《构造地质学》教案

《构造地质学》教案

地质学专业（基地班）适用

《构造地质学》教案

第一章（1）绪论

一、教学安排

1、绪论；2、介绍课程特点、主要内容；3、介绍教学计划（包括教学方法），学

时安排，考核方式；4、介绍多媒体教材、CAI课件、网络课程等

二、授课内容

（一）构造地质学的内涵和研究对象

•主要研究岩石/岩层/岩体在外力（岩石圈中）作用下变形产生的各种构造

（现象），研究其几何形态、组合型式、形成机制和演化进程，探讨作用力

的方向、方式和性质。

•E.g.各种褶皱的问题可包括：

•形态描述

•组合：线状、穹盆

•形成机制纵弯或剪滑

•力：水平或垂直重力区域上

•水平纯剪或单剪

•形成过程

•与断层的组合关系

•构造层次

•又如：断层

•性质

•活动性、地震、滑坡、渗透性、工程、大坝建设、

•级次、

•Scale一中小为主，涉及大尺度、全球及微观尺度

（二）时、空演化的新构造观

•新构造观的要点:

•水平为主导渐进突变的旋回式发展

•层圈：各层不协调、横向不均一

•多因、多级、多时、多性

•挤压、伸展、平移均广泛存在，同具重要性

•新构造观的核心：一一活动论。板块构造

（三）构造地质学的基本研究方法

•野外、找出规律进行综合，构造配套，总体解释

•多学科知识相互映证，构造模拟

（四）构造解析的思想和方法

•是一种思维方法

•把整体分解为部分、复杂物分解为要素进行分析研究

•包括儿何、运动、动力学

（五）学习构造地质学的意义

•理论（对地质构造自然过程的认知）和实践（应用）

（六）课程特点：

•知识点较多；

•涉及的学科较多（沉积岩石学，火成岩岩石学，平面和立体儿何，理论力学,

材料力学，流变学等）；

•研究对象的空间尺度变化大，时间跨度长；

•许多构造现象无法在实验室中重现，对其成因和作用过程的解释往往根据经

验分析和推断，容易引起疑问；

•构造分析要求有良好的时空想象能力，善于综合应用所学知识，善于抓住主

要矛盾。

•课程内容的类型（按教学性质）：

•（1）知识和认识型，包括力学分析的基础知识；推覆构造，叠加褶皱等各

类构造名词、术语和概念；各种构造现象的识别等；

•（2）技能型，例如地质图、剖面图、赤平投影图等各种图件的判读和绘制;

•（3）逻辑推理和综合分析，例如根据节理资料恢复古构造应力场，根据变

形结果推断变形过程，根据构造样式推断变形环境，根据地质图和有关资料

恢复构造发展史。

（七）课程结构

方

作

赤

结

断

野

综

情

外

合

学R

论-

实

3l实

习

习

层

图

图

影

科

（八）教学方法

•课堂授课，

•学生利用CAI课件进行自学，

•课堂讨论，

•实习课。

其中，课堂授课主要讲授重点和难点，有关专题的研究现状、发展趋势，提出

思考和讨论问题，不对课程内容作全面讲解；学生自学要围绕课程内容和教学

进度，在阅读参考资料扩大知识面的同时能够围绕教师讲授时提出进行思考，

为课堂讨论作准备；课堂讨论除了综合实习后安排一次外，一般在授课过程中

穿插进行。实习课是《构造地质学》课程教学的重要组成部分，是培养学员动

手能力的重要环节。为此要求学员按质按量完成全部实习作业。实习过程中提

倡学生之间的互相交流，讨论。实习课成绩按比例（20%）记入最终成绩，并作

为考察学生实际能力的重要参考。

针对课程特点和面向21世纪教学体系、教学内容和教学方法改革的精神，为了

培养学生的动手能力和创新精神，全面提高其综合素质，教学过程中要始终注

重培养学生的动手能力，动脑能力，动口能力（提出和讨论问题以及辩论的能

力），在学习过程中让学生自己不断发现问题，积累问题，最终达到提高分析

问题和解决问题能力的目的。除了专题讨论课之外，原则上每次课堂授课都要

布置思考题和讨论题，每次上课正式授课前或在课间要组织10-20分钟的课堂

讨论，要求每个学生都发言。必要时指名不善于表达的学生作准备并在课堂发

言。可根据情况（学生人数和普遍发言情况），组织主题发言，让学生参加评

论和打分，并可记入总成绩（按5%记）。

要提高外语和计算机水平。具体措施是：指导和督促学生使用CAI课件和上网

浏览，介绍计算机技术在构造地质学中的应用，提出可以或可能用数字技术解

决的构造地质问题，尽可能提供专业外语词汇，有机会请外专讲课等。

（九）学习方法

•基本知识，应用，时间-空间想象，综合

•理解为主，记忆为辅，应用是关键（包括后续部分对前面内容的应用）

（十）课程总体要求

1、了解构造地质学的内涵、主要研究内容和基本研究方法；了解现代构造地质学

的进展和发展趋势。

2、了解变形岩石力学分析的基本原理和影响岩石变形的物理化学控制因素，并用

于对不同构造现象的解释。

3、了解并掌握不同类型构造的几何特征、构造组合和有关成因机制。

4、具备地质图件的判读能力，掌握基本的作图方法。

5、掌握分析和解决区域构造问题的基本工作方法，初步具备综合分析区域构造的

能力；

6、了解构造地质学研究的前沿领域及其新进展，了解其存在问题和发展方向，为

进一步的学习和研究奠定基础。

（十一）课程考核方式

包括：考试（占总成绩70%）,实习（占总成绩的30%,其中综合实习成绩占实习

成绩的50%,平时表现，包括课堂发言，阅读参考文献，野外实习，使用CAI课件情

况等酌情作为平时成绩的参考）o

要体现“改变应试教育为素质教育”的精神，不单纯以考试卷面成绩作为评价学业成绩的唯一

依据，同时尽量减轻学生应试的压力。考核方式对学生学习方式有着直接导向作用，要不断进行探索。

（十二）学时分配

《构造地质学》教学计划总学时共54学时，其中授课17次（34学时，包括1次

课堂讨论），实习课10次（20学时）。其中，“极射赤平投影在构造地质中的应用”

的作图原理部分安排课堂讲授，其余内容在相关实习课中讲授。另在课程进行过程中,

安排一次野外教学实习，以增加学生对各种不同构造现象，诸如褶皱、断层、面理、

线理、韧性剪切带等的感性认识，培养学生认识、鉴别构造现象的能力和分析不同构

造之间相互关系的能力。野外教学实习学时不记入总学时。

内容学时数教学方式

第一章绪论2讲授

第二章原生构造2讲授+讨论

第三章力学分析基础8讲授+讨论

第四章面状和线状构造2讲授+讨论

第五章褶皱6讲授+讨论

第六章行理2讲授+讨论

第七章断层8讲授+讨论

第八章构造解析2讲授+讨论

实习1学习使用CAI课件2实习

实习2简单剪切的卡片模拟2实习

实习3极射赤平投影原理2实习

读水平岩层、倾斜岩层地

实习42实习

质图并作剖面图

读褶皱地区地质图

实习52实习

作剖面图

实习6编制构造等高线图2实习

实习7编制节理等密度图2实习

分析断层发育地区地质

实习82实习

图并作剖面图

分析岩浆岩发育地区地

实习92实习

质图并作剖面图

实习10综合实习2实习

综合专题讨论2专题讨论

渭河地堑北缘变形特征

1天野外实习

（断层、褶皱、节理等）

三、要求熟练掌握的概念和要点

•构造地质学的内涵；构造时、空演化的概念；学习构造地质学的意义和

学习方法

四、思考、讨论题

•何为“构造演化”？如何了解一个地区乃至全球的构造演化？

•为什么要学习《构造地质学》？你打算怎样学习《构造地质学》？

•你对《构造地质学》CAI课件的印象如何？利用课件学习，是否会对你

的学习有所帮助？你打算如何利用它？

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第二章接触关系和原生构造

二、本草主要内容、要点

1、主要内容

•地层接触关系的基本类型

•沉积岩层顶、底面的识别标志及其构造意义：交错层，粒级层，波痕，层面

暴露标志，生物标志，底面印膜，冲刷面。

•软沉积物变形：负荷作用〃滑塌作用和滑移作用〃孔隙压力效应引起的软沉

积变形

•岩浆岩体的原生构造：侵入岩〃喷出岩

2、本章要点

•"V”字形法则及其应用

•不整合的识别和研究

•沉积岩层顶底面的识别及其应用：

•软沉积物变形的类型及其形成机理。

三、授课内容

（一）沉积岩---基本产状

•地层接触关系

•整合

•不整合：平行，角度；剖面，平面

•嵌入不整合

•超覆一“尖灭假象”，“不整合”假象

•不整合的研究

•意义：平行不整合一一沉降一降升一沉降角度一沉积一褶被一造山一下降一

方法

•确定不整合的存在

•地层古生物

•沉积一侵蚀

•古侵蚀面、古土壤、残积矿、底砾

•变形

•产状、构造线

•褶被型式、变形强度

•断层类型、产状和强度、截切

石LU浆4//石U-J

•成分：产状、规模、强度、性质

•变质程度

•*以不整合的形成过程、机理为主线记忆

•确定不整合时代

•可借助于区域地层对比、地层构造发展

•研究空间展布和类型变化

（二）沉积岩层---原生构造

•层理

•可示顶底的原生沉积构造（图示+讲解）

•面向（facing）

•交错层理

•递变层

•波痕

•层面暴露标志

•泥裂

•雨痕

•生物

•叠层石

•古植物根系

•异地埋藏的贝壳

•虫迹

•印模（砂岩底面）

•冲刷面

（三）沉积岩层一一软沉积物变形（简介，图示）

•Spencer（1977）：巨大的逆冲断层：褶被系、甚至某些板状劈理都可能是岩

石处于未固化状态中发生的。

•形成作用：

•负荐作用

•可指示面向

・负荷构造

•底面印痕（负荷铸型）、砂岩底面

•不规则瘤体

•火焰状构造

•砂岩球/枕：凹面向上

•滑塌/滑移作用

•卷曲层理一一与上下不协调，多为上切下割关系

•孔隙压力效应引起的软沉积物变形诱发地表砂层滑坡

•诱发柔软沉积物滑塌

•诱发大规模冲断---加积楔

•砂岩墙一液化作用贯入

•碟状构造一水的向上送出

・软沉积物变形的鉴别

•常限于一定层位软岩层中

•常限于一定地段、盆地边缘、隆起边缘

•重力作用的，一般无构造定向性

•应把沉积作用、沉积环境和变形结合起来

（四）火成岩原生构造

•侵入岩

•流面、流线，边缘片麻岩

•喷出岩

•绳状构造、枕状构造、气孔、杏仁

四、要求熟练掌握的概念和要点

•不整合的形成过程和构造意义

•利用沉积岩原生构造确定岩层顶底，并据此进行构造恢复。

五、思考、讨论题

•确定二套岩层是否为不整合关系，研究区是否需要一定的面积？为什么？

•能否用计算机可视化技术实现“V”字形法则的数字模拟？如果可以，实现

的途径是什么？

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第三章地质构造分析的力学基础

•（本章课序No.3-5,共6学时）

一、课堂安排

•讨论

•主要内容介绍

•本章思考讨论题

二、本章主要内容、要点

1、主要内容

•应力：概念〃应力分析（二维应力分析〃三维应力分析）〃应力场，应力轨

迹和应力集中

•应变：应变椭球体、形态类型及其几何表示法

•递进变形：共轴/非共轴递进变形

•岩石有限应变测量

•岩石变形行为：一般实验条件下的岩石变形行为〃岩石变形阶段（弹性、塑

性、断裂变形）；

•库伦剪破裂准则：剪破裂的实验，经验公式，剪裂角，内磨擦角

•摩尔剪破裂准则〃格里菲斯破裂准则

•塑性变形及变形机制

•影响岩石变形的因素

2、本章要点

•应力的概念；应力与（矢量）力的区别，与作用面的关系

•应力分析的思路和方法，重点为二维分析；

•应力圆的性质；应力状态的应力圆表示

・应力集中：概念及其地质-物理意义应变与变形的区别；

・应变椭球体：主应变轴，主应变面，圆切面（圆截面，无应变面），线伸长

/线缩短区域

•（共轴和非共轴）递进变形：概念及其对变形现象的解释。

・应变测量：方法及其设计思路

•库伦剪破裂准则

•影响岩石变形的因素

•各类变形实验曲线（应力-应变、应变-时间曲线等）的含义

三、授课内容

—）力学基础

1、应力的概念

♦面力与体力

力外力面力体力

内力固有内力-自然状态粒结合力

附加内力-由外力（面、体力）作用引起的作用于物体内部（设想的面）或表面（实质的面）

♦应力——作用于物体内部或表面单位位积上的一对大小相等方向相反的力

b=£嘿寒（均匀受力时）

A（面积）

=更（不均匀受力时的表达）

aA

应力的分解

正应力。、剪应力T（切应力）normalstress,shearstress

应力符号

。，挤压为正，张应力为负

T,逆时针为正，顺时针为负

应力单位

一点的应力状态

平衡力系，无限小立方体（单元体）力系合成为作用于立方体（中心）的一

对力,立方体置于空间座标系，则每个面上的应力可分解为共9个分量。

脚标表示的含义

•。xy——应力方向面法线方向

•应力性质

・oXX,oyy,ozz-on（两脚标相同）

•oxy,。yz,T（两脚标不同）

oXXoxyoxz

0yy。yzoyx

oZZozxozy

（又可写成）

oXTxyTXZ

oyTyzTyx

ozTzxTzy

在平衡力系中

tyx=­Txy

•tZX=­TXZ

•Tzy=­Tyz

•因此

•OxTT

•oyTyxT

•ozTzyTzx

•六个应力分量决定了一点的应力状态。

•主应力面一弹性力学证明（主平面）

•主应力一最大正应力（位于主平面上的正应力）。2,。3

•主（应力轴）方向

•应力状态

・单轴

•单轴压缩。1>。2=。3=0

•单轴拉伸。1=。2<0>o3

•双轴

•双轴压缩。1>。2>。3=0

•平面应力状态。1>。2=0>o3

•三轴（一般）

•012。22。3

•ol=o2=o3f静水压力、均压流体静压力

•若。1=。2=。3<0,何状态？

•应力差。1—。3

•平均应力（。1+。2+。3）/3=。

•可看作一应力系统中的均压部分

•偏应力。'=。一丁（有三个）为偏离平均应力的分量。

•01，=0]一b

•。2'=。2—a

•。3'=。3—

•泊松比V

•一个方向的变形引起的另一个与之垂直方向的长度变化，后者的变化值与前

者变化值之比。

•在地壳相对较浅层次（流变层之上），由上覆岩石重量引起的压应力。I（直

立），和由重压（变形）引起的横向应力的关系为：

O2=03=[V/(1—V)]01

•深部岩石受压而企图横向扩张，但受到限制，故引起此水平应力。

•如果横向上无限制，将出现何种情况？

2、应力分析简介

•二维应力分析

•二维的优越性

•'平面简化

图示

•单轴应力状态

数字表达简单

•基本关系：

、适用于地质问题分析

•Aa=A^/cosa

-P

OAa_L=p_cosa=5coscr

A。A。

22

an=a.cosa=cr.cosa=—(1+cosa)

•2(1)

.r=(rAceSina=a}SinaCosa

=—Sin2a

•2（2）

•（1）,（2）二端平方后相加，得

•应力莫尔图（单轴）

•双轴应力状态

•套用前（1）、（2）式，有

.（ynp=^-（1+Cos2£）=^（1-Cos2a）

r„=­Sin2/3--^-Sin2a

•'2"2(4)

•C,=(T“a=(1)+(3)

=--(1+Cos2a)H—(1+Cos2tz)

•22

曳卫+2a

22(5)

&=%+叼=(2)+(4)

=—Sin2a-Sin2a

•22

=_2夕〃2a

・2

•(5),(6)二端平方后相加，得

(cr„-巧,+r：=(0~i2")2(Cos22a+Sin22a)

=(£^)2

•2

••八种应力状态

•静岩压力若。2=。3-。1时，应力圆收缩

•有关应力圆

•圆心角=2a

•圆周一点的物理意义

•第一不变量

•纯剪状态

•剪应力互等定律

•三维应力分析

•三维应力圆(六种特殊情况)

•单压oi＞o2=o3=0

•ol=o2=o3静水

•o1＞02=03＞9静岩

•双轴压缩。1＞。2＞。3=0

・平面应力。1＞。2=0＞。3

•纯剪O1=一。3,02=0

•三轴拉伸

•三轴挤压

•二轴挤压，一轴拉伸

•一轴挤压，二轴拉伸

3、应力场、应力轨迹、应力集中

•应力场：各点的集合、各点的状态及其变化主应力方向轨迹一应

力(轨)迹线、主应力等值线

•用二维表示/光弹/计算机模拟

•e.g.图4一10

•图4-11

•图4一12

•应力集中一物体内部结构引起应力状态的改变

•圆孔表面的切线应力为：

•o=P,(1—2Cos2Q)

•P一无穷远处主应力(平均主应力)

•。一切点处半径线与Pi的夹角

•C(D)点，Q=0,。=—Pi

•椭圆孔，当长轴平行于AB时

•。=Pi(1+2a/b)

说明椭圆孔周边方向23Pi,椭圆率越大，则应力越为集中

岩石中的微裂隙可近似看作椭圆形孔洞，易于发生应力集中，导致破裂

材料中要计算应力集中的量值，使之小于切料强度。否则易于

破坏。

（二）应变分析基础

第一节岩石应变分析的基本概念

♦1、变形与位移

变形——内部质点位移，使初始形状、方位、位置发生改变

质点初始位置与变形后位置的比较

位移的基本方式：刚体运动，内部各点无相对变化

旋转J

各点相对位置变化，引起应

形变J

变物体在应力作用下形状和大小的改变量，有时包含旋转

的含意一变形强度

♦2、应变、应变的度量

（1）线应变（e）

e==（伸长时取正值）=2-1

品

S=%/£（）（长度比）

几=（4）2=（1+,2平方长度比

L。20

（2）剪应变

v=tgW

V—偏离右角的量

右行剪切为正

卡片模拟（图5—2）

据物体内部应变状态是否变化分为：均匀，非均匀变形

♦3、均匀变形和非均匀变形

•均匀变形

各点应变特征相同，特征为：

变形前直线仍为直线

变形前平行线仍平行

单位圆f椭圆可以一点代表全体

•非均匀

各点不相同

直线一非直线

平行线一非平行

圆一非椭圆

不连续变形（非渐变的应变状态，图5—3）

把非均匀变形用各单元体来表示一褶皱

♦4、应变椭球体

形象化

设单位圆球半径区=1

入i（X,A）最大应变主轴：只有线应变，无剪应变

半轴长=-^7—，〉i

入2（Y,B）。或=或〈1）

一般情况下，

=1

•主（应变）平面：包含任意两个主应变轴

・应用（形象表示地有构造的空间方位）

e.g.xy（AB）面一受压扁面，示轴面，片理方位

yz（BC）面一张性面，张节理

x（A,入）轴一最大拉伸方向，矿物定向排列

•圆切面，二个，交线为B轴，e2=0时为平面应变，又称无伸缩（无线

应变面）面，区分了伸长区和缩短区。

线伸长区（过球心的直线）

线缩短区

Co3平学0—圆切面与入।的夹角

♦5、应变椭球体类型及其几何表示法（Flinndiagram）

A=X/Y=(l+e,)/(l+e2)

b=Y/Z=(l+e2)/(l+e3)

K=tga=(a-l)/(bT)一圆点座标为(1,1)

变形后形态，K=1时，沿B方向无伸长和缩短

原始单元体

K=0

b[=(l+e2)/(l+e3)]

•在体积不变条件下，据K值分为五种形态类型

(1)K=0单轴旋轴扁球体(轴对称缩短)

(1+ei)=(l+e2)>(l+e3)

(2)1>K>O扁型椭球体(压扁型)

(1+e[)>(l+e2)>1>(l+e3)

(3)K=1平面应变椭球体

?

(1+ei)(l+e3)=(l+e2)=1；e2=0

或(l+e1)=l/(l+e3)

(4)8>K>1长型椭球体(收缩型)

(1+e,)>1>(l+e2)>(l+e3)

(5)K=8(i+e))>(l+e2)=(l+e3)单轴旋转是球体、棒状、雪茄状

lK〉K=〉o)叫烧铁饼饼卜〕一向，伸小长”

其中，K=1一向(B轴)无变化，一向伸长，一向缩短

?叫棒状[曾]一向伸长，二向缩短

K=ooj[面棍

•在体积有变化时，

体变△=(V—V。)/V。

当△<()时(体积减小)

图解中e2=0(平面应变线)向横座标(b)偏移

证明：•二△=(V—V。)/Vo

1/4/\434/1\

V=-7U(X9y•Z),V0=—7TT=—7T

444

・・•A=•yz)--7t]l—71

-(x•y•z)—1

或1+A=x•y•z=(1+ei)(1+e2)(1+e3)

当体积不变(△=o),K=1时，

(1+1)(1+e2)(1+e3)=1

即：(1+el)/(I+e2)=(1+e2)/(1+e3)

若e2=0,贝ij1+e2=1,则(1+e1)=1/(1+e3)

此时中间轴不变，变形只发生在XZ面上

当AW0时，若为平面应变(1+e2)=1,则

1+△=(1+ei)(1+e2)(1+e3)=(1+e])(1+es)

=；+J•(1+e2=1)(1+ej

1+02

1+03zi2

=Q•-----•(1+/=八1)

1+4

=a/b

a=b(l+A)(体积变化时的平面应变)

体积变化需用其它方法帮助求出。

♦6、旋转和非旋转变形

主轴物质线方向一改变与否乩

非旋转

纯剪变形一非旋转的特例(并非所有的非旋转变形都是纯剪变形，只有无

体变，且e2=0时的非旋转变形才称为纯剪变形)

无体变

e2=0(中间轴无变化)y=l

非旋转

纯剪变形e2=0(y=l)

单剪(效应)=纯剪+刚体旋转

♦7、递进变形

有限应变一一总应变

无限小应变---增量应变

递进变形一一初始状态至最终状态增量应变的叠加过程。

（图5—9）

（一）共轴递进变形

增量应变椭球主轴始终与有限应变椭球主轴保持一致

e.g.递进纯剪变形

（图5—10）

（二）非共轴递进变形

e.g.简单剪切（前图5—9）

tg20'=2

Y一剪应变

9'一应变椭球长轴与剪切方向夹角

当Y很小时，07^45°,即增量应变主轴总与剪切方向成45°夹角。

在单剪中，不能据有限应变椭球主轴方向来判断主应力的方向（除了y与。2

对应外）在纯剪中，x、y、z与。।。2。3分别对应。

E.g.图5—12

构造分析中，不能简单根据构造空间展布方位推断应力作用方式，必须从发生、

发展的过程来分析。系统研究不同强度的构造特征，以了解构造发展全过程。

第二节岩石有限应变测量

了解区域应变分布状况，推究变形时的应力状态。

区域应变场一构造应力场

中小型构造也可用来估算地壳伸展或缩短量及方位。

本章：利用岩石中的应变标志确定有限应变状态

♦1、应变主轴方位的确立

利用特征性构造

e.g.板劈理、层理一〃xy面（压扁面），_LZ拉伸线理〃X

应变量，较大者直接测量（退色斑、杏仁），较小者需要采集定向标本（鲍粒、石

英），切片平行一主平面

♦2、原始为圆球形个体的应变测量

基质与球形个体韧性差异小者为优，eg退色斑（还原斑）、灰岩鲍粒

•灰岩中的泥球、鲍粒，单晶方解石颗粒或硅质结核，虽然与基质有一定韧性差,

但可参考使用

・不规则性，若为随机的，可通过大量测量取平均值来消除

・测量方法

露头直接进行

显微镜

放大的照片

参考线，〃走向，在面上

测x/y或X/Z等

测长轴与参考线头角

­数量：20（还原斑）〜50

•计算方法种类

算术平均平均轴比A和方向G

调和平均值Rh—当各个体轴率变化较大时，Rh=n/£-（椭球轴比）

图解（长短轴法）——个别偏离点不考虑，与手工作等密图相同

Rs=K（斜率）=长轴/短轴

•结果表示：测量面产状

长轴方向（以侧伏角表示）

平均轴率左。

♦3、原始为椭球形个体的应变测量（Rf/6）

•砾石、捕虏体、石英颗粒及集合体

•最终状态（最终椭圆的轴比Rr和方位巾）取决于：

Rs（应变椭圆轴比）

R,（初始椭圆轴比）

6（初始椭圆长轴与应变椭圆长轴的夹角）

即：Rf=f（Rs,Ri,6）

6=f（Rs,R-0）

上述变量的函数关系式为（Ramsay,1967）：

tog26=2Rs®Un%

（R；+1）（/?；-1）+（R：-1）（^+l）Cos20

R=\tgv（i+R；tg》）-R鼠tg'm

\用火2州g2°+R,2）_（］+R〃g20）

据此可推出，一定的Rs值下，不同乩、6变形后的R1及。值，作出Rf/@曲线图

・曲线形态：1.对称单峰（当Rs〈Ri时）

2.圈闭水滴状（当Rs>Ri时，此时6<90°）

•乩最大值与最小值

Rfmax=RS•Ri

•E.g..R【=2.0

Rs=1.5

Rr=1.5X2=3.0

RMM=RS/RI或R./Rs（Rf按定义>1）

（R,=2.0）4-（Rs=1.5）

=（Rf=1.33）

•若Ri=（初始轴比）是变化的，则在R"6图上为一组点群，可与一系列理论

曲线对应，找合适的Rs值的曲线.

要求：①四个象限（纵坐标和50%资料线分开）中的点数大致相等，此时表明

初始椭圆方位是随机的，受到了与该理论曲线的Rs相同的应变。

②50个点子。

•当Rs>2.5时，调和平均值区卜=与区「/6求得的Rs相同，使其简化，一一

经验

•砾石初始优选方位，导致点群分布不对称，应予消除，一一参考郑亚东

•韧性差（砾石之间，砾石与基质间）

一选与基质相同的砾石

若为颗粒支撑砾岩（紧密堆积），F可法有时可避免上述弱点。

♦4、Fry法——据标志点分布的变化测量应变

•前提①标志体中心点的分布在变形前的分布在统计上是各向同性的。

②均匀应变（测量范围内）

此时，以任一点为中心，与其它各标志点的距离在各方向上相等。

•作法：1.透明方格纸A：标本切面或放大的照片上的标志体中心

2.方格纸B中心标记

3.二纸重合，使中心标记重合于等一点，投点

4.平移盖纸，使与下点重合，继续投点。

（三）岩石变形行为

第一节一般实验条件下岩石的变形行为

・三轴压力机，流体压力一围压，lOOOMPb,800℃

,岩石与金属实验相似

强度极限。

应变硬化后再次加压后的压服动。'y

屈服应力一。y

弹性差别

破坏（断裂）

小的正斜率，应变硬化（中、低温）

稳态流动（定全塑性材料）

塑性变形

受到一定的应变硬化后不再同到e,

­断裂变形

强度（极限）抗压强度》抗磁强度（表6—1）

•材料性质

脆性，应变量（％）<5%（断裂发生前）

韧性应变量（％）>10%

P-T与性质转换

第二节岩石的脆性破坏

破裂类型张裂一方向（位移上破裂面）

剪裂位移〃破裂面

试验和自然界宏观破裂的主要形式

•剪裂角（。）一

♦1、库仑剪破裂准则

（剪破裂的实验，经验公式，剪裂角，内磨擦角）

内摩擦系数

T=T0+UOn

T0。,,=0时的抗剪强度（岩石内聚力）

可改写成

TT0-H--•（T?

次。

6一内摩擦角

20=90°—6

0=45°—0/2

另：a+0=90°

T=T0+uon=T0+on•tg

♦2、莫尔剪破裂准则

6（内摩擦角）随围压的变化而变

T=f（。n）

砂岩

45°

23°

页岩

6随围压增大而减小

♦3、格里菲斯破裂准则（简介）

问题：1.库伦、莫尔未从机制上解释，都为岩石力学试验的经验公式

2.岩石实际破裂《据分子结构理论计算的材料粘结强度》，达三个数量级

解释：随机的微裂隙扩展

应力集中（末端）一扩展一联结

推导：二维中，作为扁平的椭圆到裂隙

①当。K—3。3时，a3=-TO张裂准则（T。一单轴扩张强度）

②当。白―3。3时，

（oi—。3）"—8To（。［+。3）=0（6—7）

或T2n=4T。（T。+。n）抛物线（6—8）

（Tn—剪裂面上剪应力）

（。n一剪裂面上正应力）

存在问题：据（6—7）式，在单轴压缩时，

•:。I=。C（抗压强度），。3=0

。c=8To

这与实验结果，Oc（抗压强度）=（10015）T。（抗强度不符）。

♦4、修正的平面格力菲斯准则

•麦克林托克和华西（1962）,

•假定微裂隙在受压方向上闭合，从而产生一定摩擦力影响微裂隙的扩展

•莫尔包络成为：

T=Uo„+2T0

评价：①初步描述了破裂过程的真实物理模式

②与实验结果仍有较明显不一致

e.g.预计的单轴抗压与抗张强度之比都过低

——莫尔包络线与实际的斜率不严格一致

（3）仍然是较合实验的准则，广泛用于构造地层、岩石力学

第三节影响岩石变形行为的因素

作用力-大小方式

岩石变形特征・岩石力学性质-矿物组成，结构，构造

变形条件-围压，温度，孔隙压力，流体，时间

♦1、岩石各向异性对变形的影响

面构造一层理、面理旋或破裂

先存软弱面

破裂强度（。1—。3）与夹角（。1与先存面理）的关系

剪裂面与。1的夹角

当。大时（七90°）剪裂角。七30°

当小时（＜30°）剪裂角

或=很小

♦2、围压

增大强度极限

增大韧性

♦3、温度

韧性增大，屈服极限降低

温一压同时考虑（在地壳中）

脆韧性转换带3.5公里（挤压）

15公里（拉伸）一与围压小于挤压环境有关

拉伸实验

挤压实验曲线

转换所需的围压与温度成反比

♦4、孔隙流体

作用：

降低强度，促进压溶、重结晶（塑性变形）

孔压①抵消围压，降低强度，易于脆性破坏，减小有效围压Pe=Pc—PP

effective围压孔隙压p或e?

剪裂张裂

当孔压异常大到几乎等于围压时，岩石浮起效应一Alps岩席

♦5、时间

（1）应变速率£

沥青、麦芽糖、快/慢

降低屈服极限，脆性材料一韧性

（在达到10%时应变时，所需的差应力与应变速率成反比、此图涉及自然应变

Loge的负值，可略去不讲。）

（2）蠕变

弹性后效

•蠕变强度（。蟠）

当。＜。蠕，固体变形（不发生蠕变）

。＞。蝙，流动变形（蠕变，固流体）（塑性流变）

实验表明，岩石具有一临界应力值或蠕变强度（基本强度），应力小于该强度，岩

石变形表现为固体（不发生蠕变）

♦6、岩石的粘性和能干性（强弱性）

流变与剪应力关系为：T（剪应力）=ne（流变）

n一粘度，或粘性系数，Pa-S（帕斯卡•秒）

•蠕变岩石一看作高粘度的固流体，I016-1022Pa-S

地下高温，n变小，为

10I5Pa-S（T=500℃,耶鲁大理岩）

另一方面，高压力时，仍为弹性，因此，把岩石看作是一种弹粘性体。

•能干性

“能干”的含义一易于发生塑性流变的程度

•某种程度上，也可用粘性比表示岩石能干性的差异

•有时，把能干性差异与韧性差异相混，但韧性应为达到破坏前的塑性变形量，

不完全与能干性等同。

能干性取决于：

1、岩石的矿物组成，

2、粒度

3、构造因素（片状，块状）

Ramsay能干性差异排序：（P.60）

（四）岩石的塑性变形机制

远比脆性变形机制复杂

有多种塑性变形机制，一岩石流变特征及显微构造组成矿物性质变形条件

绝大部分塑变由①单晶晶内滑动

②粒间滑动

♦1、晶内滑动和（低温）位错滑动

晶内滑动沿一定滑移系，由晶体结构决定滑移面一高原子/离子密度面“”方

向一〃原子/离子排列最密集的方向

e.g.Quartz,底面（0001）上a轴方向，方解石，底面，e面双晶（机械）

晶内滑移使①晶粒形状改变

②结晶轴发生旋转一晶格优选方位

e.g..图6—19

,Quartz[0001]

•BD为滑动面

•滑动面间距不变

在微观上，滑移并非发生在整个滑移面上

滑移①首先发生不应力集中区（晶体缺陷处）

②然后滑移已沿滑移面扩张

③最终与晶粒边界相交，产生一个阶梯

位错线一滑移区与未滑移区的界线

图不6—20

其原理相当于“拉地毯”

•额外半面

•位错传播受阻，形成网络和缠结，此时需增大应力才能继续传播一应变硬化，

变脆

受阻原因：低温杂质不同方向不同滑称面上的位错

•当应力大到一定量，晶体破碎，故纯是位错滑动，不能形成大的塑性变形量。

♦2、位错蠕变

高温变形机制

①恢复作用（当T>0.3Tm；nrmelt时）开始起重要作用，位错攀移符

号相反者互抵

“相同者”，重新排列成位错壁把晶粒一分为二，形成亚晶粒（Subgrain）,品格

方位略差异，亚晶内部位错密度降低，一多边形化作用。

单偏光下——一个晶粒

正交偏光——几度消光位差

②动态重结晶

高应变能储存处一变形晶粒边界

局部高位错密度处

较高温度下列成新生颗粒，核幔构造

・动态重结晶颗粒，光性差大（>10°-15°）,正交镜下边界明显，犬牙交

错状边界。

亚晶粒的形成

•恢复和动态重结晶的作用

①降低位错密度，使应变继续进行

②岩石不破裂而有很大塑性变形

③颗粒化

♦3、扩散蠕变一压溶作用

物质扩散一转移，颗粒形态改变

有粒间水膜时更易发生

压力颗（须状增生）

同构造（张性）脉

不变质或浅变质区更重要

♦4、颗粒边界滑动

粒间滑动一超塑性流动

松散的沙子

岩石一高温T>0.5Tm~melt

扩散速率能及时调节粒间滑动发生的空缺或叠复时才能实现

特点：1.应变量可极大

e.g..Alps,Helweticnappe

Ca质Myl.100:l(X/Z)

2.颗粒本身变形弱或没有

3.无晶格优选方位

4.无亚晶构造

♦5、小结

塑性变形机制

形态

晶格（晶内）滑移/位错滑移（低温）晶格优选

机械双晶

'恢复-亚晶

位错蠕变（高温T〉O.377〃）L”曰（锯齿状

重结晶坛一

［核幔

细粒化（应力释放）

扩散蠕变/压溶一［‘张压力江影

（未变质,低变质，粒间水膜）

‘无晶格优选

无颗粒变形

粒间滑动（高温,7>0.5刀砂

无粒内变形

.岩石变形量大

四、要求熟练掌握的概念和要点

•应力圆：推导，圆上一点的意义，

•各种类型应力圆表示的应力状态

•纯剪应力状态

・应变椭球体：主应变轴，主应变面，圆切面（圆截面，无应变面），线伸长

/线缩短区域

•库仑剪破裂准则

•递进变形：共轴/非共轴递进变形

•岩石变形的三个阶段

•影响岩石变形的因素（PTtF）

•塑性变形机制

五、思考、讨论题

•应力圆若为位于横坐标左侧（<0）的一个点，代表何种应力状态？自然界有

无这种应力状态?

•纯剪应力状态中的“纯剪”是何含义？

•单轴应力状态下，当假想面的延伸方向与作用力方向平行时，应力=?在双

轴和三轴应力状态下又是何种情况？生活中有无类似的体验？能否举例予

以说明？

•线应变，剪应变，递进变形

•应变椭球体中的主应变面（XY,YZ,XZ）面与主应力的关系，

•递进变形的概念对构造分析的意义是什么？

•三种形态的应变椭球体分别反映岩石受到何种变形？其可能的受力方式是

什么？

•岩石变形是否一定都经历弹性、塑性和断裂变形三个阶段？为什么？

•库仑剪破裂准则的依据是什么？莫尔准则的依据又是什么？这二者与格里

菲斯准则的区别在哪里？

《构造地质学》教案

第四章（7）面状和线状构造

一、课堂安排

•讨论

•主要内容介绍

•本章思考讨论题

二、本章主要内容、要点

1、主要内容

•劈理类型及应变意义：劈理的结构〃劈理的类型划分：连续和不连续劈

理〃劈理的应变意义：一般和特殊情况（剪切带内的C组构）

•劈理的形成机制：机械旋转〃重结晶〃压溶

•线状构造//运动轴与应变轴

•小型线理：拉伸线理；矿物生长线理；皱纹；交面线理

•大型线理：石香肠；窗根；杆状构造；铅笔构造；压力影

•线理的识别及测量

2、本章要点

•劈理类型和应变意义

•劈理的形成机制（以压溶机制为主）

•运动轴与应变轴的关系

•线理的类型、轴型和运动学意义

三、授课内容

一）面理

次生透入性面状构造

均匀连续分布、按肉眼尺度

面理的显示

组分颗粒大小密集不连续面/破壁理颗粒优选方位板状、片状矿物优选

A+D组分+颗粒优选方位

本章仅讨论劈理

第一节劈理类型和应变意义

劈理的结构

次生、密集平行排列、潜在分裂面、域构造（图7—3）

劈理类型

描述性分类

板劈理。〈0.2-

｛连续劈理（肉眼不见劈理域）千枚理

片'理。〉0.2加机（卬/〃.1一10加加）

劈理

'带状褶劈理

不连续劈理褶劈理‘

分隔

间隔劈理

（-）连续劈理

1、板劈理

细粒低变质岩

6<0.2mm

M域，宽0.005mm,层状硅酸盐平行或交织排列，此域可缺失

QF域一Q、F,透统状，近等轴，1—0.01mm,缺明显优选方位

2.千枚理

介于板劈理与片理之间，高泥质板岩，丝绢光泽

3、片理

中、高变质，结晶好

6>0.2mm（1—10mm）

矿物优选

复矿岩层状硅酸盐定向，围绕P、Q

单矿物岩矿物压扁、拉长，平行排列

（二）不连续劈理

1、褶劈理Crenunation

切过先存连续劈理

间隔0.1—10mm

­