裂面被不同方向和不同性质的构造复合和改造。构造叠加一般是多期变形的结果，也可以出现在同一变形过程中。构造置换:是岩石的一种构造在经过递进变形过程后被另一种构造所代替的现象。最常见和最重要的是面状构造置换。根据新生构造取代先存构造的程度分为局部置换、基本置换和彻底置换三种情况。 构造置换的程度取决于岩石的变形习性和构造环境。岩石能干性越弱，构造越容易被置换；所处的构造层次越深，构造的置换越彻底。2、构造组合：构造组合或构造系统是一定构造区带中不同形态、不同性质、不同等级和不同序次的构造要素，构造事件，构造建造组成具有时空联系和成因关系的集合体。地壳并非是各种构造事件和过程的杂乱无章的堆积，而是各种构造现象具有密不可分的联系，由统一的有规律的运动过程造成的合乎规律的整体(马杏垣，1983)。不同的术语有：构造体系（李四光，1983）、构造组合（霍布斯，1976），构造群落（付昭仁 1983）、构造类型。3、构造得失：构造得失是指构造运动或变形作用导致的地壳物质空间上的再分配。构造4运动的实质是物质运动，不同尺度上有不同体现。4、构造重建：指构造作用造成地壳或岩石圈物质发生改组，形成新的岩石组合或构造组合。构造重建主要通过构造变形分解作用、构造变形融合作用、构造变形混合作用三种构造作用：5、构造世代与序列：变质岩区一般都经历多次构造变形。变形世代和序列解析是查明构造形成和发展的过程及顺序。1.2.4 构造地质学研究意义构造地质学是地质学三大支柱（岩石、地层、构造）之一，其意义为：1、理论意义：通过构造研究来阐明地壳构造在空间上的相互关系和时间上的发育顺序，探讨地壳构造、地壳演化和地壳运动规律及动力来源及地球发展演化史等。2、实际意义：应用构造地质学-矿产资源、环境地质、农业地质、天文地质、水文地质、工程地质、灾害地质、医学地质、军事地质及可持续发展等。1.2.5 构造地质学发展态势构造地质学是从描述性为主的学科基础上发展起来的。但，现代构造地质学已经从定性描述向定量研究方向发展，并且形成了一支研究地球以外其它天体的构造地质学。1.3 重要术语构造地质学 构造尺度 构造层次 构造变形场 构造解析的原则第二章 地质体的基本产状及沉积岩层构造2.1 本章导学本章将集中介绍地质体的产状基本要素及表示方法，沉积岩的原生示顶构造，地质体软沉积变形，不同产状地质体在野外露头和地质图上的表现，不整合的形成及意义。本章要求了解地质体软沉积变形的特征，熟识地质体产状的表示方法及要素。重点掌握“V”字型法则，示底构造，不整合的形成过程及意义。2.2 要点讲解2.2.1 面状构造和线状构造的产状5一、面状和线状构造的概念虽然构造的类型、成因、规模和形态千差万别，但从几何学看，其基本结构可归纳为面状结构和线状结构。观测和确定构造的面状结构和线状结构的方位和空间状态，即其产状，则是构造研究的基础。一般认为:除盆地边缘外,沉积岩层的初始产状都是水平的，受到变形后,它们的产状才有可能发生改变。这是研究地质界面产状在变形前后发生变化与否的重要的基础性参考坐标。面状构造: 指地质体中几何的或 物理的呈面状的结构面。线状构造：指地质体中几何的或物理 的呈线状的物体。二、面状构造的产状要素图 2-1 面状构造的产状要素1、面状构造产状要素定义走向:倾斜平面与水平面的交线叫走向线，走向线两端延伸的方向即为该平面的走向（图 2-1）。倾向:倾斜平面上与走向线相垂直的线叫倾斜线，倾斜线在水平面上的投影所指的沿平面向下倾斜的方位即倾向（图 2-1）。倾角() :指平面上的倾斜线与其在水平面上的投影线之间的夹角（图 2-1）。视倾向视倾角() tan=tancos 界面倾向线和视倾斜线之间的夹角在水平面上的投影。2、产状要素的表示方法图示法，数字法 SE 12030，象限法 N30E 30三、线状构造的产状要素（图 2-4）1、线状构造产状要素的定义直线的产状是指直线在空间的方位图 2-2 线状构造的产状要素6和倾斜程度，直线的产状要素包括倾伏向、倾伏角，或其所在平面上的侧伏向和侧伏角。倾伏向(指向)：某一直线在空间的延伸方向，即某一倾斜直线在水平面上的投影线所指示的该直线下倾斜的方位。倾伏角（）：指某一面状构造上直线的倾斜角，即直线与其水平投影线间所夹之锐角。用方位角或象限角表示倾伏角。倾伏 SE120 30侧伏角（）：当线状构造包含在某一倾斜平面内时，此线与该平面走向线间所夹之锐角即为此线在那个面上的侧伏角。侧伏向：就是构成上述锐角的走向线的那一端的方位。表示方法 侧伏 30N2.2.2 沉积岩层的原生构造1、层理及其识别层理是沉积岩的最基本的原生构造，是研究构造的最基本的参考面。构造变形主要是通过层理而得以显示，所以在构造研究中，首先要识别层理。沉积岩层理可根据岩石的成分的变化、结构的变化、颜色的变化以及层面的原生构造来识别。2、利用原生沉积构造鉴定岩层的面向岩层的面向：成层岩层顶面法线所指的方向，是成层岩系中岩层由老变新（由底面至顶面）的方向。岩层的面向的确定标志有如下几种：（1）层内标志：最主要是层理标志，包括交错层理（图 2-3）和粒序层理（图 2-4）。图 2-37（2）层面标志：存在于岩层层面上的标志。波痕：水体不深、波浪能影响到的浅水环境下，沉积物表面呈波状起伏。波谷圆滑开阔向下，波峰尖棱紧闭朝上（图 2-5）。泥裂：松散、细粒沉积物表面，暂时露出水面，在阳光的暴晒下发生龟裂。泥裂的开口向上（图 2-6）。雨痕：松散、细粒沉积物表面，暂时露出水面，在雨滴或冰雹的冲击下遗留的痕迹。凹坑向下，外圈脊状突起向上（图 2-7）。图 2-7 雨痕 图 2-8 生物印痕 图 2-9 植物根系图 2-48（3）生物标志：沉积岩中常含有生物化石，化石的保存形态也具有示顶功能。如足迹、孔穴、印痕、根系、叠层石等。2.2.3 软沉积变形软沉积变形：是指沉积物尚没有固结成岩时发生的变形。（1）负荷引起的软沉积变形：火焰状构造，球状和枕状构造压模重荷模负荷铸型：泥质岩之上的砂质岩层的底面；呈丘状、瘤状或不规则状（图 2-11）。火焰状构造：成因，差异压实；泥质岩呈舌尖状挤入上覆砂岩中，数个舌尖构成火焰状，舌尖指向上层面（图 2-12）。砂岩球与砂岩枕发育演化过程-差异压实，成因同前；泥质岩之上的砂质岩，其底部常裂开成上凹的半球状、枕状、盆状或倒蘑菇状；其间亦可有泥质岩舌状挤入；砂岩球与砂岩枕凹面指向上层面（图 2-13）。图 2-10图 2-11图 2-129（2）滑塌和滑移引起的软沉积变形：褶皱、断层、卷曲层理、滑塌角砾。卷曲层理具有盘回褶皱和复杂揉皱的变形特点，多限于同一层或个别层内，缺乏脆性断裂和角砾化是鉴别它的主要标志（图 2-14）。（3）孔隙压力作用引起的软沉积变形：砂岩墙、碟状构造等。2.2.4 岩层基本产状类型及其在地质图上的表现形式1、岩层的基本产状类型表 3-1 岩层基本产状类型及其基本特征简表类型 水平岩层 直立岩层 倾斜岩层分布区 构造简单区 构造复杂区 中等复杂区倾角 0，或小于 5 90 0 90厚度 h 铅直厚度 H 露头宽度 L h=Hcos地质图 平行于等高线 直线 V 字形法则2、地质图上地质界线的 V 字形法则图 2-13 砂岩球和砂岩枕发育过程示意图图 2-1410（1）几个概念（图 2-15）露头线：任一地质界面与天然地面的交线。其形状取决于地质界面的产状和地形两个基本要素。图 2-15 露头线与地质界线地质界线：露头线在水平面上的正投影。露头宽度（L）：岩层顶面和底面正投影间的水平距离。其大小取决于岩层厚度、地形和岩层产状等三个因素及其相互关系。（2）V 字形法则（图 2-16）地质界线在地质图上弯曲的规律。其特征受地质界面倾角、地形坡度及地形与地质界面产状之间的相互关系等三个因素制约。表现为：当地质界面倾向与地形坡向相反时，地质界线在沟谷处形成尖端指向上游的“V”字形，在山脊处形成尖端指向下坡的“V”字形，地质界线的弯曲紧闭度小于地形等高线的弯曲紧闭度。图 2-16 V 字形法则当地质界面倾向与地形坡向相同，但地质界面的倾角大于地形的坡角时，地质界线在沟谷处形成尖端指向下游的“V”字形，在山脊处形成尖端指向上坡的“V”字形。当地质界面倾向与地形坡向相同，但地质界面的倾角小于地形的坡角时，地质界线在沟谷处形成尖端指向上游的“V”字形，在山脊处形成尖端指向下坡的“V”字形，但地质界线的弯曲紧闭度大于地形等高线的弯曲紧闭度。当地质界面水平时，地质界线的弯曲形态随地形等高线的变化而变化，且二者相互平11行或重合。当地质界面直立时，地质界线呈直线沿其走向延伸，不受地形变化影响。2.2.5 不整合接触关系在地质图上的表现特征（图 2-17）1、平行不整合接触关系不整合接触界面上下的岩层时代存在明显的间断，但其上下的地质界线与不整合界线相互平行。图 2-17 不整合接触关系在地质图上的表现特征2、角度不整合接触关系不整合接触界面上下的岩层时代存在明显的间断，但其下覆的各地质界线与不整合界线斜交，其上的地质界线与不整合界线相互平行。3、超覆不整合接触关系（图 2-18）沿超覆不整合界线在超覆处其下覆地质界线与不整合界线斜交且存在沉积间断，而在远离超覆处其上下地质界线与不整合界线相平行且不存在沉积间断。图 2-18 超覆不整合接触关系2.3 重要术语产状及产状要素 面向 “V”字型法则 不整合12第三章 构造研究中的应力分析基础3.1 本章导学地壳岩石中千姿百态的构造变形都是力作用的结果。要研究各种构造变形的力学成因和相关规律，需要了解有关岩石受力变形的基础知识。本章将讲解与面力、体力、外力、内力、应力、正应力、剪应力、一点的应力、主应力、主平面以及应力场等有关的基本概念。本章要求了解构造研究中应力分析有关的基本概念，重点掌握正应力、剪应力、一点的应力状态及应力场的概念。3.2 要点讲解1、力和应力的概念（1）外力和内力处于地壳和岩石圈中的任何地质体，都会受到相邻介质的作用力。外力 被研究物体（对象）以外的物体施加于所研究物体的作用力。内力 由外力作用引起的物体内部各部分之间的相互作用力。（2）应力单位面积上的作用力的大小（图 3-1）。作用力 / 面积P / A dP / dA一般地，应力是矢量。当 P 不垂直于 A 时，有：正应力 垂直于被作用面 A 的应力，用表示。 图 3-1 应力剪应力 平行于被作用面 A 的应力，用表示。（3）应力符号约定：正应力以挤压为正、以拉张为负；剪应力以逆时针方向为正、以顺时针方向为负。（4）一点的应力状态（图 3-2）一点的应力状态，在直角坐标系中可以近似地看成是一个无限微小的正六面体单元体。主应力：弹性力学可以证明：对于给定的一个单元体，总能够找到这样一种取向：单元体表面上的剪应力分量都为零，即三个正交截面13上没有剪应力作用而只有正应力作用，这种情况下的正应力称为该点的主应力，分别以1、 2、 3表示。 图 3-2 一点的应力状态且约定：1 2 3 ，其中： 1、 2、 3分别代表最大、中间和最小主应力。当 1、 2 、 3 中有两个主应力为零，而另一个不为零时，称为单轴应力状态；当 1、 2 、 3 中有两个主应力不为零，而另一个为零时，称为双轴应力状态；当 1、 2 、 3 中三个主应力均不为零时，称为三轴应力状态。特殊地，当 1= 2 = 3时，称为均压状态。而 1 2 = 称为差异应力，它是引起物体发生形变的力。主平面：三个分别包含其中两个主应力的正交截面。2、二维应力分析和应力莫尔圆(1)二维应力分析（图 3-3）对于在以 1为横坐标、 2 为纵坐标的直角坐标系中的任一单位斜截面 AB，假设其法线与横坐标 1的夹角为，并沿该坐标轴方向受到双向挤压应力 1和 2的作用，那么，在这个截面上把应力 1和 2分别转换成平行于坐标轴的作用力 P1和 P2，则有： 图 3-3 二维应力分析因为 AB=1（单位长度）, OA=sin , OB=cos 所以P1 =1cosP2 =2sin 则，垂直于 AB 截面的作用力为： Pn = P1 cos + P2 sin因为 AB=1 所以 该截面上的正应力 为= Pn / AB = P1 cos + P2 sin= 1cos cos +2sin sin或 = (1+2) / 2 + (1-2) / 2cos2 (1) 平行于 AB 面的剪切作用力 Pt 为Pt =P1 sin P 2 cos则，剪应力为 = Pt / AB = 1 cos sin 2sin sin14= (1-2) / 2sin2 (2)从(2)式可得：当 2 = 90时， 为最大所以，最大剪应力作用面与 1 和 2轴的夹角为 45。 (2)应力莫尔圆（图 3-4）由上述(1) 2 + (2)2 得：( ( 1+2) / 2 )2 + ()2 = (1-2) / 2)2 (3)(3)式为：以为横坐标轴和为纵坐标的直角坐标系中的一个圆的方程式，这个圆称为应力莫尔圆。其物理意义是： 图 3-4 应力莫尔圆（1）当=0时， =1， = 0；（2）当=90时， =2， = 0；（3）当=45或 135时， = 最大值，为( 1-2) / 2；（4）当 1=2，= 0 时，为均压无剪应力；在三维状态中， 当 1= 2 = 3 时，为静水压力。 3、应力场及其表示方法（1）应力场某个地质体（物体）内部各点的瞬时应力状态在三维空间上的组成的总体，称为应力场。（2）应力场的表示方法一般地，用地质体（物体）内各点的主应力 1、 2、 3，或最大或最小剪应力的大小和方位来表示其应力场的状态和特征。依次沿相邻的各点的主应力或剪应力方向连接得到的轨迹线称为应力轨迹线，由它们绘制而成的应力轨迹图（图 3-5）能够客观地形象地定性表示某个地质体（物体）内的应力分布状态；而主应力或剪应力的应力等值线图（图 3-6）能定量地表示某个地质体（物体）内各点的应力分布及其变化特点。因此，这两种图件是常用的有效的应力状态表示方法之一。15图 3-5 应力轨迹图 图 3-6 应力等值线图3.3 重要术语应力、正应力、剪应力、一点的应力、主应力、主平面、应力场第四章 变形岩石的应变分析基础4.1 本章导学本章将讲解与岩石在应力的作用下发生应变相关基础知识，主要讲解位移、变形、线应变、剪应变、均匀变形与非均匀变形、应变椭球体有旋变形和无旋变形、递进变形、共轴递进变形与非共轴递进变形的基本概念。本章要求了解构造研究中应变分析有关的基本概念，重点掌握线应变、剪应变、均均变形、递进变形以及共轴递进变形的概念。4.2 要点讲解1、变形和位移（1）变形处于地壳和岩石圈中的任何地质体，受到力作用而会发生变形。变形是指地质体（物体）初始形状、方位或位置发生了改变。（2）位移位移是指地质体（物体）及其内部各质点初始位置的改变，是通过物体内各质点的初始位置和终止位置的变化来表达的。质点的初始位置和终止位置的连线叫位移矢量。这条线只代表位移的最终结果，而不代表位移的实际路径。（3）位移方式（图 4-1）位移的基本方式有四种：16平移 变形前后质点位置的平行移动旋转 变形前后物质线方位的改变形变 变形前后物体形状的改变体变 变形前后物体体积的改变 图 4-1 位移方式2、应变应变是指变形前后物体的形状、大小或物质线方位的改变量。（1）线应变（图 4-2）指变形前后物体中线段长度的改变量，一般用 e 表示： 图 4-2 线应变示意图 e = （L 1-L0）/ L 0 （1）（1）式中 L0和 L1分别代表变形前和变形后线段的长度。并约定：伸长应变为正值、缩短应变为负值。（2）平方长度比指变形前后线段长度比的平方，一般用表示： = （L 1/ L0 ） 2 = （1+ e） 2 （2）（3）剪应变（图 4-3）图 4-3 剪应变变形前相互垂直的两条物质线，变形后其夹角偏离直角的改变量称为角剪应变，其正切称为剪应变 。即： = tan （3）并约定：顺时针方向旋转的剪应变为正值、逆时针方向旋转的剪应变为负值。3、均匀应变和非均匀应变（图 4-4） （1）均匀应变变形物体内各点的应变特征相同。图 10-2 线应变17（2）非均匀应变变形物体内各点的应变特征发生不同的变化。 图 4-4 均匀应变和非均匀应变4、应变椭球体（图 4-5）（1）概念单位圆球体经均匀应变（变形）变成的椭球体称为应变椭球体。从数学上可以证明和推导出，由单位圆球变成的应变椭球有三个互相垂直的主轴，沿主轴方向只有线应变而 图 4-5 应变椭球体没有剪应变。这三个主轴分别以 X、Y、Z 或 A、B、C 表示，并分别代表应变椭球体的最大、中间和最小应变主轴。包含应变椭球体的任意两个应变主轴的平面称为应变主平面。分别以 XY、XZ、YZ 或 AB、AC、BC 三个平面表示。（2）应变椭球体的类型：Flinn 图解（图 4-6）应变椭球体的形态及其类型可用图解来表示，其中 Flinn 图解是常用的。在该图解中：a = X / Y = ( 1 + e1 ) / ( 1 + e2 ) （4）b = Y / Z = ( 1 + e2 ) / ( 1 + e3 ) （5）K = tan = ( a1) / ( b1) （6）图解中 P 点的 K 值代表任意一点的应变椭球体状态，P 点与坐标原点（1，1）之间的距离 d 反映了应变椭球体的应变强度。当 e2 = 0， K = 1， V = 0 时，称为平面应变； 图 4-6 Flinn 图解当 e2 0 时，为压扁应变区；当 e2 0 时，为收缩应变区。5、旋转变形和非旋转变形（图 4-7） （1）旋转变形18图 4-7 旋转变形和非旋转变形变形过程中平行于应变椭球体主应变轴方向的物质线方位发生了改变的变形（应变），称为旋转变形。简单剪切变形（一种体变为零的平面应变）就是其典型的代表。（2）非旋转变形变形过程中平行于应变椭球体主应变轴方向的物质线方位始终保持不变的变形（应变），称为非旋转变形。纯剪变形（一种体变为零的平面应变）就是其典型的代表。6、递进变形（图 4-8）（1）有限应变和增量应变（2）共轴递进变形和非共轴递进变形图 4-8 递进变形4.3 重要术语线应变、剪应变、均匀变形与非均匀变形、应变椭球体、递进变形、共轴递进变形与非共轴递进变形第五章 岩石力学性质5.1 本章导学本章将讲解与岩石力学性质相关基础知识，主要讲解岩石力学性质的几个基本概念、影19响岩石力学性质的因素、岩石的能干性、岩石变形的微观机制以及岩石断裂准则。本章要求了解不同因素对岩石力学性质影响特征，岩石断裂变形的准则；重点掌握岩石能干性的定义、岩石变形的微观机制。5.2 要点讲解5.2.1 岩石力学性质的几个基本概念1、岩石变形阶段我们通常有这样的体验；将一根筷子撇断，其变形会经历三个阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂变形阶段弹性变形阶段：物体受力变形，当外力取消后，物体又恢复到原先形态。该阶段岩石的变形符合虎克定律塑性变形阶段：随着外力的增加，变形加剧并超过物质的弹性极限，此时撤去外力作用，物体将不能恢复原形。例如褶皱等。断裂变形阶段：当外力达到物质的强度极限时，物质变形的连续性将被破坏，而发生断裂，例如断层等。 图 5-1 岩石变形的几个阶段2、岩石力学性质（1）岩石变形强度的几种图解表示法（图 5-2）e 应力应变速率图解 应力（应变）时间图解 应力应变图解t(e) H应力深度图解（2）岩石的材料性质实验岩石学研究表明，岩石的材料性质主要有下列四种基本类型：弹性材料： = Ee 或 = 2 20其中：E 为扬氏模量，e 为应变量， 为内摩擦系数， 为剪应变。变形特征：象弹簧一样发生变形。当应力消失后，材料完全复原到未变形状态。粘性材料： = 2 或 = 2 其中， 为粘性系数， 和 分别为线应变速率和剪应变速率。变形特征：象牛顿流体（蜂蜜体）一样发生流动变形，应力越大，流动越大；应力消除，流动停止，但不能复原到未变形时的状态。塑性材料：S 或 K 或 y 其中，K 为屈服应力。变形特征：产生永久变形，当应力消除后部分复原，大部分保留变形时的状态。复合材料：弹塑性体、弹粘性体、粘塑性体等。5.2.2 影响岩石变形的因素一、内因1.岩性：不同岩性的岩石其矿物的成分、组成不同，从而导致其力学性质不同，受力后的变形强度也不同。如石英砂岩多为脆性，而粘土岩多为塑性等。2.岩石的结构：岩石内部颗粒的形状、大小、颗粒间的胶结方式等同样对岩石的力学性质产生影响。如紧密胶结的岩石的强度较大，松散胶结的则较小。3.岩石的构造：成层性好的岩石易于变形，薄层岩层较厚层岩石易于变形等。二、外因 1、围压与温度围压的增高同样也使得地下深处的脆性岩石发生显著的塑性变形（图 5-3），如变质岩中常发生的柔皱变形现象等。温度的增高能使岩石的塑性变强（图 5-4）。如岩体周围的岩层常发生柔皱变形现象。 图 5-3 增大围压，岩石的强度和韧性增大21图 5-4 增大温度，岩石的屈服极限降低，韧性增大2、时间（1）应变速率岩石受短暂而强大的冲击力作用时常表现为脆性变形。反之，当岩石所受作用力即使小于岩石的弹性极限，但作用力作用时间较长，同样能使岩石发生永久性变形（图 5-5）。图 5-5 岩石变形与应变速率的关系（2）蠕变和松弛蠕变和松弛在低于岩石弹性极限下导致岩石发生塑性变形，相当降低岩石弹性极限，韧性增大。（3）外力的重复作用岩石受外力反复多次的重复作用，将降低岩石的屈服极限和强度极限，使岩石发生断裂变形。3、孔隙流体（图 5-6）ef = n Pf = gz ( 1 ) 22其中： = Pf / gz 称为流体因子， ef 是有效应力，n 为正应力，Pf 是孔隙流体压力， 是岩石密度，g 为重力加速度，z 为埋藏深度。图 5-6 孔隙流体压力对破裂发育的影响5.2.3 岩石的能干性反映岩石变形程度的差异，近似可以用粘度的大小来说明。指在相同的变形条件下，相对能干的岩石比不能干的岩石不易发生粘性流动（图 5-7、8）。图 5-7 北京西山奥的系中白云岩与灰岩的变形差异 图 5-8 北京西山孤山口白云岩变形与钙质千枚岩变形的差异白云岩中发育了与层理近直交的劈理，纹带灰岩已糜棱岩化，顺层理发育 白云岩薄层形成褶皱，而钙质千枚岩以压扁形成劈理来调节变形5.2.4 岩石变形的微观机制一、脆性变形机制微破裂 碎裂作用 碎裂流二、塑性变形机制231晶内滑动：低温变形机制沿一定滑移面的滑移方向滑移，可形成晶格优选方位和形态优选方位。图 5-9 由于晶格滑移引起的优选方位发育的原理（据 Hobbs 等，1976）晶内滑动的机制是位错滑动：图 5-10 位错在一个滑移面上的传播图示（据 Hobbs 等，1976）图 5-11 地毯平移和晶体位错传播的对比（据 Spry，1969）2位错蠕变：高温变形机制。T0.3Tm（熔融温度）多边形化作用：形成亚晶粒24图 5-12 位错的调整与恢复作用图示（据 Nicolas，1984）图 5-13 位错调整图示（据 Hobbs 等，1976）动态重结晶作用：形成细小的新颗粒，即核幔构造（图 5-14）。图 5-14 核幔构造3扩散蠕变：通过空位运动和原子运动来实现。体积扩散蠕变纳巴罗赫林蠕变25晶界扩散蠕变柯勃尔蠕变图5-15 压溶作用与物质迁移及结晶沉淀示意图 图 5-16 超塑性流动图示4溶解蠕变：即压溶，是一种有流体参与的塑性变形：物质在高压应力区溶解，通过流体迁移，在低压应力区沉淀，从而造成塑性变形（图 5-15）。5颗粒边界滑动：T0.5Tm，扩散速率大。岩石可以发生很大变形，但晶粒本身无变形，因此无晶格优选和形态优选（图 5-16）。5.2.5 岩石破裂准则岩石发生破裂变形时所施加应力需满足的条件：1、库仑莫尔准则（图 5-17） 0 nn f（n ）其中： 为剪应力，0 为岩石抗剪强度（内聚力）， 为内摩擦系数、等于 tan（ 是内摩擦角），n 为正应力。图 5-17 库仑莫尔准则A砂岩；B页岩262、格里菲斯准则（图 5-18）（抛物线型莫尔包络线）nn2T0 （6）其中：T0 为单轴抗张强度。图 5-18 格里菲斯准则3、摩擦滑动准则（拜尔利准则） f = n 其中：f 为摩擦剪切强度， 为静摩擦系数。一旦滑动开始，则动摩擦强度为：fk = kn 其中，k 为动摩擦系数。用主应力来表示滑动条件为：1 R3 或（1 - 3 ） （R - 1）3 其中：R = （1+ 2）1 / 2- ）1 / 2 是引起滑动的 R（应力因子 R= 1 / 3 ）的最小值。 5.3 重要术语应变速率、能干性、微观机制、位错、断裂准则第六章 劈理6.1 本章导学面理是地壳中广泛发育的重要构造现象，也是构造研究中最基础的研究对象和构造标志。本章将讲解与劈理有关的基础知识，主要讲解劈理的概念、劈理的结构、劈理的形成作用和应变意义、劈理的观察与研究。本章要求了解劈理的形成作用，重点掌握劈理的分类，应变意义及野外观察研究。6.2 要点讲解6.2.1 几个基本概念从几何形态上来看,岩石中大部分的构造现象都可以看作为面状与线状构造，例如褶皱的轴面、断层面、节理面、岩浆的流面等可看作为面状构造，褶皱的枢纽、断层面上的擦痕、岩浆岩的流线、矿物生长线理以及两种面状构造的交线等可看作为线状构造。27由于观察尺度的不同，面状构造和线状构造在地质体中有透入性（均均性）和非透入性（非均匀必性）之分。 透入性:均匀连续弥漫于地质体中的构造现象，发生均匀变形（相对），反映了地质体整体发生并经历了变形、变质。反之，“非透入性”构造是指那些仅仅产出于地质体局部或只影响其个别区段的构造，变形是不均一的。透入性和非透入性与观察尺度有关（图 6-1）。面理：面理在构造上一般具有透入性，即在变形变质作用中形成的具有透入性的面状构造，即劈理、片理、片麻理等。有原生面理和次生面理之分 图 6-1 面状构造在不同尺度的表现，示透入性与非透入性的关系劈理：是一种将岩石按一定方向分割成平行密集的薄片或薄板的次生面状构造，发育在强烈变形的岩石中。线理：描述岩石内部或表面的各种平行的透入性线状构造。6.2.2 劈理的结构、分类和产出背景一、劈理的结构劈理岩石的组构主要通过片状矿物及压扁颗粒的定向排列显示出来的互相平行相间排列的劈理域和微劈石组成（图 6-2）。 图 6-2 劈理的结构劈理域：高应变域，由变余矿物定向排列构成，常是由层状硅酸盐或不溶残余物质富集成的平行或交织状的薄条带或薄膜，故称薄膜域。劈理域中的矿物主要表现为矿物组分的压扁、拉长、旋转、压溶、变质形成新的片状矿物。 微劈石：低变质域，是夹于劈理域间的窄的平板状或透镜状的岩片，亦称透镜域、微劈片，其原岩的矿物成分和结构基本保留。二、劈理的分类1、传统分类 根据劈理的结构及其成因不同，分为： 图 6-3 流劈理流劈理：是变质岩中和强烈变形岩石中最常见的一种次生透入性的面28状构造，它是由片状、板状或扁园状矿物或其集合体的平行排列构成的，具有使岩石分裂成无数薄片的性能（图 6-3）。 破劈理：原意是指岩石中一组密集的剪破裂面，裂面定向与岩石中矿物的排列无关（图 6-4）。滑劈理：滑劈理或应变滑劈理在形态上就是褶劈理，发育于具有先存面理的岩石中，它是一组切过先存面理的差异性平行滑动面（图 6-5）。2、结构形态分类 根据劈理域结构可识别的尺度不同，分为：图 6-4 破劈理连续劈理：凡岩石中矿物均匀分布，全部定向，或劈理域宽度极小，以至只能借助偏光显微镜和电子显微镜才能分辨劈理域和微劈石的劈理，均称为连续劈理，如板板理、片理和千枚理等。板劈理：劈理域是由云母或绿泥石等层状硅酸盐组成宽 0.005 左右的平行面状，或交织状排列；微劈石是由富石英、长石等组成宽 1mm 至 0.0 1m 或以下的透镜状集合体。 片理：发育在中高级变质岩中的透入性面状构造。与板理区别是结晶程度的差异。晶体的粒径大于 0.2mm，一般在 1mm 以上，具有组构连续、优选定向的特点。千枚理：是介于板劈理与片理之间，主要发育在富泥质的千枚岩中由针状、柱状矿物的定向排列形成。 图 6-5 滑劈理 板理、千