《構(gòu)造地質(zhì)學(xué)》教案

《構(gòu)造地質(zhì)學(xué)》教案

第一章緒論

一、研究?jī)?nèi)容及對(duì)象

1、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的定義

地質(zhì)構(gòu)造指的是組成地殼的巖層和巖體在地球內(nèi)、外力地質(zhì)作用下所發(fā)生的變形，

從而形的成諸如褶皺、節(jié)理、斷層、劈理以及其它各種面狀和線(xiàn)狀構(gòu)造。

2、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的研究對(duì)象及兩個(gè)概念的區(qū)別

①研究對(duì)象

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的研究對(duì)象是地殼及巖石圈中的造現(xiàn)象、空間分布及形成原因。

②structuralgeology和tectonics的區(qū)別

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)有兩個(gè)分支，即structuralgeology和tectonics,這種區(qū)別在歐美國(guó)家中

實(shí)際不存在，在歐美國(guó)家中，structuralgeology一詞包含了所有的地質(zhì)構(gòu)造，也包含了

tectonics的含義。而在前蘇聯(lián)和我國(guó)，structuralgeology和tectonics兩個(gè)單詞則具有不

同的含義，即structuralgeology指的是地殼內(nèi)的中、小型構(gòu)造，而tectonics則指的是包

括巖石圈在內(nèi)的區(qū)域大地構(gòu)造，故在這些國(guó)家，將structuralgeology和tectonics兩詞分

別稱(chēng)之為《構(gòu)造地質(zhì)學(xué)》和《大地構(gòu)造學(xué)》，在大學(xué)里也分別開(kāi)設(shè)上述相應(yīng)的兩門(mén)課程。

3、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的研究?jī)?nèi)容

研究?jī)?nèi)容：從構(gòu)造現(xiàn)象（構(gòu)造形跡）上講，其包括巖石和巖體〈地質(zhì)體〉的原生和次生構(gòu)

造，尤其以研究巖石的次生構(gòu)造為主。

次生構(gòu)造：指的是巖石形成后，在地質(zhì)作用過(guò)程中所發(fā)生的破壞，包括褶皺、斷層、節(jié)

理劈理等。

原生構(gòu)造：指的是巖石在形成過(guò)程中形成的各種面狀和線(xiàn)狀構(gòu)造（主要指沉積巖和巖漿

巖）。從地質(zhì)作用的角度講，《構(gòu)造地質(zhì)學(xué)》主要研究?jī)?nèi)力地質(zhì)作用。

二、研究方法

《構(gòu)造地質(zhì)學(xué)》的研究方法主要為反序法，即根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)特征及規(guī)律反尋

其成因，進(jìn)而去討論地殼運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，即"將今論古"。在對(duì)某一構(gòu)造進(jìn)行實(shí)際分析時(shí)，

往往包括了如下方面的研究：

空間方面：主要研究地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)特征、分布規(guī)律與組合形式。

時(shí)間方面：主要研究地質(zhì)構(gòu)造的形成順序與演變。

成因方面：主要研究地質(zhì)構(gòu)造的形成機(jī)制及其發(fā)育的地質(zhì)條件。

以上三個(gè)方面的研究，歸納起來(lái)實(shí)際是對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的幾何學(xué)特征，運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和動(dòng)

力學(xué)背景的分析。

三、研究意義

1、理論意義

實(shí)例1、大洋中脊裂谷帶的構(gòu)造特征一地幔對(duì)流

實(shí)例2、阿爾卑斯-喜馬拉雅帶的構(gòu)造和地貌特征一板塊碰撞

實(shí)例3、華南的大地構(gòu)造特征一板塊俯沖

2、實(shí)踐意義

實(shí)例1、貴州的汞、金、鉛鋅礦與構(gòu)造的關(guān)系

實(shí)例2、松樹(shù)山、派因維油田、蘇北、塔里木油田構(gòu)造與油氣藏的關(guān)系

實(shí)例3、構(gòu)造對(duì)地下水的控制規(guī)律

實(shí)例4、地震與構(gòu)造的關(guān)系(全球地震帶及唐山地震)

四、從構(gòu)造地質(zhì)研究發(fā)展史談當(dāng)今的地殼構(gòu)造觀

《構(gòu)造地質(zhì)學(xué)》研究的歷史，大體可以分為兩個(gè)大的階段，第一階段為本世紀(jì)六十

年代前，第二階段為六十年代至今。兩個(gè)階段的地質(zhì)學(xué)家對(duì)地殼構(gòu)造的形成和地殼運(yùn)動(dòng)

的規(guī)律有截然不同的認(rèn)識(shí)。

1、六十年代以前的地殼構(gòu)造觀

19世紀(jì)中到后半葉，美國(guó)學(xué)者J.Hall(1859)和J.D.Dana(1883)根據(jù)他們對(duì)世界著

名的阿巴拉契亞造山帶的研究，提出了壟斷地質(zhì)學(xué)界近?個(gè)世紀(jì)的槽臺(tái)學(xué)說(shuō)，在這個(gè)

學(xué)說(shuō)的影響下，人們普遍認(rèn)為，地殼運(yùn)動(dòng)的方式是以升降運(yùn)動(dòng)為主，由此而給人們的

印象是，地殼構(gòu)造是由于升降運(yùn)動(dòng)引起的"一刀一刀向下切”的陡傾斷層為主。

2、六十年代至今的地殼構(gòu)造觀

20世紀(jì)初(A.J.Wegener,1912《大陸的生成》，1915《海陸的起源》)大陸漂移學(xué)說(shuō)的

提出

六十年代初(H.H.Hess,Dietz,1961)海底擴(kuò)張的提出

六十年代中期(Wilson,1965)轉(zhuǎn)換斷層和板塊構(gòu)造理論的提出

20世紀(jì)后半葉的COCORP計(jì)劃、逆沖推覆構(gòu)造、剪切帶和伸展構(gòu)造研究等

3、薄皮構(gòu)造觀的討論與實(shí)例

①、地球內(nèi)部構(gòu)造的成層性與薄皮構(gòu)造

②、物質(zhì)平衡和能量平衡與薄皮構(gòu)造

③、地球物理證據(jù)

五、地質(zhì)構(gòu)造研究中的幾種思維方法

1、拆零-組裝法(美,Alvin.Toffler;Ilya.Prigogine)

2、歷史構(gòu)造分析法

3、構(gòu)造類(lèi)比法

4、牛頓的時(shí)空觀與"將今論古"

X+Y+Z=A

六、學(xué)習(xí)方法

熱情+遠(yuǎn)見(jiàn)+行動(dòng)=成功

興趣+計(jì)戈U+行動(dòng)=成功

第二章沉積巖層的原生構(gòu)造及其產(chǎn)狀

第一節(jié)沉積巖層的原生構(gòu)造

一、層理及其識(shí)別

層理是沉積巖中最普遍的一種原生構(gòu)造，其包括層面以及巖層內(nèi)部的成分、粒度、

結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物結(jié)構(gòu)和顏色等特征在剖面上的突變和漸變所顯示出來(lái)的一種成層性。

（-）層理的分類(lèi)

根據(jù)層理形態(tài)及其結(jié)構(gòu)（幾何分類(lèi)）可將層理分為兩類(lèi)，即水平層理和交錯(cuò)層理（波狀

層理和斜層理），有的教科書(shū)上將其分為三類(lèi)，即水平層理、波狀層理和斜層理。

（-）層理的識(shí)別標(biāo)志

1、巖石的成分變化

2、巖石的結(jié)構(gòu)變化

3、巖石的顏色變化

4、巖層層面上的原生構(gòu)造（如波痕、底面印模、暴露標(biāo)志等均可作為層理的識(shí)別標(biāo)志）。

二、利用沉積巖的原生構(gòu)造來(lái)鑒定巖層的頂、底面

1、斜層理

斜層理是由一組或多組與主層面斜交的細(xì)層組成。利用斜層理來(lái)判別巖層的

頂、底板時(shí)，其判別特征是：每組細(xì)層理與層系頂部主層面成截交關(guān)系，而與層系

底部主層面呈收斂變緩而相切的關(guān)系，弧形層理凹向頂面。

2、粒級(jí)層理

粒級(jí)層理又稱(chēng)遞變層理，其特點(diǎn)是在一單層內(nèi)，從底到頂粒度由粗逐漸變細(xì)，

如底部是礫石或粗砂質(zhì)，向上可遞變?yōu)榧?xì)砂、粉砂，以至泥巖。

3、波痕

波痕有很多種，能用來(lái)指示巖層頂?shù)装宓闹饕菍?duì)稱(chēng)型的浪成波痕。浪成波痕

有尖棱狀的波峰和園弧狀的波谷組成，利用波痕來(lái)判別巖層的頂?shù)装鍟r(shí)，其判別標(biāo)

志是：尖棱狀的波峰指示巖層的頂板，而園弧狀的波谷則指示巖層的底板。

4、層面上的暴露標(biāo)志

①泥裂

②雨痕

5、沖刷面

6、生物標(biāo)志

第二節(jié)巖層的產(chǎn)狀、厚度及出露特征

一、地質(zhì)體的基本產(chǎn)狀

（一）幾個(gè)相關(guān)概念的介紹

1、地質(zhì)體一各種成因的自然巖石體或土質(zhì)體。

2、面狀構(gòu)造一指地質(zhì)體中幾何的或物理的呈面狀的結(jié)構(gòu)面一如巖層層面、斷層面、褶

皺軸面等。

3、線(xiàn)狀構(gòu)造一指地質(zhì)體中幾何的或物理的具一定方向延長(zhǎng)的構(gòu)造一如斷層線(xiàn)、礦物定

向排列而成的生長(zhǎng)線(xiàn)、擦痕線(xiàn)等。

（~）面狀構(gòu)造的產(chǎn)狀要素

產(chǎn)狀三要素：

走向一傾斜面與水平面的交線(xiàn)叫走向線(xiàn)，走向線(xiàn)兩端延伸的方向即為該平面的走向。

傾向一傾斜平面上與走向線(xiàn)相垂直的線(xiàn)叫傾斜線(xiàn)，傾斜線(xiàn)在水平面上的投影所指的

（沿平面向下傾斜的）方位即傾向。

傾角一指傾斜面與水平面之間的夾角3）。

（三）線(xiàn)狀構(gòu)造的產(chǎn)狀要素

傾伏向（指向）一某一線(xiàn)段在空間的沿傾斜方向的延伸方向，即某一傾斜直線(xiàn)在向下傾斜

方位上的水平投影線(xiàn)所指示的方向，用方位角或象限角表示。

傾伏角一指直線(xiàn)的傾斜角度，即直線(xiàn)與其水平投影線(xiàn)間所夾之銳角。

側(cè)伏角一當(dāng)線(xiàn)狀構(gòu)造包含在某一傾斜平面內(nèi)時(shí)，此線(xiàn)與該平面走向線(xiàn)間所夾之銳角即為

此線(xiàn)在那個(gè)面上的側(cè)伏角（用量角器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量）。

側(cè)伏向一就是構(gòu)成上述側(cè)伏角的走向線(xiàn)的那一端的方位。

產(chǎn)狀要素的表示方法：

圖示法—長(zhǎng)線(xiàn)表示走向，短線(xiàn)表示傾向，數(shù)字表示傾角

數(shù)字法SE150°Z60°

象限法S30OEN60。

（注意其習(xí)慣用法?。。?/p>

傾伏SE120°Z30°

側(cè)伏45°NE或直接書(shū)寫(xiě)為“側(cè)伏向NE,側(cè)伏角45。”。

二、巖層的原始產(chǎn)狀與水平巖層的露頭特征

（―）沉積巖的原始產(chǎn)狀

巖層的原始產(chǎn)狀即巖層在沉積忖的產(chǎn)出狀態(tài)。除在盆地邊緣、島嶼和礁體附近有局

部的原始傾斜產(chǎn)狀外，其余大部分區(qū)域的巖層的原始產(chǎn)狀往往被視為是水平的。

（-）水平巖層的露頭特征

1、在層序未倒轉(zhuǎn)的前提下：

巖層的面向——巖層由老變新的方向

2、地質(zhì)界線(xiàn)——與等高線(xiàn)平行或重合

3、巖層厚度——是其頂?shù)酌娴母卟?/p>

4、巖層出露寬度——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)

三、傾斜巖層的露頭特征

巖層——指巖石層面向某個(gè)方向傾斜的巖層。是巖層發(fā)生變形的結(jié)果一即構(gòu)造中最

基本的、最多見(jiàn)的現(xiàn)象。

傾斜巖層的露頭特征一V字形法則

1、當(dāng)巖層傾向與地形坡向相反時(shí)一相反相同

2、當(dāng)巖層傾向與地形坡向一致，巖層傾角大于地形坡度角時(shí)相同相反

3、當(dāng)巖層傾向與地形坡向致，巖層傾角小于地形坡度角時(shí)相同相同

4、直立巖層：地質(zhì)界線(xiàn)不受地形的影響，是一條直線(xiàn)。

第三節(jié)地層的接觸關(guān)系

地層的接觸關(guān)系分為整合接觸和不整合接觸兩種，其中不整合接觸有分為平行不整

合和角度不整合。

一、整合接觸

定義：連續(xù)堆積的沉積物成巖后表現(xiàn)為新老巖層連續(xù)無(wú)間斷、上下巖層彼此平行疊置，

巖層的這種接觸關(guān)系稱(chēng)為整合接觸關(guān)系。

特征：

①一套巖層，各巖層之間在空間排列是相互平行的，新老巖層的產(chǎn)狀是一致的。

②新老巖層在沉積層序上是連續(xù)的，沒(méi)有間斷面。

③由于沉積層序上是連續(xù)的，所以反映在沉積巖性和巖相變化是遞變的，巖層中所

含化石也是逐漸變化的。

二、平行不整合接觸（又稱(chēng)假整合）

定義：上下兩套巖層之間在空間上是平行排列的，產(chǎn)狀一致，但它們之間缺失一些時(shí)代

的巖層，說(shuō)明經(jīng)歷過(guò)一定時(shí)間的沉積間斷，或經(jīng)受過(guò)一定時(shí)期的風(fēng)化剝蝕作用后，

再下降接受沉積的過(guò)程。

特征：

①不整合面上下的巖層彼此平行排列，巖層產(chǎn)狀一致。

②底礫巖、古風(fēng)化殼以及風(fēng)化殘余型礦床，如褐鐵礦、鋁土礦或磷礦等是不整合存

在的直接標(biāo)志。不整合面上的沉積物成分常常與下伏地層的成分有關(guān)。

③不整合面上下的兩套巖層在巖性和巖相以及所含化石的演化上都是截然不同的、

是突變的，反映了因長(zhǎng)時(shí)間的沉積間斷而造成的部分地層缺失與上下兩套巖層之

間沉積環(huán)境的變化。

三、角度不整合接觸（簡(jiǎn)稱(chēng)不整合）

定義：時(shí)代較新的巖層以一定的角度覆蓋在不同時(shí)代或同一時(shí)代不同層位的老巖層之

上，上覆巖層與下伏巖層之間具有明顯的沉積間斷、生物演化不連續(xù)性。

特征：

①不整合面上下新老巖層之間產(chǎn)狀明顯不同，兩者呈一定交角接觸。

②不整合面上下的新老巖層之間缺少一定時(shí)期的地層，存在沉積間斷。不整合面上

常發(fā)育有底礫巖和風(fēng)化殘余礦產(chǎn)。

③由于新老兩套巖層之間存在長(zhǎng)時(shí)期的風(fēng)化剝蝕和沉積間斷，在不整合面上、下的

新老巖層的巖性、巖相及古生物演化上都截然不同。

④不整合面以下老巖層的構(gòu)造（褶皺、斷裂等）常常比上覆新巖層相對(duì)強(qiáng)烈且復(fù)雜，

巖漿活動(dòng)和變質(zhì)作用也具有類(lèi)似的特點(diǎn)。

四、不整合在地質(zhì)圖上的表示

1、在平面圖上的表示

2、在剖面圖上的表示

五、不整合的形成過(guò)程

1、平行不整合

下降、接受沉積一上升、沉積間斷、遭受剝蝕一再下降、再沉積

2、角度不整合

下降、接受沉積一褶皺、斷層等變形、變質(zhì)作用或巖漿作用、上升、沉積間斷、遭

受剝蝕T再下降、再沉積

六、不整合的觀察與研究

1、研究意義

①就構(gòu)造研究本身

②在巖石地層學(xué)方面

③在巖相古地理研究方面

④在礦產(chǎn)研究方面

2、不整合的研究

①確定不整合的存在

標(biāo)志有：地層古生物方面的標(biāo)志、沉積侵蝕方面的標(biāo)志、構(gòu)造方面的標(biāo)志、巖

漿活動(dòng)方面的標(biāo)志和變質(zhì)作用方面的標(biāo)志等。

②確定不整合的形成時(shí)代

確定原則為：下伏地層中最新地層形成之后和上覆地層中最老地層形成以前的

時(shí)間區(qū)段為不整合形成的忖代，亦即本次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)時(shí)間。

③研究不整合的空間展布和類(lèi)型變化。

第三章地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)

第一節(jié)應(yīng)力的概念

一、面力和體力

體力：物質(zhì)（巖體）單位重力，與質(zhì)量成正比。

面力：巖塊間的相互作用力，其作用于物體的表面，故有稱(chēng)之為表面力。

二、應(yīng)力

定義：應(yīng)力是在面力和體力作用下引起的，作用于物體內(nèi)（假設(shè)面）和表面（真面）的單位

面積上的一對(duì)大小相等而方向相反的力，它是作用于該面上力的大小的度量。應(yīng)力

的方向與作用力方向一致，其大小用6表示。

G=P（作用力）/A（受力面積）

如應(yīng)力在這一平面上分布不均，則該平面上的應(yīng)力是每一微小面積上作用力。

bdP/dA

如果我們考慮的面與作用力的作用方向不垂直，則作用力P可分解為垂直斷面的

分力Pn和平行斷面的分力PT,相應(yīng)的合力of亦可分為垂直斷面的分力o=dPn/dA,

該應(yīng)力叫正應(yīng)力或直應(yīng)力，及平行斷面的應(yīng)力T=dPt/dA,稱(chēng)之為剪應(yīng)力或切應(yīng)力。在地

殼運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，許多面往往與作用力的方向是不平行的。

在地質(zhì)學(xué)中，規(guī)定：正應(yīng)力是壓應(yīng)力時(shí)為正，張應(yīng)力時(shí)為負(fù)；而剪應(yīng)力是逆時(shí)針時(shí)

為正，順時(shí)針時(shí)為負(fù)。

三、一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)

設(shè)一個(gè)平衡力系統(tǒng)作用于一個(gè)無(wú)限小的立方體上，力系可合成為作用于立方體中心

的一對(duì)力。如設(shè)立方體的三條邊為三個(gè)直角坐標(biāo)系的X、Y和Z,則每個(gè)面上的應(yīng)力可

分解為三個(gè)，即正應(yīng)力。和平行于兩個(gè)坐標(biāo)軸的一對(duì)剪應(yīng)力。即在立方體的各個(gè)面上一

共有九個(gè)分量。

"xGyTxz

OyTyxTyz

dTzxGy

如作為平衡力系統(tǒng)考慮，有：

-Txy=Tyx

?Tyz=%

-Txz=Tzx

彈性力學(xué)證明，當(dāng)物體受力平衡時(shí)，總可以找到三個(gè)相互垂直的面，其上只有正應(yīng)

力作用而剪應(yīng)力為零。這種面叫主應(yīng)力面，其上的正應(yīng)力叫主應(yīng)力。故一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)

可以用三個(gè)主應(yīng)力的大小和方向來(lái)表示，即5、6和6。其大小為6侖。22。3,主應(yīng)力

方向亦稱(chēng)之為主應(yīng)力軸方向。

常見(jiàn)的應(yīng)力狀態(tài)有如下幾種：

1、單軸應(yīng)力狀態(tài)：一個(gè)主應(yīng)力不等于零，另外兩個(gè)主應(yīng)力為零。

單軸壓縮：5＞。2=°3=0

單軸拉伸：ai=O2=0

2、雙軸應(yīng)力狀態(tài)：一個(gè)主應(yīng)力為零，另外兩個(gè)主應(yīng)力不為零。

雙軸壓縮：

平面應(yīng)力狀態(tài)：5＞62=0＞。3

3、三軸應(yīng)力狀態(tài)：是指5、s和6三個(gè)壓應(yīng)力值都不等于零的應(yīng)力狀態(tài)。

5人2次3

當(dāng)5=6時(shí)，稱(chēng)為均壓，亦叫靜水壓力，是種特殊的應(yīng)力狀態(tài)，它只引起物體的

體枳變化，使其縮小或膨脹，而不改變物體的形狀。引起物體改變形狀的主要因素

是應(yīng)力差，即5P2。

第二節(jié)應(yīng)力分析簡(jiǎn)介

一、二維應(yīng)力狀態(tài)

人們對(duì)三維事物的分析，常難以用圖件直觀達(dá)，因此，總是通過(guò)不同角度的二維狀

態(tài)來(lái)進(jìn)行研究，然后再在二維分析的基礎(chǔ)上綜合出三維特征。二維應(yīng)力分析中只考慮所

研究的二維平面內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，而不考慮與此平面相垂直的另一軸的應(yīng)力狀況。前述的

三種應(yīng)力狀態(tài)均可用二維應(yīng)力狀態(tài)來(lái)分析之。

(-)任以截面上的應(yīng)力狀態(tài)

設(shè)在與5相垂直的二維應(yīng)力場(chǎng)中，其主應(yīng)力分別為5和%，考慮任一截面AB上

的應(yīng)力，AB的法線(xiàn)與5軸呈a角，因我們不能直接合成或分解5和6,所以必須先

把應(yīng)力轉(zhuǎn)換成作用于各條邊上的力。設(shè)AB線(xiàn)為單位長(zhǎng)度，則OA=sina,OB=cosa?作

用于斜面AB上沿0A和0B方向的P,和P2分別等于應(yīng)力乘面積。

02

把Pi和P2分解為垂直于AB面和平行于AB面的力，并相互相加，則垂直AB面的力

為：

Pn=Picosa+Pzsina

因?yàn)锳B是單位長(zhǎng)度，故正應(yīng)力為：

aa=Pr/AB=piCosa+p2sina=oiCosacosa+o2sinasina

或51=。18$%+02$皿2a=(5+Q2)/2+((5P2)/2)COS2a(3-2)

平行AB的力為：

PT=Pisina-p2cosa

則剪應(yīng)力應(yīng)為q=P"AB

Ta=6cosasina-6sinacosa=((5p2)/2)sin2a(3-3)

從此方程可知，當(dāng)2a=90。時(shí)，T為最大，其值等于(5-6)/2。故最大剪應(yīng)力作用面與5

和6軸的夾角為45。。

(二)表示應(yīng)力狀態(tài)的莫爾圖解

將(3—2)和(3—3)式分別平方后相加，得

(。欠--—)+“=(----){cos2a+sin2a=(―—)

上式是一個(gè)橢圓方程式，在以O(shè)為橫坐標(biāo)，T為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系統(tǒng)中，它代表圓心在

((5+6)/2,0)半徑為(G「6)/2的一個(gè)橢圓，這就是二維應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力莫爾園。圓周

上的任意一點(diǎn)P的坐標(biāo)，代表其法線(xiàn)與o軸成a角的截面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。

T

P（aTa）

01

從上圖可知:

(1)當(dāng)a=0°時(shí)，aa=O],Ta=0

當(dāng)a=90°時(shí)，5=戔，Ta=0

在這兩個(gè)面上只有正應(yīng)力而無(wú)剪切應(yīng)力，這兩個(gè)面稱(chēng)為主平面，其上的應(yīng)力稱(chēng)之為

主應(yīng)力。

(2)當(dāng)a=45。或135。時(shí)，剪應(yīng)力的絕對(duì)值最大tmax=(5-6)/2。它是位于與主應(yīng)力軸成45。

交角的一對(duì)相互垂直的面，稱(chēng)為最大剪應(yīng)力作用面。

(3)6=02，T=0,即在均壓下，無(wú)剪應(yīng)力。在三維應(yīng)力狀態(tài)中，若6=6=6，稱(chēng)為靜水

壓力。

二、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)力軌跡和應(yīng)力集中

1、應(yīng)力場(chǎng)

物體內(nèi)部各點(diǎn)在某一瞬間的的應(yīng)力狀態(tài)構(gòu)成了一個(gè)場(chǎng)，這個(gè)場(chǎng)即為應(yīng)力場(chǎng)。

2、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)

地殼內(nèi)一定空間范圍內(nèi)某一瞬間的應(yīng)力狀態(tài)稱(chēng)為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，表示那一瞬間各點(diǎn)的應(yīng)

力狀態(tài)即其變化情況。構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的劃分：

(1)根據(jù)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布的規(guī)?？蓜澐譃榫植繕?gòu)造應(yīng)力場(chǎng)、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和全球構(gòu)

造應(yīng)力場(chǎng)。

(2)根據(jù)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生的時(shí)間，可將構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)劃分為古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力

場(chǎng)。

3、應(yīng)力軌跡

應(yīng)力軌跡又稱(chēng)應(yīng)力跡線(xiàn)，它是通過(guò)主應(yīng)力方向的連線(xiàn)來(lái)表示某一物體受力狀態(tài)的一種

表示方法，其可用應(yīng)力等值線(xiàn)來(lái)表示其強(qiáng)度的空間變化。

幾種附加應(yīng)力狀態(tài)

第一種：水平擠壓力來(lái)自巖塊的左側(cè)，自上而下逐漸增大

第二種：附加應(yīng)力包括二類(lèi)：1、作用在巖塊底面上呈正弦曲線(xiàn)形狀的垂向力；2、

沿巖塊底面作用的水平剪切力。這種應(yīng)力狀態(tài)下形成的勢(shì)斷層的產(chǎn)狀比較復(fù)

雜。在中央穩(wěn)定區(qū)的上部形成兩組高角度的正斷層，每組斷層的傾角都向深部

變陡。自中央穩(wěn)定區(qū)趨向邊緣，斷層傾角變緩。一組變成低角度正斷層，另一

組變成逆沖斷層。

第三種：側(cè)向拉伸條件下簡(jiǎn)單剪切時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)

4、應(yīng)力集中

由于物體的不均質(zhì)，其受力時(shí)各點(diǎn)的應(yīng)力狀況將發(fā)生變化，如在巖石內(nèi)部的空洞、裂

隙等就會(huì)引起在這些部位的應(yīng)力集中。設(shè)?彈性巖板內(nèi)園孔附近的主應(yīng)力變化情況，

其在園孔附近的切線(xiàn)應(yīng)力為:

o=Pl(l-2cos20)

Pl是無(wú)窮遠(yuǎn)處的主應(yīng)力(或平均主應(yīng)力)；。是園孔半徑與主應(yīng)力P1夾角;

在A點(diǎn)：0=n/2,c=3P1,這說(shuō)明AB點(diǎn)處造成了三倍于平均主應(yīng)力的應(yīng)力集中。在長(zhǎng)

軸平行于AB的橢圓孔周?chē)?，?yīng)力還要大。

o=Pi(l+2a/b)

a、b分別為橢圓的長(zhǎng)軸和短軸。

在C、D點(diǎn)：0=0,o=-Pl,為單軸引張力，雖然在孔的遠(yuǎn)處為單軸壓縮狀態(tài)，并無(wú)引

張應(yīng)力存在，但在孔的頂點(diǎn)卻引起了張力的存在。

第三節(jié)變形巖石的應(yīng)變分析基礎(chǔ)

一、變形與應(yīng)變

1、變形

物體受力作用后，其內(nèi)部各點(diǎn)間的位置所發(fā)生的改變稱(chēng)之為變形。物體的變形是

通過(guò)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的位移來(lái)完成的。

位移的基本形式有四種平移、旋轉(zhuǎn)、體變和形變。

物體的變形方式有五種拉伸、擠壓、剪切、彎曲和旋轉(zhuǎn)。

2、應(yīng)變

應(yīng)變是指與初始狀態(tài)相比較的物體變形后的狀態(tài)。物體變形的結(jié)果引起內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)

間的線(xiàn)段長(zhǎng)度的變化或兩條相交線(xiàn)段之間的角度變化。前者稱(chēng)之為線(xiàn)應(yīng)變而后者稱(chēng)之

為剪應(yīng)變。對(duì)物體應(yīng)變的測(cè)量，即是通過(guò)線(xiàn)應(yīng)變和剪應(yīng)變來(lái)完成的。

(1)線(xiàn)應(yīng)變

指物體內(nèi)某個(gè)方向上單位長(zhǎng)度的變化。在應(yīng)變分析中，常用以下幾種參數(shù)來(lái)表達(dá)

線(xiàn)的長(zhǎng)度變化。

￡=(L]-L())/LO

式中％和L,為變形前后同一線(xiàn)段的不同長(zhǎng)度。其中拉伸時(shí)為正值。

平方長(zhǎng)度比(九)：線(xiàn)段變形后的長(zhǎng)度與變形前的長(zhǎng)度的比的平方。

九=(L/Lo)2=(1+￡)~

(2)剪應(yīng)變

變形前相互垂直的兩條直線(xiàn)，變形后其夾角偏離直角的量稱(chēng)為角剪應(yīng)變(⑺，或

簡(jiǎn)稱(chēng)角剪應(yīng)變，其正切稱(chēng)之為剪應(yīng)變(丫)。

y=tan(p

在地質(zhì)分析中，與剪切面垂直的物質(zhì)線(xiàn)向右偏為正，即右行剪切為正，反之，左

行剪切為負(fù)。

3、均勻變形與非均勻變形

（1）均勻變形

指物體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)變特征相同的變形，其特征是：變形前的直線(xiàn)，變形后仍為直線(xiàn)，

變形前的平行線(xiàn)變形后仍相互平行。面狀構(gòu)造亦然。因此，任一小單元的應(yīng)變性質(zhì)

（大小和方向）就可代表整個(gè)物體的變形特征。其中單位園變形后為橢圓，稱(chēng)之為應(yīng)

變橢圓。對(duì)三維均勻變形而言，園球變形后為橢球，單位園球變形后的橢球稱(chēng)之為

應(yīng)變橢球。

（2）非均勻變形

物體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)變特征發(fā)生了變化的變形稱(chēng)為非均勻變形，與均勻變形相比較，其

特征完全相反。

4、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(chēng)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(chēng)為不連續(xù)變形。例如物體的兩部分之間發(fā)生了斷裂。

二、應(yīng)變橢球體

1、應(yīng)力橢球體與應(yīng)變橢球體

應(yīng)力橢球體

在分析物體受力的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，我們知道，當(dāng)物體受力后處于平衡狀態(tài)時(shí)，物體

內(nèi)任意一點(diǎn)總可以截取這樣一個(gè)小單元，使其六個(gè)面上只有正應(yīng)力作用而無(wú)剪切應(yīng)力

作用一主應(yīng)力，當(dāng)這六個(gè)面上的三對(duì)主應(yīng)力相等時(shí)，物體只發(fā)生體積改變而不發(fā)生變

形。

當(dāng)三對(duì)主應(yīng)力的大小不同時(shí)，則物體發(fā)生形變。當(dāng)5＞立＞。3,并符號(hào)相同時(shí)就

就可根據(jù)一點(diǎn)的應(yīng)力矢量5、6和5為半徑作一個(gè)橢球體，該橢球體即代表了作用

于該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。稱(chēng)為應(yīng)力橢球體，應(yīng)力橢球體的三個(gè)軸稱(chēng)為主應(yīng)力軸。應(yīng)力橢球

體可以代表三維應(yīng)力狀態(tài)。沿三個(gè)主應(yīng)力平面切割橢球體的三個(gè)橢圓稱(chēng)應(yīng)力橢圓。

應(yīng)變橢球體

單位圓球體經(jīng)均勻應(yīng)變變成的橢球體稱(chēng)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(gè)互相垂直的主

軸，沿主軸方向只有線(xiàn)應(yīng)變而沒(méi)有剪應(yīng)變。這三個(gè)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(gè)應(yīng)變主軸的平面稱(chēng)為應(yīng)變主平面。分別以XY、XZ、

YZ或AB、AC、BC三個(gè)平面表示。

應(yīng)變橢球體與應(yīng)力橢球體的關(guān)系

應(yīng)力作用方向應(yīng)變橢球體軸向應(yīng)變方式

＜71軸作用方向入3（C、Z）軸向擠壓

"2軸作用方向X2(B>Y)軸向中間

a3軸作用方向M（A、X）軸向拉伸

三、巖石的變形階段

彈性變形階段

巖石受力后要發(fā)生變形，當(dāng)外力解除后，其變形又恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。這種變形即為

彈性變形。地震波的傳播是一種彈性波，因此，在許多情況下，地震所引起的變形是

一種彈性變形。

塑形變形階段

隨著外力的不斷加強(qiáng)，巖石的變形程度亦隨之增強(qiáng)，當(dāng)應(yīng)力作用超過(guò)巖石的彈性極限

后，即使再將應(yīng)力解除，變形了的巖石也不能完全恢復(fù)其原來(lái)的狀態(tài)，這種變形即為

塑性變形。巖石的塑性變形是通過(guò)礦物晶內(nèi)滑動(dòng)、位錯(cuò)滑動(dòng)、位錯(cuò)蠕變和擴(kuò)散蠕變等

變形方式來(lái)完成的。

晶內(nèi)滑動(dòng)和位錯(cuò)滑移

晶內(nèi)滑動(dòng)是沿礦物晶體內(nèi)一定的滑移系發(fā)生的，即沿某一滑移面的一定方向的滑移。

滑移系是由礦物晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的?；泼嫱ǔＪ歉咴用芏群透唠x子密度的

那些面，滑移方向通常是滑移面上原子或離子排列最密的方向，不同的礦物各具有不

同數(shù)目的滑移系。如石英礦物常沿（0001）面產(chǎn)生滑動(dòng)。

晶內(nèi)滑動(dòng)既可造成晶粒的形態(tài)改變而發(fā)生塑性變形，又可使晶體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，造成晶體

的優(yōu)選方位。在超微觀尺度上，在一個(gè)晶體的整個(gè)滑移面上并沒(méi)有同忖發(fā)生滑動(dòng)，只

是在一個(gè)小的應(yīng)力集中區(qū)（晶體缺陷處）首先發(fā)生。滑移區(qū)與未滑移區(qū)的界線(xiàn)即位錯(cuò)

線(xiàn)。位錯(cuò)的傳播猶如在一個(gè)撰滿(mǎn)家具的房間中移動(dòng)地毯。位錯(cuò)的傳播如受阻，則形成

位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)和位錯(cuò)墻。

位錯(cuò)蠕變

位錯(cuò)蠕變是一種高溫變形機(jī)制，在這種情況下，位錯(cuò)可以從一個(gè)滑移面攀移到另一個(gè)

滑移面上，當(dāng)兩個(gè)符號(hào)相反的位錯(cuò)發(fā)生攀移時(shí)會(huì)相互甄滅，符號(hào)相同時(shí)則重新排成位

錯(cuò)壁，將一個(gè)晶粒分隔成若干亞顆粒。亞顆粒是巖石韌性變形的一個(gè)重要標(biāo)志，即多

邊化作用，在單偏光顯微鏡下其仍是一個(gè)晶體，但在正交鏡下則有幾度的消光位存在。

另一種情況下，在初始變形晶粒邊界或局部的高位錯(cuò)密度處，儲(chǔ)存了較大的高位能，

在溫度足夠高的情況下，將形成新的重結(jié)晶顆粒一動(dòng)態(tài)重結(jié)晶。使初始的大晶粒分解

成新的亞顆粒，如未完全分解則形成核幔構(gòu)造。

擴(kuò)散蠕變

是一種通過(guò)擴(kuò)散物質(zhì)的轉(zhuǎn)移而達(dá)到晶粒形態(tài)發(fā)生改變的作用。當(dāng)巖石間存在晶間水膜

時(shí)，擴(kuò)散蠕變更易發(fā)生。物質(zhì)從高應(yīng)力邊界溶解，通過(guò)離子間的水膜進(jìn)行遷移，并在

低應(yīng)力邊界沉淀一壓溶作用。其構(gòu)造現(xiàn)象是壓力影。

顆粒邊界滑動(dòng)

是一種通過(guò)顆粒邊界之間的滑動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)巖石總體變形的變形機(jī)制。

斷裂變形階段

當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)巖石的強(qiáng)度極限時(shí),巖石的內(nèi)部結(jié)合力遭到破壞，進(jìn)而產(chǎn)生破裂面,

使巖石的完整性被破壞，即斷裂變形。

巖石的強(qiáng)度極限又稱(chēng)之為破裂極限，是指常溫長(zhǎng)壓下使固體物質(zhì)開(kāi)始破壞時(shí)的應(yīng)力值。

常見(jiàn)的一些巖石的破裂極限值見(jiàn)下表。

常溫常壓下一些巖石的強(qiáng)度極限

巖石抗壓強(qiáng)度（MPa）抗張強(qiáng)度（MPa）抗剪強(qiáng)度（MPa）

花岡石148(37-379)3-515-30

大理巖102(31-262)3-910-30

石灰?guī)r96(6-360)3-610-20

砂巖74(11-252)1-35-15

玄武巖275(200-350)——10

頁(yè)巖(20-80)—2

四、遞進(jìn)變形

有限應(yīng)變和總應(yīng)變：物體變形的最終狀態(tài)與初始狀態(tài)對(duì)比，其間所發(fā)生的變化稱(chēng)之

為有限應(yīng)變或總應(yīng)變。

遞進(jìn)變形:物體從初始狀態(tài)變化到最終狀態(tài)的過(guò)程是由許多次微量應(yīng)變逐次迭加的

過(guò)程，這種變形的發(fā)展過(guò)程稱(chēng)之為遞進(jìn)變形。

變形過(guò)程中某一瞬間正在發(fā)生的小應(yīng)變叫增量應(yīng)變，如所取的時(shí)間非常小，其間發(fā)

生的微量應(yīng)變過(guò)程稱(chēng)為無(wú)限小應(yīng)變。

遞進(jìn)變形實(shí)際是由許多次無(wú)限小應(yīng)變逐漸累積的過(guò)程,對(duì)變形史的某一階段進(jìn)行應(yīng)

變分析時(shí)，總可以把應(yīng)變狀態(tài)分為兩部分，即已經(jīng)發(fā)生了的有限應(yīng)變和正在發(fā)生的無(wú)限

小應(yīng)變或增量應(yīng)變。

如考慮被變形的物質(zhì)是一些球粒物質(zhì)，不同變形階段所產(chǎn)生的應(yīng)變橢球的主軸可以

是一致也可以不一致。相同者稱(chēng)之為共軸變形，不同者稱(chēng)之為非共軸變形。

>共軸遞進(jìn)變形與純剪應(yīng)變

在變形過(guò)程中，各增量應(yīng)變的主軸始終與有限應(yīng)變主軸保持一致時(shí)為共軸遞進(jìn)變形。

根據(jù)應(yīng)變橢球體應(yīng)變主軸方向質(zhì)點(diǎn)線(xiàn)與變形前相應(yīng)質(zhì)點(diǎn)線(xiàn)之間的不同關(guān)系，平面應(yīng)變

可分為簡(jiǎn)單剪切與純剪兩種。

純剪應(yīng)變是一種均勻變形是一種均勻變形，應(yīng)變橢球體中兩個(gè)主軸Q1或A軸和X3

或C軸）的質(zhì)點(diǎn)線(xiàn)在變形前后具有同一的方位，即沿應(yīng)變主軸方向的質(zhì)點(diǎn)線(xiàn)沒(méi)有發(fā)生

旋轉(zhuǎn)。故純剪應(yīng)變又稱(chēng)為無(wú)旋轉(zhuǎn)變形。因此其無(wú)疑是一種共軸變形。

>非共軸遞進(jìn)變形與簡(jiǎn)單剪切

定義：在變形過(guò)程中，各增量應(yīng)變橢球的主軸與有限應(yīng)變橢球的主軸不一致，即非共

軸變形。單剪應(yīng)變是種非共軸變形。

五、剪裂角分析

剪裂角與共鈍剪裂角

當(dāng)巖石受力并超過(guò)強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生破裂，巖石的破裂有兩種方式，張裂和剪裂。

張裂的位移方向垂直破裂面，張裂面般垂直于最小應(yīng)力方向（壓為正）。

剪裂的相對(duì)位移方向平行于破裂面，從應(yīng)力分析結(jié)果知，剪裂面在理論上與最大主應(yīng)

力的方向呈45。夾角，但在通常情況下其往往小于45。。

剪裂面與最大主應(yīng)力方向的夾角稱(chēng)之為剪裂角，一般剪裂面常成兩組共朝出現(xiàn)，包含

最大主應(yīng)力軸的兩個(gè)共軌剪裂面的夾角稱(chēng)之為共腕剪裂角。理論上共輾剪裂角應(yīng)為

90°,但實(shí)際上往往小于90。，對(duì)此問(wèn)題有如下一些解釋準(zhǔn)則。

>庫(kù)侖剪切破裂準(zhǔn)則

庫(kù)侖認(rèn)為，巖石抵抗剪切破壞的能力不僅同作用在切面上的剪應(yīng)力有關(guān)，而且還與作

用于該截面上的正應(yīng)力有關(guān)。設(shè)發(fā)生剪裂的臨界剪應(yīng)力為T(mén)o

T=To+|lGn

式中心是正應(yīng)力；S是d=0時(shí)巖石的抗剪強(qiáng)度，也稱(chēng)為巖石的內(nèi)聚力，對(duì)一種巖石

而言，其為一個(gè)常數(shù)；R是巖石的內(nèi)摩擦系數(shù)，即為前式所代表直線(xiàn)的斜率，故上式

可寫(xiě)為；

r=T0+tan（p

式中tan（p等于內(nèi)中為內(nèi)摩擦角。在莫爾應(yīng)力圖解之中，上式為兩條與巖石破裂時(shí)極

限應(yīng)力園相切的直線(xiàn)，稱(chēng)之為剪切破裂線(xiàn)，兩個(gè)切點(diǎn)代表了共鈍剪切面的方位及應(yīng)力

狀態(tài)。

巖石破裂時(shí)剪裂面與5的夾角為0,2?90。呻

由上可見(jiàn)，剪裂角的大小取決于巖石變形時(shí)內(nèi)摩擦角的大小，實(shí)驗(yàn)表明，許多巖石的

剪裂角在30。左右。

>摩爾剪切破裂準(zhǔn)則

根據(jù)實(shí)驗(yàn)，摩爾對(duì)庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行了修正，他認(rèn)為，材料的內(nèi)摩擦角不是常數(shù)，而是隨

圍壓的變化而改變的，其破裂線(xiàn)的方程一般表達(dá)為：

Tn=f（Gn）

這是一條由?系列實(shí)驗(yàn)得出的曲線(xiàn),他包括了同種巖石在不同圍壓下破裂時(shí)的極限

應(yīng)力園，這一曲線(xiàn)稱(chēng)之為摩爾包絡(luò)線(xiàn)。

＞格離非斯準(zhǔn)則

摩爾和庫(kù)侖的成果均為根據(jù)實(shí)驗(yàn)而得，格里非斯發(fā)現(xiàn)，材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)要小于根

據(jù)分子結(jié)構(gòu)理論計(jì)算出的材料的粘結(jié)強(qiáng)度。他認(rèn)為其是材料中隨機(jī)分布的微裂隙所

致。

第四節(jié)影響巖石變形行為的因素

巖石的變形特征與下列因素有關(guān)：

1）應(yīng)力的大小及作用方式。

2）巖體的力學(xué)性質(zhì)及變形時(shí)的邊界條件。

巖體的力學(xué)性質(zhì)取決于：a、巖體的礦物組成；b、組成巖體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)；c、巖體的構(gòu)

造。

巖體變形時(shí)的邊界條件有：a、圍壓；b、溫度；c、孔隙水；d、作用時(shí)間。

一、巖石的各向異性對(duì)變形的影響

組成巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造是各不相同的，這些不同會(huì)造成巖體的強(qiáng)度不同o

在巖石中，層理和次生面理的發(fā)育，會(huì)造成巖石的各向異性。巖石各向異性最典型

的實(shí)例是：當(dāng)成層巖層受壓時(shí)可形成褶皺，而塊狀巖石受壓是則明顯不易形成褶皺而容

易產(chǎn)生斷層。在前面的剪裂角分析中，剪裂角0=45。呻/2,但在各向異性的巖石中，破

裂將會(huì)受到先存薄弱血的影響，剪裂面可能會(huì)偏離。的理論方向。甚至可能沿著層面等

軟弱而發(fā)生破裂。

二、圍壓對(duì)變形的影響

巖石處于地下深處變形時(shí)，承受著周?chē)鷰r體的圍壓。圍壓增大時(shí)的效應(yīng)一方面增大了巖

石的極限強(qiáng)度；另一方面增大了巖石的韌性。

三、溫度對(duì)變形的影響

眾所周知，地殼的溫度是隨深度增大而不斷增高的，溫度的增加對(duì)巖石變形的影響與圍

壓有相似之處，溫度的增加可提高巖石的韌性，但要降低巖石的屈服極限。

四、孔隙流體對(duì)巖石變形的影響

其主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1）當(dāng)巖石含水豐富時(shí)，可以降低巖石的強(qiáng)度。此外，孔隙流體的存在促使礦物質(zhì)的遷

移與重結(jié)晶。巖石的強(qiáng)度降低和重結(jié)晶均可促進(jìn)巖石的韌性變形。

2）孔隙流體壓力效應(yīng)：巖石中孔隙內(nèi)流體的壓力稱(chēng)之為孔隙壓力。在正常情況下，地

殼內(nèi)任?深度上孔隙水中的壓力相當(dāng)于這一深度到地表的水柱壓力，大約為靜水壓

力（圍壓）的40%。在地殼運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于快速沉積和構(gòu)造變動(dòng)等原因可導(dǎo)致沉積

物快速堆積而使得孔隙水不能及時(shí)排除,故而使得巖石中孔隙水增加而孔隙壓力增

大。在某些油田中測(cè)得，孔隙壓力達(dá)到了圍壓的80%,有的甚至高達(dá)100%?？紫?/p>

壓力（Pp）的增大抵消了圍壓（Pc）,使得導(dǎo)致巖石變形的有效圍壓（Pe）降低，即：

Pe=Pc-Ppo

因此，當(dāng)巖石中存在異?？紫秹毫r(shí)，圍壓將隨之而降低，故而使得巖石的強(qiáng)度降低和

使得巖石容易產(chǎn)生脆性破裂。強(qiáng)度的降低可使得巖石在較小的應(yīng)力作用下發(fā)生較大的變

形。

五、影響巖石變形的時(shí)間因素

應(yīng)力作用時(shí)間對(duì)巖石變形的影響主要有如下三個(gè)方面：

1、應(yīng)力作用速度對(duì)巖石變形的影響

快速施加應(yīng)力，不僅可增加巖石的變形速度，而且可以增加巖石的脆性變形；而緩

慢施加應(yīng)力則可減慢巖石的變形速度和增加巖石的韌性。

2、重復(fù)施加應(yīng)力對(duì)巖石變形的影響

用一個(gè)很小的力施加在一個(gè)物體上，當(dāng)所施加的力達(dá)到了該物體的疲勞極限時(shí)，則

物體將發(fā)生變形。

3、蠕變與松弛對(duì)巖石變形的影響

在應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，即使應(yīng)力在常溫常壓的短期試驗(yàn)的屈服極限之下，巖石也會(huì)發(fā)

生緩慢的永久變形，這種與時(shí)間相關(guān)的變形稱(chēng)之為蠕變。

松弛則是指當(dāng)應(yīng)變保持不變時(shí)，隨著時(shí)間的增加而應(yīng)力逐漸減小的現(xiàn)象。

許多實(shí)驗(yàn)表明，隨著時(shí)間的僧加，可使巖石表現(xiàn)出流變特征，蠕變與松弛可使巖石

的彈性強(qiáng)度降低。

第四章褶皺

褶皺是由巖層中各種面（層面、面理等）的彎曲而反映出來(lái)的變形，它是巖石中的塑

性變形。

第一節(jié)褶皺和褶皺要素

一、褶皺的基本類(lèi)型

>根據(jù)褶皺面的彎曲形態(tài)進(jìn)行劃分

根據(jù)褶皺面的彎曲形態(tài)，褶皺有兩種基本類(lèi)型：背形和向形。

背形：指兩側(cè)（翼）褶皺面相背傾斜的上凸彎曲。

向形：指兩側(cè)（翼）褶皺面相向傾斜的下凹彎曲。

褶皺面既不上凸又不下凹，而是凸向旁側(cè)的彎曲稱(chēng)之為中性褶皺。

>根據(jù)褶皺形態(tài)和組成褶皺的地層進(jìn)行劃分:可將褶皺劃分為兩種基本類(lèi)型——背斜

和向斜。

背斜：核部山老地層組成，兩翼由新地層組成，巖層凸向地層變新方向彎曲的褶皺為

背斜。

向斜：核部由新地層組成，兩翼山老地層組成，巖層凸向地層變老方向彎曲的褶皺為

向斜。

>褶皺的露頭特征

背斜：由中心（核部）向兩側(cè)（翼），組成褶皺的巖層從老到新對(duì)稱(chēng)重復(fù)。

向斜：由中心（核部）向兩側(cè)（翼），組成褶皺的巖層從新到老對(duì)稱(chēng)重復(fù)。

二、褶皺要素

核（部）：指褶皺中心部位的巖層。

翼（部）：指褶皺兩側(cè)比較平直的巖層。

拐點(diǎn)：相鄰背斜和向斜的共用翼的褶皺面常呈“S”形彎曲，褶皺面不同凸向的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱(chēng)之

為拐點(diǎn)。

翼間角：指正交（橫剖面或橫切面）剖面上兩翼間的夾角（見(jiàn)圖）。園弧形褶皺的翼間角是指

通過(guò)兩翼上兩個(gè)拐點(diǎn)間的切線(xiàn)之間的夾角。

轉(zhuǎn)折端：指褶皺由翼過(guò)渡到另一翼的那部分。

樞紐：指單一褶皺面上最大彎曲點(diǎn)的連線(xiàn)。

脊線(xiàn)和槽線(xiàn)：同-褶皺面上沿背斜最高點(diǎn)的連線(xiàn)為脊線(xiàn)；而沿向斜最低點(diǎn)的連線(xiàn)為槽線(xiàn)。

軸面：各相鄰褶皺面的樞紐連成的面稱(chēng)之為軸面。軸面是一種假想的標(biāo)志面，它可以是平

面，也可以是彎曲的面。

軸跡：軸面和地面或任何平面的交線(xiàn)為軸跡。

三、褶皺的波長(zhǎng)與波幅

描述一個(gè)褶皺的大小往往用褶皺的波長(zhǎng)和波幅來(lái)表示。在正交剖面上，連接各褶皺面的

拐點(diǎn)的連線(xiàn)稱(chēng)褶皺的中間線(xiàn)；褶皺的波長(zhǎng)（W）是指一個(gè)周期波的長(zhǎng)度，即等于兩個(gè)相間

拐點(diǎn)之間的距離；波幅（A）是指中間線(xiàn)與樞紐點(diǎn)之間的距離。

第二節(jié)褶皺的幾何形態(tài)及褶皺

一、褶皺的的描述形態(tài)

園柱狀褶皺

具有由一條直線(xiàn)平行自身移動(dòng)而成的彎曲面的褶皺稱(chēng)之為園柱狀褶皺。此類(lèi)褶皺的軸

線(xiàn)與樞紐線(xiàn)相互平行且為直線(xiàn)。

非園柱狀褶皺

除園柱狀以外的褶皺均為非園柱狀褶皺。

二、褶皺的形態(tài)描述

(-)剖面上的描述

>根據(jù)轉(zhuǎn)折端的形態(tài)進(jìn)行描述

褶皺轉(zhuǎn)折端的形態(tài)有園弧狀、尖棱狀、箱狀等、據(jù)此可將褶皺描述成如下幾種。

>根據(jù)翼間角的大小進(jìn)行描述

①、平緩褶皺：翼間角(a)為120°<a<180°?

②、開(kāi)闊褶皺：翼間角(a)為7(r<a<120。。

③、中常褶皺：翼間角(a)為30。<(1<70。。

④、緊密褶皺：翼間角(a)為5。<01<30。。

⑤、等斜褶皺：翼間角(a)為0。<(1<5。。

>根據(jù)褶皺軸面和兩翼巖層產(chǎn)狀來(lái)進(jìn)行描述

可將褶皺描述為以下幾種類(lèi)型。

①、直立褶皺：褶皺軸面近于直立，兩翼巖層傾向相反，傾角相近。

②、斜歪褶皺褶皺軸面傾斜，兩翼巖層傾向相反，傾角不等。

③、倒轉(zhuǎn)褶皺褶皺軸面斜歪，兩翼巖層傾向相同，一翼倒轉(zhuǎn)。

④、平臥褶皺褶皺軸面近于水平，兩翼巖層一翼正常，一翼倒轉(zhuǎn)。

⑤、翻卷褶皺為軸面彎曲的平臥褶皺。

>根據(jù)褶皺的對(duì)稱(chēng)性來(lái)進(jìn)行褶皺描述

可將褶皺描述成以下幾種。

①、時(shí)稱(chēng)褶皺：褶皺軸面與褶皺包絡(luò)面垂直，且兩翼地層的長(zhǎng)度和厚度基本相同。

②、不對(duì)稱(chēng)褶皺：褶皺軸面與褶皺包絡(luò)面斜交，兩翼地層的長(zhǎng)度和厚度不等。

在不對(duì)稱(chēng)褶皺中，往往于兩翼一些軟弱夾層內(nèi)發(fā)育一系列次級(jí)小褶皺(或稱(chēng)之為從

屬褶皺)。這些從屬褶皺常呈“S”、“Z”和“M”型。它們通常有明顯的分布規(guī)律。在橫

切褶皺的觀察面上，面向褶皺樞紐的傾伏方向，如背斜的左翼為長(zhǎng)翼(緩翼)，從屬

褶皺往往為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的“Z”字型，而短翼(陡翼)的從屬褶皺則多為“S”型；轉(zhuǎn)折端

為“M”型。反之，如背斜的右翼為長(zhǎng)翼(緩翼)，發(fā)育于其中的從屬褶皺為“S”型，而

短翼(陡翼)則多發(fā)育“Z”字型褶皺。

(二)褶皺的平面輪廓

根據(jù)褶皺中同一褶皺面在平面上出露的縱向長(zhǎng)度和橫向?qū)挾戎?，可將褶皺描述為如?/p>

幾種。

①、等軸褶皺：L：W句：1的褶皺為等軸褶皺，其中，等軸背斜稱(chēng)之為穹窿：而等軸

向斜則稱(chēng)為構(gòu)造盆地。

②、短軸褶皺：L：W=3：1的褶皺為短軸褶皺，該類(lèi)褶皺的樞紐向兩端傾伏。

③、線(xiàn)狀褶皺：L>>W的各類(lèi)褶皺稱(chēng)為線(xiàn)狀褶皺。

第三節(jié)褶皺的類(lèi)型及其組合型式

一、根據(jù)組成褶皺的各褶皺層的厚度變化進(jìn)行分類(lèi)

>平行褶皺

褶皺中各褶皺面作平行彎曲的褶皺。其特點(diǎn)有：①、同一褶皺層在褶皺的不同部位的厚

度是一致的，故又稱(chēng)為等厚褶皺；②、褶皺具有同一曲率中心，故又稱(chēng)為同心褶皺；③、

由褶皺中心向外，各褶皺面的曲率半徑逐漸增大，曲率則逐漸變小，巖層產(chǎn)狀即隨之變

緩，反之，自褶皺兩翼想核部，曲率不斷增大。

根據(jù)物質(zhì)平衡原理，?個(gè)褶皺層在彎曲過(guò)程中要保持厚度不變，褶皺面的兒何形態(tài)必然

要隨深度變化而改變曲率。順褶皺軸向下，褶皺面的彎曲將越來(lái)越緊密，甚至變?yōu)榧饫?/p>

褶皺；再則，由于要調(diào)整褶皺層的向心擠壓，在褶皺軸部會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的次級(jí)小褶皺和逆

沖斷層，再向下即消失于某些滑脫面上。順軸面向上則相反。

>相似褶皺

相似褶皺指的是組成褶皺的各褶皺血作相似彎曲的褶皺。在相似褶皺中，各褶皺面的曲

率相同，但無(wú)共同的曲率中心。褶皺的形態(tài)隨深度變化仍保持?致，但各褶皺層的厚度

發(fā)生了有規(guī)律的變化，即兩翼變薄而轉(zhuǎn)折端變厚。

二、根據(jù)組成褶皺各褶皺層面的幾何關(guān)系分類(lèi)

>協(xié)調(diào)褶皺

褶皺中各褶皺面彎曲的形態(tài)一致或作有規(guī)律的變化，其間沒(méi)有明顯的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象者稱(chēng)

之為協(xié)調(diào)褶皺。平行褶皺的相似褶皺都是協(xié)調(diào)褶皺。

>不協(xié)調(diào)褶皺

褶皺中各褶皺面彎曲的形態(tài)彼此有明顯不同，以至發(fā)生了突變者稱(chēng)之為不協(xié)調(diào)褶皺。

最典型的不協(xié)調(diào)褶皺是底辟構(gòu)造。

不協(xié)調(diào)褶皺的形成，是由于組成褶皺各層的巖性和厚度不同而導(dǎo)致其不同部位受力不

均等原因所致。

三、Rickard。971)的褶皺分類(lèi)

Rickard(1971)在總結(jié)了前人的褶皺分類(lèi)的基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)褶皺軸面產(chǎn)狀和樞紐產(chǎn)狀

的定量分類(lèi)，即根據(jù)褶皺的軸面傾角、樞紐的傾伏角和側(cè)伏角三個(gè)變量來(lái)進(jìn)行三角圖解,

近而進(jìn)行褶皺分類(lèi)。

Rickard褶皺位態(tài)分類(lèi)簡(jiǎn)表

類(lèi)型軸面傾角樞紐傾伏角

直立水平褶皺80°—90°0°—10°

直立傾伏褶皺80°—90°10°—80°

傾豎褶皺80°—90°80°—90°

斜歪水平褶皺10°—80°0°—10°

斜歪傾伏褶皺10°—80°10°—80°

斜臥褶皺10°—80°80。一90。(側(cè)伏角)

平臥褶皺0°—10°0°—10°

四、Ramsay(1967)的褶皺分類(lèi)

Ramsay(1967)根據(jù)褶皺面的相對(duì)曲率，提出了一套形態(tài)分類(lèi)，他將褶皺面的曲率變化用等

斜線(xiàn)來(lái)表示，所謂等斜線(xiàn)即為褶皺正交剖面上褶皺層的上下界面的相同傾斜點(diǎn)的連線(xiàn)。等

斜線(xiàn)的作法如下：

(1)、在褶皺正交剖面或照片上，用透明紙描出各褶皺層的跡線(xiàn)，并準(zhǔn)確地畫(huà)出褶皺的軸

跡。

(2)、以軸跡的垂線(xiàn)為基準(zhǔn)線(xiàn)，用三角板和量角器，按一定的角度間隔(如5。和10。)畫(huà)出兩

相鄰褶皺面的切線(xiàn)。

(3)、將相鄰褶皺面的等斜切點(diǎn)連接起來(lái)即為等斜線(xiàn)。

Ramsay根據(jù)一個(gè)褶皺的等斜線(xiàn)樣式將褶皺分為三個(gè)大類(lèi)：

第一類(lèi)：褶皺的等斜線(xiàn)向內(nèi)弧收斂，內(nèi)弧的曲率大于外弧曲率。根據(jù)厚度變化，又可將

I類(lèi)分為三個(gè)亞類(lèi)，即：

Ia、褶皺層厚度在樞紐部分比翼部要小，為頂薄褶皺。

Ib、褶皺層各部分的厚度一致，為平行褶皺、等厚褶皺。

Ic、樞紐處厚度變化比翼部略大，是平行褶皺（Ib）與相似褶皺（ID間的過(guò)渡類(lèi)型I。

第二類(lèi)：褶皺的等斜線(xiàn)相互平行，內(nèi)、外弧曲率相同，這類(lèi)褶皺的典型是相似褶皺。

第三類(lèi)：等斜線(xiàn)向外弧頂收斂，外弧曲率大于內(nèi)弧曲率。

五、同沉積褶皺與底辟構(gòu)造

同沉積褶皺：即在巖層沉積過(guò)程中逐漸變形而成的褶皺。這種褶皺具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

①、兩翼地層的傾角上陡下緩。②、褶皺一般較為開(kāi)闊。③、如使背斜，其頂部巖層會(huì)

變?。扇笔游唬騼梢韯t層厚逐漸加大。背斜的頂部為淺水的粗粒沉積物。④、如

是向斜，其中心部位巖層的厚度最大。向斜中心為深水細(xì)粒沉積物。

>底辟構(gòu)造和巖丘

底辟構(gòu)造是地下高韌性的物質(zhì)，如巖鹽、石膏、粘土、煤層等在構(gòu)造應(yīng)力作用下，

或因物質(zhì)的密度差引起的流動(dòng)過(guò)程中，向上流動(dòng)并擠入上覆巖層中而形成的一種構(gòu)

造，如巖漿侵入圍巖形成的巖漿底辟。

造成底辟作用的原因是由于地下高韌性物質(zhì)為核心的向上的擠入作用。因此，底辟

構(gòu)造由三部分組成：即底辟核；核上構(gòu)造和核下構(gòu)造三部分。底辟核為高韌性部分，

往往形成很復(fù)雜的褶皺；核上構(gòu)造一般是開(kāi)闊的短軸背斜或穹隆構(gòu)造，多被正斷層

所切割；核下構(gòu)造通常簡(jiǎn)單平緩。

如底辟核由巖鹽類(lèi)物質(zhì)組成，則稱(chēng)之為巖丘構(gòu)造。巖丘具有重要的工業(yè)價(jià)值，其內(nèi)

核本身就是鹽類(lèi)礦產(chǎn)，核部周?chē)约昂瞬颗c上覆巖層的接觸帶往往富含油氣等礦

產(chǎn)。

六、褶皺的組合形式

（一）、阿爾卑斯型褶皺（Alpinotypefolds）

1、阿爾卑斯型褶皺的特點(diǎn)

阿爾卑斯型褶皺又稱(chēng)全形褶皺和地槽型褶皺、線(xiàn)狀褶皺等，其特點(diǎn)是：

①、一系列線(xiàn)狀褶皺成帶分布；

②、所有褶皺的走向基本一致并與構(gòu)造帶的延伸方向?致；

③、在整個(gè)褶皺帶內(nèi)，背斜和向斜呈連續(xù)波狀，并且同等發(fā)育；

④、不同級(jí)別的褶皺往往組合成巨大的復(fù)背斜和復(fù)向斜。

（歐洲阿爾卑斯山脈西起法國(guó)西南部，經(jīng)瑞士和德國(guó)南部、意大利北部、東奧地利

維也納等地。山脈整體呈北西向弧形。山脈全長(zhǎng)1200公里，一般寬120—200公里,

最寬達(dá)300公里。平均海拔為3000米，主峰勃郎峰海拔為4807米）。

2、復(fù)背斜與復(fù)向斜

①、復(fù)背斜：是指背斜的兩翼被一系列次級(jí)褶皺復(fù)雜化了的大型背斜。

②、復(fù)向斜：是指向斜的兩翼被系列次級(jí)褶皺復(fù)雜化了的大型向斜。

③、復(fù)背斜與復(fù)向斜的特征：組成復(fù)背斜和復(fù)向斜的次級(jí)褶皺大多是比較緊密的，

自復(fù)背斜核部向兩翼，次級(jí)褶皺常由直立一斜歪一倒轉(zhuǎn)一平臥。即次級(jí)褶皺的

軸面往往呈有規(guī)律的排列，其往往構(gòu)成扇形和反扇形兩種。

3、阿爾卑斯型褶皺的分布

阿爾卑斯型褶皺主要分布于地槽區(qū)，其名稱(chēng)即來(lái)自阿爾卑斯褶皺帶。

（―）侏羅山式褶皺（Jura-typefolds）

侏羅山式褶皺又稱(chēng)過(guò)渡型褶皺和滑脫褶皺，是一類(lèi)由于地層內(nèi)的層間滑動(dòng)引起的與基底

無(wú)關(guān)的褶皺。其代表性構(gòu)造是隔檔式褶皺和隔槽式褶皺（侏羅山位于法國(guó)和瑞士邊界，

山脈呈北東一南西向，略呈弧形，山脈長(zhǎng)300公里，海拔高約1000米）。

1、隔檔式褶皺：又稱(chēng)梳狀褶皺，其是由一系列相互平行的背斜和向斜相間排列而成，

其中背斜緊閉而狹窄、發(fā)育完整、呈線(xiàn)狀延伸；而背斜間的向斜則平緩開(kāi)闊，四川

的川東即為這種類(lèi)型，歐洲的侏羅山和美國(guó)的阿巴拉契亞亦是隔檔式褶皺，侏羅山

式褶皺的由來(lái)即為歐洲的侏羅山。

2、隔槽式褶皺：與隔檔式褶皺相似，其也是由一系列相互平行的背斜和向斜相間排列

而成，其中向斜緊閉而狹窄、發(fā)育完整、呈線(xiàn)狀延伸；而向斜間的背斜則平緩開(kāi)闊。

貴州的黔南和黔北地區(qū)的褶皺即為這類(lèi)褶皺

3、隔檔式和隔槽式褶皺的特征

其共同的特征有兩個(gè)：其一是一個(gè)褶皺群的變形強(qiáng)度明顯不同，一類(lèi)緊密而另一類(lèi)開(kāi)

闊。另?個(gè)特征是根據(jù)歐洲侏羅山區(qū)和美國(guó)阿巴拉契亞等地區(qū)的地質(zhì)和地球物理

研究結(jié)果證明，在這些隔檔式褶皺和隔槽式褶皺之下普遍存在一個(gè)與基底脫開(kāi)了

的滑脫面，故又稱(chēng)其為滑脫褶皺和薄皮褶皺。

4、侏羅山式褶皺的分布

侏羅山式褶皺主要分布在前陸盆地內(nèi)，前陸盆地即具有陸殼性質(zhì)的盆地或弧后盆地

（弧后前陸盆地）。

（三）日爾曼式褶皺

日爾曼式褶皺又稱(chēng)斷續(xù)褶皺和自形褶皺及地臺(tái)型褶皺等。這類(lèi)褶皺主要發(fā)育于構(gòu)造變形

相對(duì)較為輕微的地臺(tái)地區(qū)，其特征是褶皺多呈孤立分布，以拉長(zhǎng)的卵圓形穹窿及拉長(zhǎng)的

短軸背斜為主。褶皺翼部的巖層傾角極緩，甚至近于水平，但規(guī)模可以很大。向斜和背

斜不等同發(fā)育，空間上的展布無(wú)一定方向性。如有成群出現(xiàn)者，其可呈有規(guī)律的定向排

歹人多呈唯行式（腰列式）。所謂履行式即為一系列呈平行斜列的短軸背斜和向斜，它可

以由不同規(guī)模和級(jí)別的背斜和向斜構(gòu)成，是褶皺構(gòu)造的一種常見(jiàn)的組合型式。

第四節(jié)褶皺的成因

根據(jù)引起褶皺的作用力方式，將褶皺的形成機(jī)制分為縱彎褶皺作用和橫彎褶皺作用

兩種。

縱彎褶皺作用是指引起巖層褶皺的作用力平行于巖層層面，作用力的作用方式為擠壓，

即巖層的彎曲是由于受擠壓而失穩(wěn)、進(jìn)而使巖層產(chǎn)生彎曲，力學(xué)上稱(chēng)之為屈曲。

橫彎褶皺作用指的是作用力垂直于巖層層面而使巖層發(fā)生彎曲的褶皺作用，在受力巖層

為水平狀態(tài)時(shí)，其作用力為垂向應(yīng)力。

一、縱彎褶皺作用

縱彎褶皺作用使巖層發(fā)生彎曲的方式有兩種，即彎滑作用和彎流作用。

1、彎滑作用（彎滑褶皺作用機(jī)制）

指一系列巖層通過(guò)層間滑動(dòng)而使其彎曲成褶皺的作用?其有如下特點(diǎn)：

①、被褶皺巖層各單層有自己的中和面，而整個(gè)褶皺沒(méi)有統(tǒng)一的中和面，各相鄰層間

保持平行關(guān)系，各層的真厚度在褶皺的各部位基本一致一平行褶皺。

②、褶皺作用引起的層間滑動(dòng)是有規(guī)律的，并在褶皺的不同部位有一系列伴生構(gòu)造發(fā)

育。a、在背斜中，各相鄰的上層相對(duì)向背斜轉(zhuǎn)折端滑動(dòng)，下層則相反；b、由于

順層的剪切滑動(dòng)作用，相對(duì)較強(qiáng)硬的巖層在翼部可形成旋轉(zhuǎn)節(jié)理、同心節(jié)理和層

間破碎帶等；c、由于順層滑動(dòng)，在層面上還可留下一系列與樞紐垂直的擦痕；d、

由于兩翼地層的層間滑動(dòng)，在轉(zhuǎn)折端容易形成虛脫空間。

③、當(dāng)兩能干巖層間夾有軟弱夾層時(shí)，在層間滑動(dòng)（順層剪切作用）過(guò)程中，軟弱層中

將形成層間次級(jí)小褶皺，在褶皺的不同部位，這些層間小褶皺分別為“S”型“Z”

字型和“M”型，并可以用這些從屬次級(jí)小褶皺的軸面與上下褶皺面間所夾銳角來(lái)

指示上下褶皺層的相對(duì)滑動(dòng)方向。

巖性差異與小構(gòu)造特點(diǎn)

巖石韌性很小時(shí)形成張裂。

巖石韌性中等時(shí)，形成剪裂

巖石韌性大時(shí)，形成劈理

2、彎流作用

在順層剪切滑動(dòng)過(guò)程中，在一些軟弱物性層內(nèi)，可以發(fā)生物質(zhì)流動(dòng)現(xiàn)象，這種褶皺層

內(nèi)的物質(zhì)流動(dòng)是受上下層面控制的，其具有以