（地质工程专业论文）脆性断层构造的三维几何模型研究.pdf

中南大学博l 学位论义摘要 摘要 脆眭断层是地壳浅层中，“泛发育的一种基本构造型式。f 如何利用现存的构造形 态、岩性、应力场和岩石力学试验资料等对脆性断层的空间分布、延伸情况作出科 学的预测是地质找矿、地震预测和工程建设所面临的难题。在总结前人r 作的基 ，。d 础上，针对如何正确预测脆性断层在空间分布的难题，) 本文从以_ 卜几个方面对脆- i 生 断层的二维儿何特征进行了较深入的研究。 1 在相似理论的基础上，用石英砂、水泥和石膏按一定比例合成的模型材料对 ， 脆性断层的形成进行了实验研究。? 对有无预制裂纹的模型材料，实验脆性断层的形 成都经历了裂隙的初始开裂、扩展和破j ；l ；等三个阶段。二者的主要区别在r 裂纹的 初始开裂方式和应力值的大小。无预制裂纹样品的初始开裂是在样品的中心部位产 生与轴向应力近平行的裂隙：含预制裂纹样品的初始开裂是沿先存裂隙尖端附近， 与轴向应力成较小角度的方向开始的，预制裂纹本身几乎没有产生扩展其开裂的 、 应力值明显低于无预制裂纹样品。 一 2 通过在不同时刻停止实验进行切片观测和运用分形) l n 学方法对实验脆性断 ， 层不同部位、形成不同阶段的二维几何特征进行了定性和定量的研究。实验脆性断 l 层是由形态简单、单个裂隙规模较大的中心部位和形态复杂、次级裂隙发育的尾端 部位及发育雁行小裂隙的损伤带等= 部分构成。在脆性断层的形成过程中，从裂纹 的开裂、扩展到样品的破坏，脆性裂隙的分维值逐渐增加，真实的反应了裂隙在此 过程中逐渐变复杂的过程：实验断层在纵剖面上不同部位和横削面上的分维值人小 都反应了脆| 生裂隙形态在这些部位的复杂程度和其很好的自相似特征。， o 3 实验断层的形成是一个微观到宏观，由微裂纹扩展形成网络裂隙，再由网络 ， 裂隙相互连接贳通形成宏观断层的逐级递进连通过程。岩年i 内裂纹尖端的集中弹性 府力和白由面镜像力的相互作用，使塑性区内首先扩展的裂纹成雁行排列：而扩展 裂纹与主应力夹角的逐渐减d , n 是裂纹w 近张应力和剪廊力集中点的变化所致。j 4 运川分子动力学、离散元法和火变形网格法对脆性断层的形成过利、二维儿 ， f f 形态平应变场进行了系统的数值模拟。f 数值模拟形成的脆性断层在平行轴向府力 的纵剖面上，中心部位的宽度最大、剪应变强度也最强：而向两端部位剪切带宽度 中南大学博士学位论文摘要 和剪应变强度则逐渐减小至消失。在垂直轴向应力的横剖面上，脆性裂隙扩展的规 模随纵剖面上断层的不断发展而增加，同时剪应变强度也随之不断增强。，o 5 通过野外实例验证了实验模型和数值模型正确性，并综合实验模拟、数值模 拟和野外实际观测的结果，建立了脆性断层完整的三维几何形态模型，从中心到尾 0 。 端分别由主断层+ 马尾状分支裂隙带卜雁行状裂隙带卜来变形带 所构成。利用脆性断层三维几何模型，结合研究区的具体情况，就能够较好的确定 现存构造断层在整个断层中的位置，正确预测脆性断层在三维空间的分布和延伸情 况，从而指导找矿和r 程建设。) 1 主题词：脆性断层，相似理论模型实验，三维几何模型，分形儿何学，分子动 力学，数值模拟 d o c t o r a ld i s s e r t a t i o na b s t r a c 丁 s t u d y o nt h et h r e e d i m e n s i o n a l g e o m e t r y m o d e lo fb r i t t l ef a u l t t h eb r i t t l ef a u l ti so n eo fb a s i cs t r u c t u r ei nt h eu p p e re a r t hh o wt of o r e c a s tt h e e x t e n s i o no f b r ( t t l ef a u l ti nt h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c eb ye x i s t e n ts t r u c t u r a lf o r m ，l i t h o l o g i c c h a r a c t e r ，s t r e s sf i e l da n de x p e r i m e n t a ld a t ai sap r o b l e mt oo r e p r o s p e c t i n g ，e a r t h q u a k e f o r e c a s ta n dp r o j e c tc o n s t r u c t i o nt ot h i sp r o b l e m b a s e do ns u m m a r i z i n gt h ep r e v i o u s r e s e a r c h ，t h r e e - d i m e n s i o n a lg e o m e t r yo fb r i t t l e f a u l ti ss t u d i e db yf o l l o w si nt h i s d i s s e r t a t i o n lb a s e do nt h es i m i l a rt h e o r y ，t h ee x p e r i m e n to nf o r m a t i o no fb r i t t l ef a u l th a sb e e n d o n eb ym o d e lm a t e r i a lt h a ti ss y n t h e s i z e db yq u a r t z - s a n d ，c e m e n ta n dg y p s u m f o rt h e m o d e lh a v i n gp r e c r a c ko rn o t ，t h ef o r m a t i o no fb r i t t l ef a u l tg o e st h r o u g ht h r e es t a g e s ： m i t i a lb r e a c h ，e x t e n s i o na n dr u p t u r eo fc r a c k t h e i rm a j o rd i f f e r e n c el i e si nt h e p a t t e r n a n ds t r e s sv a l u eo fi n i t i a lb r e a c h i nt h ec e n t e ro fm o d e lw i t hn op r e c r a c k ，c r a c k s ， p a r a l l e lt oa x i a ls t r e s s ，a r ef o r m e d t h ei n i t i a lb r e a c hw i t has m a l l e ra n g l et oa x i a ls t r e s s o c c u r sa tt h et i po fp r e c r a c ki nt h em o d e lh a v i n gp r e c r a c k ，t h ep r e c r a c kd o e sn o t e x t e n d s ，a n di t ss t r e s sv a l u eo fi n i t i a lb r e a c hi ss m a l l e ro b v i o u s l yt h a nt h a to ft h em o d e l w i t hn o p r e c r a c k 2t h eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v es t u d yo f ft h r e e d i m e n s i o n a lg e o m e t r yo fb r i t t l e f a u l ta td i f f e r e n tp a r t sa n df o r m i n gs t a g e sh a v eb e e nd o n eb ys e c t i o no b s e r v a t i o na t d i f f e r e n tt i m ea n df r a c t a l g e o m e t r ym e t h o d e x p e r i m e n t a lb r i t t l e f a u l ti s c o m p o s i t eo f c e n t r a lp a r tw i t hs i m p l ea n db i g g e rs c a l ec r a c k s ；t a i lp a r tw t t hc o m p l i c a t e ds e c o n d a r y c r a c k sa n dd a m a g e dp a r tw i t he ne c h e l o nc r a c k s d u r i n gt h e c o u r s eo fb r i t t l ef a u l t f o r m a t i o n f r a c t a ld i m e n s i o n a ln u m b e ro fb r i t t l ec r a c k si n c r e a s e sg r a d u a l l yf r o mt h e i n i t i a lb r e a c h ，e x t e n s i o nt or u p t u r et h ef r a c t a ld i m e n s i o n a ln u m b e ro fb r i t t l ef a u l ti n d i f f e r e n ts e c t i o np l a nr e f l e c t si t sc o m p l i c a t e dd e g r e ea n db e t t e rs e l f - s i m i l a rc h a r a c t e r 3t h ef o r m a t i o no fb r i t t l ef a u l tt sa p r o g r e s s i v ec o a l e s c e n c ec o u r s et h a t i sf r o m m i c r o c r a c k ，n e t w o r kc r a c kt om a c r o f a u l tt h ei n t e r a c t i o no ff o c u se l a s t i cs t r e s sa n d d o c t o r a id l s s e r t a t i o na b s t r a c t m i r r o ri m a g ef o r c em a k et h ei n i t i a le x t e n d i n gc r a c k si n t o e ne c h e l o ni nt h e p l a s t i c d e f o r m a t i o na r e a a n dt h a tt h ea n g l eb e t w e e ne x t e n d i n gc r a c ka n dp r i n c i p a la x i a ls t r e s s d e c r e a s e sg r a d u a l l yi sc a u s e db yt h ev a r i a t i o no ft e n s i l ea n ds h e a rs t r e s sf o c u s e si nt h e c o u r s eo f b r i t t l ef o r m a t i o n 4t h et h r e e - d i m e n s i o n a lg e o m e t r ya n ds t r a i nf i e l da r es i m u l a t e ds y s t e m a t i cb y m o l e c u l a rd y n a m i cm e t h o d ，d i s c r e t ee l e m e n ta n dg r i dm e t h o di nt h en u m e r i c a lm o d e l ， b o t ht h ew i d t ha n ds h e a rs t r a i ni n t e n s i t ya r eb i g g e ra tt h ec e n t e ro fb r i t t l ef a u l t ，a n d s m a l l e ra tt h et a i la n dt i pp a r t st h ee x t e n s i o no fc r a c ka n ds h e a rs t r a i ni n t e n s i t yi nt h e a c r o s ss e c t i o nv a r yw i t ht h a ti nt h ev e r t i c a ls e c t i o n 5t h ee x p e r i m e n t a lm o d e la n dn u m e r i c a lm o d e la r ec o n f o r m e db yf i e l de x a m p l e s l a s ta ni n t a c tt h r e e d i m e n s i o n a l g e o m e t r y m o d e lo fb r i t t l ef a u l ti sf o u n d e db y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l ta n df i e l de x a m p l e s f r o m c e n t e rt ot i p ，a b r i t t l ef a u l ti sc o m p o s i t eo fm a i nf a u l t ，b r a n c hc r a c k sw i t hh o r s e t a i l ，e ne c h e l o nc r a c k s a n di n t a c tr o c k b yt h eg e o m e t r ym o d e l ，c o m b i n i n gw i t h t h e f a c t u a lc o n d i t i o no f s t u d y i n ga r e a ，t h ep o s i t i o no fe x i s t e n t f a u l ti nt h ew h o l ef a u l ta n de x t e n s i o no fb r i t t l e f a u l ti nt h r e e d i m e n s i o n a ls p a c ec a nb ef o r e c a s t e da c c u r a t e l y ，a n dt h eo r e - p r o s p e c t i n g ， e a r t h q u a k ef o r e c a s ta n dp r o j e c tc o n s t r u c t i o nw i l lb eg u i d e db e t t e r k e yw o r d s ：b r i t t l e f a u l t ，s i m i l a rt h e o r y ，m o d e l e x p e r i m e n t ，t h r e e d i m e n s i o n a l g e o m e t r ym o d e l ，f r a c t a lg e o m e t r y , m o l e c u l a rd y n a m i c n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 中南太学博士学位论文刚e 刖罱 在地质找矿、地震预测和工程建设中常常会遇到这样的问题：地表的脆性断层 在地f 什么样的地方会出现何种形态的断层? 它将怎样向深部延伸? 在地f 深处能 否再出现其它断层，以及各类断层的形成次序如何等等。这些问题的解决，除了利 朋现代的探测和勘探手段外，还在一定程度上依赖于脆性断层的三维几何模型。基 丁这一认识，结合国家自然科学基金和教育部博士点基金项目，本文从构造物理的 实验模拟、数值模拟和构造地质学的野外观测等三个方面对脆性断层的形成过程、 二维几何形态特征进行了全面、较深入的研究。 构造物理的实验模拟主要是在相似理论基础上，利用含颈制裂纹的相似模型在 单轴压应力作用下来反演岩石中先存裂隙的扩展过程以及形成宏观不连续面后的几 何形态。在实验过程中通过在不同时刻停止实验进行切片观测的方法来对脆性裂隙 扩展过程中三维几何形态进行全面的观测和研究。同时利用分形几何学等现代数学 方法对脆性断层不同部位和形成不同阶段的三维几何特征进行定量的研究。最后建 立脆性断层的实验模型。 数值模拟主要是采用分子动力学、离散元法和大变形网格法等数学方法，对脆 性断层中各种物理量与几何量的分布规律及相互关系进行定量的数学表达，用数值 表征岩石的各种力学参数，用模型的图形近似地描述几何学的边界条件，然后借助 计算机一 具对脆性断层的实验模型和应变场进行了定量的分析。最后建立脆性断层 的数值模型。 构造地质学的野外观测主要是通过对不同尺度脆性断层在不同部位和不同剖 面上的几何形态特征、分形特征和应力场变化特征等方面的研究，来验证脆性断层 实验模型和数值模型的正确性，从而建立脆性断层的地质模型。最后将实验模刑、 数值模型和地质模型结合起来建立了脆性断层综合的三维几何模型。 脆性断层三维j l 何模型的建立，可以解决地质找矿和建筑一e 程中的某些实际 问题：同时义可以充实构造地质学、岩石力学和构造物理学等相关方面的内容。所 以有关这方面的研究不仅在理论上还是在实践上均具有十分重要的意义。 ! 堡堕兰堕型苎塑垒堡墨一一 兰! 兰堕竺堑星塑堡三堡些塑堡型堕壅塑堕 第1 章脆性断层构造三维几何模型研究评述 1 1 脆性断层构造三维几何模型研究的意义 脆性断层构造是地壳浅层中广泛发育的基本构造类型，某些脆性断层在区域构 造演化中起着重要的控制作用，与矿产、能源的富集或地震活动有着密切的关系。 它不仅控制着矿床的形成、分布，矿体的形态、产状及规模，而且也直接影响地下 水工建筑的安全。因而脆性断层构造历来受到人们的关注。勘探任何类型矿床的地 质学家常常给自己提出解决与断层有关的各式各样问题。他们感兴趣的是地表层之 f 什么样的地方会有什么样的断层? 它将怎样向深部延伸? 在地下深处能否再出现 其它断层，以及各类断层的形成次序如何等问题。尽管总结这类问题的理论基础还 研究得不够，但地质学家常常要解决这些问题。而这些问题的解决又一定程度上依 赖于断层的三维几何模型。 脆性断层构造三维几何模型的研究主要是断层的几何学特征研究。它涉及断层 面的形态和产状、断层的组合形式或结构类型及其演变；断层几何学构型与断层运 动及能量调节之间的变形构造等方面。同时，三维几何模型的研究还应该阐述断层 的空间分布规律和它们产生的次序( 时间) 。其目的是在于拟定某些方法来确定断层的 分布地点，预测断层的空间方位形成的时间和次序。 脆性断层构造的时空分布规律具有很大实际意义【l i ，在矿床地质研究方面：可 以作为容矿空间：可以破坏已成矿体，使整个有用矿产的矿床构造变得复杂，常 极大地影响矿体的形态。在工程地质研究方面常常影响建筑地基基础的稳定性。此 外对地震的发生，石油和天然气等能源的运移和储藏起着重要的作用。 在进行脆性断层几何形态研究的同时，还必须进行断层构造形成机制的研究。 只有将有关断层构造几何学、运动学、发育史和形成机制等方面的相关内容有机的 结合起来才能建立起全面的断层三维几何模型。这样利用脆性断层的三维几何模型， 结合研究区的具体构造形态、岩性组成、应力场资料、岩石力学试验数据及现存的 构造断层或裂缝特征，就可以对地下断层的空间分布、延伸情况作出较好的预测， 从而指导找矿和： 程建设。 脆性断层构造三维几何模型的研究涉及断层几何学、形成机制、发育史平运动 中南大学博士学位论文 第1 章脆性断崖构造三维几何模型研究计述 学等多方面的研究，它需要结合构造地质学、岩石力学、地球物理学、构造物理学、 遥感地质及数值分析等多学科的相关知识来进行多侧面、多层次的研究，从而建立 起比较完整的有关脆性断层构造的三维几何模型，然后据此来解决某些实际问题【2 3 1 同时，对脆性断层构造三维几何模型的研究又可以充实构造地质学、岩石力学和 构造物理学等有关方面的内容。所以对脆性断层构造三维几何模型的研究不仅在理 论上还是在实践上均具有十分重要的意义。 1 2 研究现状和进展 随着构造地质、地球物理、构造物理、遥感地质、数学及计算机等学科新理论、 新技术、新方法的应用脆性断层构造几何模型的研究已从早期的维、一二维平面 到现在的三维、甚至多维空间：由局部到整体：从单学科到多学科；定性到半定量 乃至定量化方向发展；模型的建立将传统方法与新技术、新理论相结合：宏观与微 观相结合采用一系列的数学方法，利用计算机技术来表现断层在三维空间不同方 向、剖面上的形态几何特征“ 。 目前国内外学者对这方面的研究主要是从构造地质学的野外观测、构造物理学 的实验模拟及数学和计算机模拟等多方面来进行研究的。一方面通过对宏观脆性断 层构造地质学的野外观测总结和归纳它们的形态几何特征，为三维几何模型的建 立提供宏观的基础地质资料，利用这些资料就可以建立断层构造的三维地质模型 o 。6 。7 。例如h y e t t ( 1 9 9 0 ) 9 研究断层尖端的各种几何形态特征，建立的近平行运动形 成冲断层的三维几何模型。b o r q u i n s ( 1 9 9 2 ) t i 在断裂力学基础上建立的共轭断层模 式。a n n e m a r i e ( 1 9 9 2 ) 1 “1 在仔细观察和研究石英脉型金矿床构造特征的基础上，建立 的赋存矿脉剪切带的三维几何图形模型。n i c o l 等( 1 9 9 5 ) 【”i 利用二维和= 维高质量的 地震数据，建立的某地区共轭正断层三维几何模型。 另一方面通过构造物理的实验模拟，对野外观测建立的地质模型在实验室中进 行复原，获取脆性断层构造的实验资料建立断层相应的实验模型“3 1 4 , 1 5 , m 。如1 9 9 1 年r i c h a r d f ”】用上部代表盖层重力作用下脆性变形和下部代表基底延性变形的双层实 验模型，建立的两种不同岩层组合模式的实验断层模型。o d o n n e ( 1 9 9 2 ) i m 】用粘性相 似材料一一石蜡来进行的共轭破裂几何特征的实验研究。在这方面作得较为完整的 是m e c l a y 等学者( 1 9 9 5 ) 1 。他们用砂箱实验模拟了正向和斜向裂谷的二维演化过程， 中南大学博士学位论文第l 章脆性断层构造三维几何模型研究评坯 在结合野外观测和实验资料的基础上建立了斜向裂谷的三维概念模型，并从纵、横 切剖面上详细的观测了斜向裂谷的各种几何特征。 国内在这一领域内的研究也取得了一定成果乜0 - 2 1 - ”2 3 , 2 “。如朱志澄( 1 9 8 9 ) 【2 5 】在 综合已有资料的基础上，建立的逆冲推覆构造的模型。钱祥麟【2 6 】、宋鸿林等( 1 9 9 4 ) 建立的伸展构造滑脱拆离带的三维模型。同期许多地质学家也对断层构造进行了实 验模拟，如孔园波( 1 9 9 1 ) 2 7 1 探讨的砂岩试样裂隙扩展和宏观断层的模型探讨。曾佐 勋等( 1 9 9 2 ) 2 8 1 对双核型构造的实验模拟。王宗秀( 1 9 9 5 ) 2 9 1 用石英砂岩对逆冲推覆构造 所作的模拟实验等。这些工作为脆性断层完整三维模型的建立提供了丰富的资料。 在进行脆性断层构造野外观测和实验模拟的同时，不少地质学家也采_ e j 数学的 方法，对断层构造进行了数值模拟“) 。早期对断层构造的数值模拟大多侧重于 对断层的形成机制、形成过程、发育等方面，而对断层构造的三维几何特征的数值 模拟则集中在9 0 年代口o “) 。如d o n z e ，m o r a 等( t 9 9 1 ) 对岩石破裂及其变形过程的数 值模拟：曾佐勋 2 8 1 刘立林等( 1 9 9 2 ) 对羽纹状、蚌纹状构造几何特征的数值模拟。 这方面工作作得比较完整的是b r a u n ( 1 9 9 4 ) “1 对逆冲断层几何形态进行的数值模 拟和d o n z e 和m o r a ( 1 9 9 4 ) 等对断层和剪切带的数值模拟。在研究中，b r a u n 把地壳 中服从g f i f f i t h 破裂准则的岩石看作弹塑性材料，对其平挫变形进行了三维数值模拟， 并建立了平挫断层的三维有限元数学模型，最后用物理模拟实验验证了其模型的正 确性。继1 9 9 1 年对岩石破裂及其变形过程进行数值模拟后，d o n z e 和m o r a l “吁1 9 9 4 年义用分子理论结合牛顿运动学方程对岩石中剪切带进行了数值模拟建立了其数 学模型，并通过控制两个独立的参数：岩石中先存裂缝的密度和围压对剪切带的 变形特征进行了实验模拟。 脆性断层构造三维几何地质模型、实验模型和数学模型的建立：地球物理方法、 构造物理实验模拟及数学方法的应用为后期断层完整三维模型的建立提供了丰富的 地质资料和有效的研究方法o “，3 。 1 3 主要方法评述 脆性断层构造三维几何模型的研究包括对断层面( 带) 本身及其两盘的所有变形 构造几何学特征和断层带主体结构类型的研究同时还分析影响断层几何学特征的 主要因素。目前对断层构造三维模型的研究主要是通过构造地质学的野外宏观观测、 中南大学饵上学位论立 第1 章脆性断层构造三维几何模型研究计述 构造物理学的实验模拟及采用数值方法的数学模拟等三方面来进行的。 ( 1 ) 构造地质学研究在野外通过沿断层迹线的追索和横过断层走向的构造剖面 的测量，研究区断层构造的专f - i 制豳，以及对宏观断层面及其两盘变形构造几何形 态的观测，来准确地测定主断层面的产状和垂向变化【4 0 - 4 1 捌：弄清两盘变形构造与 主断层面的的几何关系，查明断层构造的水平分带性和垂直层次性，了解构造形态 在水平和垂直两个方向上的变化特点，建立断层构造的总体构造格架。同时利_ e ；f 地 球物理方法来揭示断层的深部形态和构造特征，通过物探的地震反射剖面来直观地 反映断层构造在垂向上清晰的几何形态图象，弥补钻探、坑探覆盖区域有限，成本 昂贵的缺陷：此外利用遥感图象对断层构造的解译也补充了断层在深部和区域上的 形态特征资料。综合断层构造在浅部、深部及其区域上的几何形态特征资料e ，。“l ， 利用几何作图法再造断层的几何形态，就可以建立断层构造三维几何地质模型。 ( 2 ) 构造物理学的实验模拟主要是通过岩石、相似材料等实验样品在二轴应力 实验机上，通过控制温度、压力、应变速率及含水性等力学参数来反演岩块在不同 环境中的变形性状、形成宏观不连续面后的几何形态。有关这方面的研究主要是从 岩石力学试验开始的。近年来，随着试验技术、仪器设备、实验样品等条件的不断 改进和提高，使有关断层的三维特征研究得到了很大程度的发展。模拟实验样【 i ! t 随相似理论的不断发展和完善，由早期单一的岩石样品逐渐被粘士、砂、明胶、t i 蜡及各种聚酯化合物等相似材料所代替“7 t4 8 , n 】：实验方法也由早期单轴拉伸、乐缩 试验向双轴、真三轴的试验转变：实验中其测试方法也出现了影象云纹法、= 维光 弹法、气泡法、面内云纹法、陈氏网格法及脆性涂层法等多种方法，使实验模删更 接近于实际情况。利用实验室的试验和模拟方法可以再现断层几何形态的产生条件， 修正地质模型中不完善的部分m ，”“1 。其目的在丁检验地质模型是否符台实际： 倘若发现试验和模拟结果与实际不相一致，则必须修改原有模型，并再次进行试验 直到试验结果令人满意为止。 ( 3 ) 数值模拟采用固体力学、流体力学、流变力学等理论和有限元法、边界元 法、离散元法及有限差分法等数学方法对断层的地质干实验模型中的麻力场、位移 场、席变场、位移速度场及应变速率场等进行定量的分析【i i “州：对断层构造中 各种物理量与几何量的分布规律及相互关系进行定量的数学表达，用数值表，征再种 不同的材料流变性质，规定载荷条件和压力，温度状况乃至考虑时间因素的影响 4 中南大学博士学位论文 第l 章臆性断层构造三维几何模型研究评述 用模型的图形近似地描述几何学的边界条件，所有这些数值和图形依据都来自实际 观测或实验室试验，因而数值模拟几乎可以不受限制地逼近实际。当然由r 我们迄 今对岩石圈内各种不同构造层次的流变性质、应力状态、围压、温度状况以及构造 特征等方面的认识在某些方面还存在不足，所以数值模拟在某些方面逼近实际的程 度还受到限制。但数值模拟具有野外观测和物理实验模拟所不具备的优点，它从几 何形态、流变学结构、荷载状态到变形条件都可依据实际观测和试验资料予以确定， 可以最大限度地逼近实际。数学方法的应用，使断层构造二维特征的研究由定性逐 渐向半定量、乃至定量化方向转变“9 r i o , w 】。 从上面的分析可以看出，构造地质学研究所获得的资料是最根本的，也是最重 要的：实验和数值模拟是对野外实际资料的复原和再造，它们都必须依赖r 实际观 测资料。根据野外观测的实际资料，首先建立断层构造的地质模型：然后从构造物 理学的角度对其进行实验模拟，建立实验模型：随后采用数学的方法对前两种模型 进行数学模拟，建立数学模型；最后将这三种模型有机的结合起来就可以建立起断 层构造完整的三维模型 6 2 16 3 , “ 。其工作流程图如图1 1 。 1 4 存在的问题及发展趋势 脆性断层构造三维几何形态的研究在国内外都已取得了一定的成果。许多地质 学家对不同类型断层的形成机制、几何形态、时空分布规律进行了详细的研究：对 裂缝的形成过程、机制及其几何特征进行了实验模拟，并开始闱数学方法模拟了断 层的某些方面。研究工作己从早期的一维、二维平面向三维方向转变，并建立了一 些初步的立体模型。但总的来说这些研究都还不够完善，典有一定的局限性，亦存在 一些问题：( 1 ) 地质学家对断层的研究由于受勘探手段的限制无法用肉眼观察到地 r 深处的现象，所以大多局限于某断层在浅层地表局部地段的表现形式、几何特征， 而缺少断层在垂直剖面深度的研究。( 2 ) 岩石力学试验的研究侧重丁破裂形成机制和 过程的研究，包括围雁、应力、应变速率温度等因素的影象，而较少对岩石破裂形 成宏观不连续面的特征研究。( 3 ) 如何选择合适的数学方法，将地质模型和实验模犁 转化为数学模型以及二维平面转三维立体的数学方法研究还很薄弱。( 4 ) 缺少将断层 构造的地质模型和实验模型、数学模型有机结合起来的完整二维模犁。 为了解决上述问题，在今后的研究中需从以f 几个方面去f ：作：( 1 ) 在获得断层 中南大学博士学位论文第1 章脆性断层构造三维几何模型研究评述 浅地表特征的基础上，借用地球物理方法，确定深部断层构造的产状、二维儿何形 态、运动学特征及演化史等宏观资料；同时应考虑地表出露的断层不一定是前地表 的产物。( 2 ) 利用岩石力学试验新技术，最大限度地确定断层构造形成的边界条件， 从而获得断层构造三维的实验特征资料。( 3 ) 利用数学方法和计算机图象处理方法对 断层构造模型进行三维的数学和图象模拟，使其逐渐由定性向半定量、定量化方向 转化。然后将构造模型、实验模型和数学模型有机的结合起来，建立完整的断层构 造三维几何模型。 在断层构造研究的基础上，以多源信息综合分析方法、计算机图象处理系统和 计算机数据处理为手段，必将促进断层构造三维几何模型的研究，建立更具有普遍 适用性、更完善的立体几何模型从而较好的指导找矿和：f 程建设工作。 1 5 本次工作的内容 本次对脆性断层三维几何特征的研究采用了反演法，就是首先从模型实验出发 再现脆性断层的形成过程和三维几何特征，再利用数值方法模拟脆性断层形成过程 中应变场的变化规律，最后用野外断层现象来验证实验和数值模拟的结果。 ( 1 ) 在相似理论的基础上，按选定的比例常数和地壳岩石力学性质配制合适的模 型材料。 ( 2 ) 建立脆性断层形成的实验模型并按边界条件进行实验模拟。 ( 3 ) 对通过模拟实验形成的脆性断层进行三维几何特征的定性描述和定量的研 究，建立脆性断层的实验模型。 ( 4 ) 利用数值计算方法，借助计算机【具对脆性断层形成过程中的应变场变化规 律进行研究，建立脆性断层的数值模型。 ( 5 ) 用野外实例验证实验和数值模拟的结果。综合实验模拟、数值模拟平野外实 例建立完整脆性断层的三维几何模型。 6 中南大学博士学位论义 第1 章脆性断层构造三维几何模型研究计述 图l - l 脆性断层构造三维模型研究流程图 f i g 1 - 1 f l o wc h a r to ft h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l s t u d y i n g o i lb r i t t l ef a u l t 7 中南人学博士学位论文 第2 章地壳岩石的力学性能 第2 章地壳岩石的力学性能 2 1 地壳的岩石组成 脆性断层是发育于浅部地壳的一种重要基本构造形式。要研究脆性断层构造的 三维几何特征、断层在三维空间的分布、变化规律以及在断层形成过程中应力场和 应变场的演化规律，就必须了解地壳的岩石组成、力学性能和岩石变形的机制。 根据地震波( 包括横波和纵波) 在岩石中的传播速度与岩石成分及物理状态的关 系地球由地壳、地幔和地核三部分所组成( 图2 1 ) 6 5 1 。地壳是地球的最外层岩石圈 地亮 深度 c ：h _ 】 筠 4 0 0 1 0 图2 - 1 地球内部构造剖面图【酯1 f i g 2 - 1 s k e t c hs e c t i o no fi n n e rc o n s t r u c t i o no ft h ee a r t h 的一部分，厚度大约是3 0 4 0 k r n ，主要由固体岩石所组成，脆性断层则主要发育r 这一层次。结合纵波在地壳内的传播速度可以推断( 表2 - 1 ) ，地壳上层应由花岗岩及 其成分相当的沉积岩与变质岩组成。地壳下层由辉长岩或玄武岩组成。据c l a r k 平 w a s h i n gt o n ( 1 9 2 4 ) ，地壳主要由火成岩9 5 、泥岩4 、砂岩4 和石灰岩o 2 5 所 组成【“。 从地壳岩石的断层系统情况来看，可把岩石圈分为二个区域( 图2 - 2 ) 1 6 ”。 岩石风化带：地壳岩石的最表层，带内的岩层厚度不一一般以米计算最 大厚度可达1 0 0 2 0 0 米。在许多重要的l ：程建设中，这一风化带都必须被挖除掉。 中南大学博士学位论文第2 章地壳岩石的力学性能 表2 - 1 不同火成岩的纵波速度【6 q t a b l e2 - 1t h e s p e e do fl o n g i t u d i n a lw a v e i nd i f f e r e n ti g n e o u sr o c k s 成分 纵波速度( 公里，秒) 富硅质的( 花岗岩) 6 铁镁质的( 辉长岩或玄武岩) 7 超铁镁质的( 橄榄岩) 8 节理岩石和断层岩石带：风化带下面，节理和断层共生的岩层带其厚度大 约为3 - 5 k m 。目前工程建设的深度都处于这岩层中，所以这一岩层带的特性对l ： 程建设具有极为重要的意义。 节理裂隙带：处于节理岩石和断层岩石带之f ，是目前人类的活动一般达不 到的地层，但却是自然地震和水库诱发地震所必须涉及到的岩层，其厚度可达4 0 k r n 以上。 湃度( k 1 ) 岩石且化带 。三 。f = = 、f ：= = = = = 、 j节理岩石和断羼岩石带 5 - 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一，一 ： !节理囊腺带 图2 - 2 地壳岩石的分带示意图( 根据断层系统) f i g 2 - 2 t h er o c kb e l ti ne a r t hc r u s t 2 2 地壳岩石的力学性质 决定岩块受外力作用而发生变形和断层过程中的性能的物理性质，称为岩i i 的 力学性质。反映岩石在短时形变、长期蠕变和断层过程中应力与应变及断层关系的 中南人学博 学位论文第2 章地壳岩。的j 学悱能 力学性质，这是岩石的基本力学性质。 岩石的基本力学性质可以由应力一应变曲线来全面表示。岩，仨i 力学实验己证明 岩h 在破裂前主要经历三个阶段( 图2 - 3 ) 6 8 ，”，7 0 】： ( a ) 第一阶段( o a 曲线) 载荷a 由零增加到a 点，由于 岩 i 是一种以上矿物在天然条件f 沉积或凝结的多晶体，因而其中或 多或少的存在一定微裂隙。当载荷 增加时，试件被压密，使曲线微微 向上弯曲，对致密岩4 i 来说，这种 现象不太明显，可忽略，视为弹性 府变。 ( b ) 第二阶段( a b 曲线) 图2 - 3 岩石的应力一应变曲线【7 0 i f i g 2 2t y p i c a ls t r e s s s t r a i nc n l n eo f r o c k 岩石产生弹性变形。若卸去载 荷，变形可以完全恢复，没有永久变形。其应力一应变曲线呈近似直线，其斜率称 为弹性模量e 。曲线上b 点产生弹性变形的应力极值，称为弹性极限，岩“力学中 叫屈服极限( o 。) 。在这一阶段，岩石将产生横向和纵向的变形，二个方向的变形关系 与岩石的泊松比有密切的联系。 ( c ) 第三阶段( b e 曲线) 当载荷继续增加超过b 点后，曲线呈向下弯曲形状。岩石产生的庵变包括弹性 应变和塑性应变。当卸去载荷后，岩石产生弹性变形的部分恢复，而塑性麻变则保 留f 来。载荷继续增加，超过c 点以后，岩石产生破裂。由丁：岩石内部尚有部分连 接，仍能承受一部分载荷，裂隙产生扩展、传播，岩，( i 承受载荷的能力越来越小， 故表现为曲线c d 段。c 点的应力值称为抗压强度a ，。岩石破裂时的破裂方向与它的 内摩擦角m 有密切的关系。 岩石的力学性质是由两个方面的因素确定的：岩f i 本身的性质和结构情况。由 实验可知岩石在破裂前弹性变形阶段的力学参量主要有弹性模量e 、泊松比v ：破 裂状态的力学参量有抗压强度吼和内摩擦角巾。地壳是由各种不同的岩l i 所组成的， 现将各种岩石的力学参量列于表2 2 中f “l 。 0 中南大学博e 学位论文第2 章地壳岩“的，j 学性能 表2 - 2 岩石力学参量表( 地质、煤炭、冶金、石油、水电、铁路、建工、建材、 交通、核工业等部门结果的综合) 6 8 1 t a b l e2 - 2m e c h a n i c sp a r a m e t e r so fr o c k si nt h ee a r t h 岩类弹性模量泊松比抗压强度内摩擦角 e ( 1 0 9 帕1 v t 3 c ( 1 0 6 帕)中( 度) i i 灰岩 1 2 2 0 6 0 0 1 0 4 81 0 。9 7 03 2 、6 5 扳岩 2 0 1 3 0 0 0 7 07 l3 3 2 44 3 6 1 石英岩 l o 1 1 9o 0 8 o83 5 。1 1 0 4 3 、6 3 白云岩 4 1 0 9 0o 1 4 0 8 l 3 2 5 9 02 5 0 l 花岗岩 1 0 1 0 500 7 0 8 2 6 0 1 2 0 04 5 。6 3 大理岩 2 7 一1 0 301 0 0 5 01 1 4 3 1 3 2 1 3 0 片麻岩 6 1 0 3 00 5 09 02 4 8 3 92 5 7 i 砂岩 4 1 0 0 00 3 “54 3 6 53 5 3 9 辉岩1 5 1 8 10 1 6 03 15 8 1 8 21 8 3 5 片岩4 1 2 00 1 6 02 62 0 2 5 13 4 4 8 之武岩3 1 1 0 60 0 9 09 51 9 3 5 51 8 3 0 安山岩2 1 1 0 50 1 6 02 47 0 1 9 93 0 6 5 角闪岩 2 0 9 70 1 4 0 2 04 0 3 0 03 s 3 9 矽1 岩 3 4 9 20 1 0 o2 l5 5 2 4 0 2 6 4 0 闪长岩 2 1 1 0 6 o 0 5 o3 26 4 - 4 8 02 5 3 0 通过大量的地质和地震研究证明，岩石圈中岩石的性质与深度及环境有着密切 的联系。沉积岩、大理岩和石英岩以及花岗岩的变形行为可以代表上地壳在其所处 环境的力学响应。而花岗闪长岩、长年i 质岩和闪欧岩可代表中地壳的力学行为。辉 t 卜角闪缸斜长f i 粒变岩相类岩石则可以代表f 地壳的力学行为【“i 。结合本次研究的 问题，通过对上地壳多种岩石各类力学参数的统计分析( 图2 4 ) ，可以得出它们力学 参鼙主要集中在一定的范围内变化( 表2 3 ) 。 2 3 岩石的变形机制 岩年i 往地壳中的变形，是由塑性变形和弹性变形两部分构成的。这两类变形各 ! 堕= ! = 兰堕主兰垡堡苎里| ! l 些查童互堕兰兰丝旦 ，d蚴嚣壳岩石的力sp 学参a r a m 数统e t e r 计