構(gòu)造地質(zhì)學(xué)復(fù)習(xí)資料

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)

StructuralGeology

第一節(jié)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的內(nèi)涵、構(gòu)造尺度以及構(gòu)造變形場

1.構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的內(nèi)涵

地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科之一，

主要研究組成類地行星(地球、水星、火星、金星)及其衛(wèi)星的巖石、巖層以及巖

體在力的作用下形成的各種變形(deformation)的構(gòu)造樣式(structuralstyle),組合型式

(structuralgrouppatterns)和形成過程(process),以及作用力的方式(mechanism)和方向

(direction);

2.構(gòu)造尺度(tectonicscale):主要指構(gòu)造的規(guī)模

1)巨型構(gòu)造、大型構(gòu)造、中型構(gòu)造、小型構(gòu)造、微型構(gòu)造、超微構(gòu)造

2)顯微構(gòu)造學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、大地構(gòu)造學(xué)、板塊構(gòu)造學(xué)、全球構(gòu)造學(xué)等

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)一般以露頭-區(qū)域尺度上的中、小型構(gòu)造為主要研究對(duì)象

巨型構(gòu)造(megatectonics):山系和區(qū)域性地貌的構(gòu)造單元

大型構(gòu)造(macrostructure):區(qū)域構(gòu)造單元中的次級(jí)構(gòu)造單元如川東褶皺帶

中型構(gòu)造(mesos8picstructure):一個(gè)地段上的褶皺和斷層，在1:5萬或更大比例尺上可

見其全貌

小型構(gòu)造(minorstructure):出落于露頭和手標(biāo)本上的構(gòu)造

微型構(gòu)造(microstructure):偏光顯微鏡下顯示的構(gòu)造

超微構(gòu)造(ultrastructure):電子顯微鏡下顯示的構(gòu)造

3.構(gòu)造變形場(tectonicdeformationfield):某一主導(dǎo)構(gòu)造應(yīng)力作用形成的形變及其在空

間上的分布。

1)伸展構(gòu)造(extensionaltectonics):水平拉伸形成的構(gòu)造。如裂谷、地塹-地壘、盆嶺

構(gòu)造、變質(zhì)核雜巖等。

2)壓縮構(gòu)造(smpressionaltectonics):水平擠壓形成的構(gòu)造。如褶皺、逆沖推覆構(gòu)造等。

3)走滑構(gòu)造(strike_sliptectonics):沿直立剪切面水平滑動(dòng)、位移形成的構(gòu)造。如走滑斷層。

4)升降構(gòu)造(liftingtectonics):巖石圈成地幔物質(zhì)垂向運(yùn)動(dòng)的體現(xiàn)，表現(xiàn)為地殼上升和下降，

隆起造山、高原；坳陷盆地。

5)滑動(dòng)構(gòu)造(slidingstructure):重力失穩(wěn)后引起的正向滑動(dòng)構(gòu)造，也包括某些大型平緩正

斷層。

6)旋轉(zhuǎn)構(gòu)造(rotatingtectonics):指陸塊繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)形成的構(gòu)造。如第狀構(gòu)造、蓮花狀構(gòu)造等。

第二節(jié)地殼巖石圈的層圈結(jié)構(gòu)與構(gòu)造層次

1.地殼-巖石圈的層圈式結(jié)構(gòu)垂向成層，側(cè)向不均一

2)構(gòu)造層次(tectoniclevel):溫壓升高引起巖石力學(xué)性質(zhì)變化

1)表構(gòu)造層：

剪切作用和塊斷作用

2)淺構(gòu)造層：

縱彎褶皺作用

3)中構(gòu)造層：

相似褶皺作用和壓扁作用

4)深構(gòu)造層：

流變作用和深融作用

第三節(jié)構(gòu)造觀

1.構(gòu)造觀（tectonicoverlook）:對(duì)全球構(gòu)造和巖石圈構(gòu)造的總體結(jié)構(gòu)、形成和演化、鑄成

構(gòu)造的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和動(dòng)力源的基本認(rèn)識(shí)和觀點(diǎn)

2.基本觀點(diǎn)：

1）以水平運(yùn)動(dòng)為主的巖石圈構(gòu)造是高度活動(dòng)的；

2）構(gòu)造演化是不可逆的滲入突變的階段式發(fā)展；

3）構(gòu)造動(dòng)力主要來自地球深部活動(dòng)和地球旋轉(zhuǎn)；

4）巖石圈的圈層式、不均一結(jié)構(gòu)；

5）擠壓、伸展和剪切作用分別或共同鑄造了

地殼巖石圈中的各類構(gòu)造；

第四節(jié)構(gòu)造解析的基本原則

構(gòu)造解析（structuralanalysis）是由馬杏垣于1983年提出，是一種研究變形的正確構(gòu)造觀和

方法論。

1.解析：把整體分解為部分，把復(fù)雜的事物分解為簡單的要素加以研究的方法。

“拆零”與“組裝”建立科學(xué)的思維方式

2.思維方式：

研究個(gè)體形跡T找出內(nèi)在聯(lián)系T組裝（構(gòu)造體系）主要內(nèi)容：幾何學(xué)-運(yùn)動(dòng)學(xué)-動(dòng)力學(xué)解

析。

1）幾何學(xué)學(xué)解析（geometryanalysis）:

認(rèn)識(shí)和測(cè)量各類各級(jí)構(gòu)造的形態(tài)、產(chǎn)狀、方位、大小、構(gòu)造內(nèi)部各要素之間及該構(gòu)造

與相關(guān)構(gòu)造的幾何關(guān)系，從而建立一個(gè)完整的具有幾何規(guī)律的構(gòu)造系或型式。

幾何學(xué)分析提供的資料和數(shù)據(jù)是運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。

2)運(yùn)動(dòng)學(xué)解析(kinematicanalysis):

目的在于再現(xiàn)巖石形成至變形期間所經(jīng)歷的過程和所發(fā)生的運(yùn)動(dòng)，主要是通過巖石

或巖層中的原生構(gòu)造尤其是次生構(gòu)造的分析揭示其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，揭示改變巖層和巖體的位置、

方位、大小和形態(tài)的平移、轉(zhuǎn)動(dòng)、形變和體變的組合情況；

3)動(dòng)力學(xué)解析(geodynamicanalysis):

闡明產(chǎn)生構(gòu)造的力、應(yīng)力和力學(xué)過程其目的是查明引起變形的應(yīng)力性質(zhì)、大小和方位。

3.構(gòu)造解析的基本原則

1)構(gòu)造基本變形：平移、轉(zhuǎn)動(dòng)、形變和體變

2)構(gòu)造尺度：巨-大-中-小-微-超微型構(gòu)造

3)構(gòu)造層次：表-淺-中-深構(gòu)造層次

4)構(gòu)造組合(tectonicassociation):具有內(nèi)部組合和秩序的許多密切相聯(lián)系的構(gòu)造要素的集

合體。包括不同構(gòu)造變形場中不同層次、尺度和序列的各種構(gòu)造單元、構(gòu)造要素和構(gòu)造單元

體的組合，也包括構(gòu)造-沉積、構(gòu)造-巖漿和變質(zhì)的組合。

5)構(gòu)造疊加(tectonicsuperpos讓ion):是指已變形的構(gòu)造又再次變形而產(chǎn)生的復(fù)合現(xiàn)象。

6)構(gòu)造置換(transpositionofstructures):巖石的一種構(gòu)造經(jīng)過遞進(jìn)變形過程而為另一種構(gòu)

造所代替的現(xiàn)象。

7)構(gòu)造繼承(tectonicinheritance):如果前期構(gòu)造控制或影響了后期構(gòu)造的形成或發(fā)展，

后期構(gòu)造保留了前期構(gòu)造的某些主要特點(diǎn)。

8)構(gòu)造新生(tectonicreborn):包含兩重含義:(1)后期構(gòu)造不受前期構(gòu)造的影響或制約，

形成一套在方位、幾何形態(tài)、類型和樣式上完全不同的構(gòu)造；(2)后期構(gòu)造改造并使前期

構(gòu)造的一部分或全部卷入到后期構(gòu)造之中，形成一套完全服從后期變形的全新構(gòu)造。

9)構(gòu)造世代(generationofstructure):不同旋回或不同構(gòu)造幕中形成的構(gòu)造。

10)構(gòu)造序列(structuralsequences):不同時(shí)期的構(gòu)造按其成生順序構(gòu)成一個(gè)完整的系列。

11)巖性介質(zhì)(lithologymediums):巖石的礦物組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造

12)構(gòu)造位移指向性(kinematicindicator):構(gòu)造變形的運(yùn)動(dòng)學(xué)方向

13)構(gòu)造復(fù)原(tectonicrestoration):恢復(fù)構(gòu)造變形前的原始面貌。

14)平衡剖面(Balancedcrosssection):是指可以將剖面變形構(gòu)造通過幾何原則全部復(fù)原

的剖面。

?4.構(gòu)造解析的特點(diǎn)

?構(gòu)造解析方法的反序性研究特點(diǎn)決定了地質(zhì)問題的多解性。

?地質(zhì)模型是用于描述和解釋地質(zhì)過程的一種簡化的工具，模型與觀察到的地質(zhì)證據(jù)

之間的一致性是必要的，但對(duì)于地質(zhì)證據(jù)而言，模型往往并非是唯一的。

第五節(jié)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的發(fā)展態(tài)勢(shì)

1.定性描述一

定■計(jì)算

2.物理模擬一計(jì)算機(jī)模擬

3.二維構(gòu)造-三維構(gòu)造-四維構(gòu)造

4.地殼表層f地球深部

5.區(qū)域構(gòu)造一天體構(gòu)造

第二章地質(zhì)體的基本產(chǎn)狀及沉積巖層構(gòu)造

“V”字形法則及其應(yīng)用

不整合的形成過程及意義

沉積巖層層序的識(shí)別

軟沉積變形

第一節(jié)面狀構(gòu)造和線狀構(gòu)造的產(chǎn)狀

1.產(chǎn)狀(attitude):面狀構(gòu)造或線狀構(gòu)造的方位

和空間狀態(tài)。

?1)面狀構(gòu)造的產(chǎn)狀要素

面狀構(gòu)造(foliation)的產(chǎn)狀是以平面在空間的延伸方位和傾斜程度來表示。其產(chǎn)狀要素包

括走向(strike),傾向(dip),傾角(angleofdip)。

當(dāng)剖面的方向與巖層的走向不垂直時(shí)，我們觀測(cè)到的巖層傾角稱之為巖層的視傾角

(apparentdip)o

?2)線狀構(gòu)造的產(chǎn)狀要素

線狀構(gòu)造(lineation):由地質(zhì)作用形成的具有線狀性質(zhì)的構(gòu)造。例如巖漿巖中的流線構(gòu)造、

斷層面上的擦痕構(gòu)造、韌性剪切帶中的礦物拉伸線理等。

線狀構(gòu)造的產(chǎn)狀用傾伏向、傾伏角或側(cè)伏向、側(cè)伏角來表示其要素。

3)產(chǎn)狀的表示

面狀構(gòu)造的產(chǎn)狀一般用傾向、傾角表示，或者用走向、傾角以及傾向方位表示。

線狀構(gòu)造的產(chǎn)狀一般用傾伏向、傾伏角表示，如用側(cè)伏向、側(cè)伏角表示時(shí)，需要予以明確說

明，同時(shí)需要明確相關(guān)面的產(chǎn)狀和線理的運(yùn)動(dòng)方向。

第二節(jié)沉積巖層的原生構(gòu)造

1.層理及其識(shí)別

1)層理(bedding):沉積巖的最基本的原生構(gòu)造(primarystructure)

構(gòu)造變形的最基本參考面

面狀構(gòu)造

原始水平

示頂構(gòu)造

沉積巖的層理一般可以通過巖石的成分、結(jié)構(gòu)、色調(diào)以及層面原生構(gòu)造等進(jìn)行辨別。

1)成分變化

同一巖層的巖性基本一致，因此巖層之間物質(zhì)組成的差異是識(shí)別原生層理最常見的特征

標(biāo)志之一。

2)顏色變化

在成分均一、顆粒細(xì)小，總體不顯層理的巖層中，往往會(huì)有不同的顏色層，這些色帶往

往可以指示層理。

3)結(jié)構(gòu)變化

對(duì)于較厚的沉積巖，可以通過其中碎屑顆粒的粒度變化，形狀的變化來識(shí)別地層的層理。

4)層面原生構(gòu)造

常見層面構(gòu)造有波痕(ripplemarks),雨痕(raindrops)、泥裂(mudcracks)、槽模(flute

casts)等暴露標(biāo)志。

2.原生沉積構(gòu)造(primarysedimentarystructure)

1)面向(stratigraphicfacing/youngingdirection):

巖層頂面法線所指的方向，即巖層由老到新的方向

巖層從下到上，由老到新——正常層序，面向指向上

巖層從下到上，由新到老——倒轉(zhuǎn)層序，面向指向下

2)層序(sequence)是地層由老到新排列的順序。

利用各種原生沉積構(gòu)造鑒定巖層的面向。

(1)交錯(cuò)層理(crossbedding)

由斜交的紋層組成，紋層與底面小角度相交，與上頂面大角度破切。

(2)遞變層理(gradedbedding)

每一層的底部為粗碎屑，向上逐漸變細(xì)其頂面與上一層底面是突變的并有明顯的界面。

(3)波痕(ripplemarks):震蕩式浪成波痕尖脊指向頂面，圓弧指向底面

(4)層面暴露標(biāo)志

泥裂(mudcracks):張開的裂口指示頂面。

雨痕(raindrops):有凹坑的面為頂面。

(5)生物標(biāo)志(animaltracks)

疊層石：紋層凸出的方向指示頂面

生物介殼化石：凸面指示巖層頂面

(6)底面印膜(solemarks)有印膜的面為底面。

(7)沖刷構(gòu)造(scourstructure/channel-and-fillstructure)

第三節(jié)軟沉積變形

1.軟沉積變形(softsedimentarydeformation):

指沉積物尚沒有固結(jié)成巖時(shí)發(fā)生的變形。

1)負(fù)荷引起的軟沉積變形

(1)火焰狀構(gòu)造(flamestructures)

(2)球狀和枕狀構(gòu)造(ballandpillowstructures)

2)滑塌和滑移作用

一般發(fā)育在陸上尤其是水下隆起的斜坡上速度(快VS慢)

3)孔隙壓力作用(porepressure)

(1)砂巖墻(clasticdyke):碎屑巖墻的一種，是穿插灌入于沉積巖等巖石中的板狀和脈狀砂

巖體；

(2)碟狀構(gòu)造(dishstructure):邊緣上翹呈碟狀，橫向上呈斷續(xù)分布，垂向上互相疊置，

一般直徑為1~50cm.

(3)砂火山(sandvolcanoes)

4)軟沉積構(gòu)造特點(diǎn)：

(1)常局限在一定層位內(nèi)；

(2)常局限在沉積盆地一定范圍，如盆地邊緣、大陸隆起邊緣等；

(3)主要由重力作用引起，一般不顯示構(gòu)造應(yīng)力造成的定向性構(gòu)造。

第四節(jié)沉積巖層在地質(zhì)圖上的表現(xiàn)

1.沉積巖層的產(chǎn)狀類型：

巖層：具有一定巖性內(nèi)容的層狀地質(zhì)體

根據(jù)巖層傾角a的大小，可相對(duì)劃分為三種類型：

水平巖層(horizntalstratum):a<5°

傾斜巖層(inclinedstratum):50<a<85°

直立巖層(verticalstratum):a>850

1)水平巖層

未經(jīng)變動(dòng)的仍保持成巖后原始狀態(tài)的沉積巖層。

水平巖層的基本特點(diǎn)：

1）上新下老，當(dāng)水平巖層未發(fā)生倒轉(zhuǎn)時(shí)，老的巖層在下、新的在上，在地形圖上老的巖層

出露于海拔較低處，新的巖層在較高處。

2）水平巖層的出露形態(tài)受地形的控制，界線與等高線平行或重合并隨等高線的鸞曲而彎曲。

其形態(tài)與等高線相似。

3）水平巖層的厚度就是該巖層的頂?shù)讟?biāo)高之差。

4）水平巖層的出露寬度與地形坡度有關(guān)，坡度越大出II寬度越小，反之相反。

2）直立巖層

在直立巖層分布區(qū)，巖層的界線不受地形的影響，在地質(zhì)圖上為一直線。

3）傾斜巖層

（1）傾斜巖層的基本特點(diǎn)

傾斜巖層在地表的出露界線稱為地質(zhì)界線，其展布具有一定的規(guī)律。在山谷或山脊地帶，傾

斜巖層的地質(zhì)界線呈V字形彎曲，這種規(guī)律稱為V字形法則。

正交，V對(duì)稱；

斜交，V不對(duì)稱；

平行，V不適用；

地質(zhì)界線彎曲與地形坡向存在如下三種基本關(guān)系：

相反相同；相同相反；相同相同

相反相同：當(dāng)巖層的傾向與坡向相反時(shí)，巖層界線與等高線的彎曲方向相同，但是等高線更

鸞曲

相同相反：當(dāng)巖層的傾向與坡向相同時(shí)，同時(shí)巖層的傾角大于坡角，巖層的奧線與等高線的

彎曲方向相反。

相同相同：當(dāng)巖層的傾向與坡向相同時(shí)，同時(shí)巖層的傾角小于坡角，巖層的界線與等高線的

彎曲方向相同。但是巖層的界線更曲。

(2)傾斜巖層的厚度和出客寬度

傾斜巖層的厚度

巖層的真厚度一巖層頂?shù)酌嬷g的垂直距離

巖層的鉛直地層厚度一巖層頂?shù)籽劂U直方向上的距離

傾斜巖層的真厚度小于或等于巖層的鉛直地層厚度

巖層的視厚度一當(dāng)剖面不垂直巖層走向時(shí)，巖層頂?shù)椎木嚯x為巖層的視厚度。

真厚度(h)=鉛直厚度(H)xCOSa(a為巖層真傾角)

視厚度(卜)=鉛直厚度(H)xCOSB(p為該剖面方向上的巖層視傾角)

巖層的出露寬度是指在垂直巖層走向的方向上巖層頂?shù)捉缇€在水平面上的投影距離。

巖層的出露寬度與巖層的厚度、傾向、傾角、坡角、坡向及巖層傾角與坡角的差值有關(guān)。

第五節(jié)地層接觸關(guān)系

1.地層與地層的接觸關(guān)系

1)地層(stratum)——是指具有一定層位或時(shí)代含義的一層或一組巖層，也就是說，當(dāng)巖層具

有了時(shí)代含義后，巖層就成了地層。

2)地層的接觸關(guān)系——是指上下兩套地層在時(shí)間上的發(fā)展?fàn)顟B(tài)與空間上的接觸類型。可分

為整合與不整合接觸兩種。

(1)整合接觸(snformable8ntact)

上下兩套地層的地層層序上連續(xù)，巖性及所含化石一致或遞變。上下兩套地層的產(chǎn)狀基本一

致或平行。整合接觸代表了沉積環(huán)境連續(xù)變化，以沉積為主，無間斷的過程。

⑵不整合接觸(conformablecontact)

不整合接觸的基本特征為不整合面上、下兩套地層的時(shí)代不連續(xù)，化石突變，缺失(缺——

無沉積，失一有沉積，但被侵蝕掉)某一時(shí)代的地層及化石，不整合面下的老地層變質(zhì)程

度、巖漿活動(dòng)一般較高，頂部常殘留古風(fēng)化殼，不整合面下新地層底部常有底礫巖，代表了

海進(jìn)序列的開始。

不整合可以分為兩種類型一

平行不整合(disconformity)

角度不整合(angularconformity)

平行不整合：上下兩套地層的地層層序不連續(xù)，缺失某一時(shí)代的地層，巖性及所含化石不一

致或突變。上下兩套地層的產(chǎn)狀基本一致或平行。不整合面與新老地層層面平行

角度不整合：上下兩套地層的地層層序不連續(xù)，缺失某一時(shí)代地層，巖性及所含化石不一致

或突變。上下兩套地層的產(chǎn)狀不一致。不整合面與上覆新地層平行與下伏老地層斜切。

(3)不整合的形成過程

地殼下降接受沉積階段

地殼抬升成陸，遭受風(fēng)化剝蝕階段

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)？(平行和角度不整合的區(qū)別)地殼重新下降接受沉積階段

(4)研究不整合的意義

不整合是重要的地殼運(yùn)動(dòng)標(biāo)志，又是劃分構(gòu)造層的分界面。

不整合面是劃分巖石地層單位的依據(jù)之一，因不整合面不是等時(shí)面，故不能作為年代地層單

位劃分的依據(jù)。

對(duì)不整合面在空間上的分布和類型變化研究，可了解地殼運(yùn)動(dòng)的不均勻性。

不整合面是構(gòu)造上的薄弱面，巖漿及含礦熱液易進(jìn)入而形成內(nèi)生礦床，同時(shí)古風(fēng)化殼中常有

鐵、鏈、磷、鋁等富集而成為外生礦床。

(5)確定不整合存在的主要標(biāo)志

地層古生物標(biāo)志一上下兩套地層中所含古生物化石突變。

沉積標(biāo)志一上下兩套地層巖性突變及古風(fēng)化殼、底礫巖的存在等。

構(gòu)造標(biāo)志一不整合面上下兩套地層，通常老地層所經(jīng)歷的構(gòu)造變形較新地層要高,其褶皺、

斷裂更發(fā)育，斷裂面終止于不整合面。兩套地層的產(chǎn)狀不一致(角度不整合b

巖漿活動(dòng)與變質(zhì)作用標(biāo)志一不整合面下老地層所遭受的巖漿活動(dòng)與變質(zhì)作用較新地層要強(qiáng)。

(6)不整合的空間分布與類型變化

一次大的地殼升降運(yùn)動(dòng)所形成的不整合面，在區(qū)域上具有一定的變化規(guī)律。在地殼升降運(yùn)動(dòng)

最強(qiáng)烈地區(qū)形成角度不整合、較強(qiáng)地區(qū)形成平行不整合、不強(qiáng)烈地區(qū)形成整合接觸。

(7)不整合形成時(shí)代的確定

不整合形成的時(shí)代通常是不整合面下最新地層之后與不整合面上最老地層前。

2.地層與巖體的接觸關(guān)系

地層與巖體的接觸關(guān)系——是指地層與巖體在時(shí)間上的發(fā)展?fàn)顟B(tài)與空間上的接觸類型。

可分為侵入接觸與沉積接觸兩種。

1)侵入接觸(intrusivecontact):巖漿巖侵入到圍巖之中，巖體與圍巖的接觸關(guān)系為侵入接

觸關(guān)系。

侵入接觸關(guān)系的特征：

(1)巖體穿切圍巖，沿內(nèi)接觸帶可見冷凝邊(結(jié)晶快粒度細(xì)形成隱晶質(zhì)或玻璃質(zhì)),外接觸

帶有烘烤邊(巖石受熱變質(zhì)，顏色變淺)和接觸變質(zhì)帶、接觸交代變質(zhì)作用和礦化蝕變現(xiàn)象；

(2)巖體內(nèi)往往有捕虜體；

(3)與侵入巖有關(guān)的巖墻、巖脈插入到圍巖中。

2)沉積接觸關(guān)系(unsnformablecontact):巖體形成后經(jīng)過地殼運(yùn)動(dòng)露出地表，再經(jīng)風(fēng)化

剝蝕作用后，又被新的沉積物所覆蓋，這種接觸關(guān)系為沉積接觸關(guān)系。

沉積接觸關(guān)系的特征：

1)巖體與上覆圍巖的接觸帶沒有冷凝邊、烘烤邊和接觸變質(zhì)帶或礦化蝕變現(xiàn)象；

2)巖體內(nèi)定向排列的原生構(gòu)造或巖脈、礦脈被截切；

3)在巖體頂部有風(fēng)化剝蝕面和古風(fēng)化殼，同時(shí)在上覆巖層的底部含有巖體成分的碎屑和礫

石。

3.斷層接觸(faultcontact)屬構(gòu)造接觸關(guān)系，指區(qū)域上不同時(shí)代和不同性質(zhì)的地

質(zhì)體以斷層相互接觸

第三章構(gòu)造研究中的應(yīng)力分析基礎(chǔ)

主應(yīng)力

應(yīng)力場

第一節(jié)應(yīng)力

1.面力和體力

1)面力(surfaceforces):通過接觸作用于物體表面一定面積上的力；如果面積很小，可稱之

為集中力；

2)體力(bodyforces):不通過接觸而直接作用于物體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的力，如重力。

2.外力和內(nèi)力

外力(ExternalForces):研究對(duì)象受外部對(duì)象的作用力

內(nèi)力(InternalForces):研究對(duì)象內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)之間的相互

作用力

外力與內(nèi)力具有相對(duì)性

3.截面上的應(yīng)力、正應(yīng)力以及剪應(yīng)力

1)應(yīng)力p(stress):連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中的基本概念。

由外力引起內(nèi)力變化?在單位面積上的集度或

單位面積上的附加內(nèi)力。

2)截面上的應(yīng)力p可以分解為

平行截面的剪應(yīng)力r(shearstress)與

垂直截面的正應(yīng)力er(normalstress)

應(yīng)力單位：帕斯卡(Pa)Mpabar

?3)應(yīng)力符號(hào)規(guī)則

彈性力學(xué)：參照截面的法線與截面法線方向一致為正，

方向反之為負(fù)

材料力學(xué):正應(yīng)力以拉為正，剪應(yīng)力以逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正

構(gòu)造地質(zhì)學(xué):正應(yīng)力以壓為正，剪應(yīng)力以逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正

4.一點(diǎn)的應(yīng)力

1）應(yīng)力橢圓和應(yīng)力橢球

應(yīng)力矢量始終與所在截面相關(guān)，過一個(gè)點(diǎn)的所有截面上的應(yīng)力狀態(tài)稱為一個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力。

應(yīng)力橢圓（stressellipse）:在二維狀態(tài)下，一個(gè)點(diǎn)所有截面上的應(yīng)力矢■之矢端或矢尾的軌

跡構(gòu)成一個(gè)橢圓

應(yīng)力橢球（stressellipsoid）:在三維狀態(tài)下，一點(diǎn)的應(yīng)力矢■之矢端或矢尾的軌跡構(gòu)成一個(gè)

橢球

2）應(yīng)力分黃

一個(gè)點(diǎn)的三個(gè)正交截面上應(yīng)力對(duì)應(yīng)6個(gè)獨(dú)立分?

主應(yīng)力（PrincipalStress）:當(dāng)單元體表面上的剪應(yīng)力

分■為0時(shí)，即三個(gè)正交截面上沒有剪應(yīng)力的作用

而只有正應(yīng)力的作用。

以6、02,03來表示，且6>02>O3o

主應(yīng)力方向稱為主方向主應(yīng)力軸的方向）對(duì)應(yīng)的毒面稱為主平面

?4）常見的應(yīng)力狀態(tài)

3個(gè)主應(yīng)力有兩個(gè)為。時(shí)：（5>02=03=0,單軸壓縮；5=b2=0>O3單軸拉伸），稱為單

軸應(yīng)力（Uniaxialstres0

當(dāng)有1個(gè)為0時(shí)，稱為雙軸應(yīng)力或平面應(yīng)力；（5>。2>。3=0,雙軸壓縮；O1>02=0

>G3,平面應(yīng)力狀態(tài))(Biaxialstres^]

均非0時(shí)為三軸應(yīng)力(TriaxialStress)

?5)應(yīng)力莫爾圓

應(yīng)力莫爾圓(MohrCircle)完整地表示了一點(diǎn)任意截面上正應(yīng)力與剪應(yīng)力分■的應(yīng)力狀態(tài)。

應(yīng)力莫爾圓上任意一點(diǎn)橫坐標(biāo)代表正應(yīng)力，縱坐標(biāo)代表剪應(yīng)力。

莫爾圓的基本性質(zhì)

應(yīng)力圓代表了一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。過這一點(diǎn)的任意截面上的應(yīng)力分量由應(yīng)力圓上一個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)代

表，在物理空間，截面逆時(shí)針轉(zhuǎn)e角，應(yīng)力圓上按同一方向轉(zhuǎn)2d

兩個(gè)互相垂直截面上的應(yīng)力分量對(duì)應(yīng)于應(yīng)力圓直徑

的兩個(gè)端點(diǎn)：兩個(gè)互相垂直截面上的剪應(yīng)力總是

大小相等，符號(hào)相反，這就剪應(yīng)力互等定理。

兩互相垂直截面上的正應(yīng)力之和等于常數(shù)

應(yīng)力莫爾圓上任意一點(diǎn)橫坐標(biāo)代表正應(yīng)力，

縱坐標(biāo)代表剪應(yīng)力。

莫爾圓的基本性質(zhì)

相差180。的兩個(gè)截面上的應(yīng)力，對(duì)應(yīng)于應(yīng)力同一個(gè)點(diǎn)，應(yīng)力分量完全相同。

最大剪應(yīng)力就是應(yīng)力圓的半徑，它與主應(yīng)力成45。角，并等于（o1—a2）/2。

最大和最小正應(yīng)力一主應(yīng)力。應(yīng)力圓與橫坐標(biāo)軸兩個(gè)交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的截面上的剪應(yīng)力為0,

這個(gè)特殊截面上的正應(yīng)力稱為主應(yīng)力，它們的方向稱為主應(yīng)力方向或主方向。

典型三維應(yīng)力狀態(tài)的莫爾圓

Tt

-O-O

A

?O「oo

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

5,靜水應(yīng)力和偏斜應(yīng)力

1）靜水應(yīng)力（Hydrostaticstress）:在平面應(yīng)力狀態(tài)下，表現(xiàn)為各向等值拉應(yīng)力或等值壓應(yīng)

力狀態(tài)

bm=1/2(6+02),

2）偏斜應(yīng)力（Deviatoricstress）:在平面應(yīng)力狀態(tài)下，表現(xiàn)為各向不等值的拉、壓應(yīng)力狀

態(tài)

6-Gm、02Pm（壓力差）

靜水應(yīng)力引起物體的體積變化

偏斜應(yīng)力引起物體的形狀變化

第二節(jié)應(yīng)力場

1.應(yīng)力場（Stressfield）

應(yīng)力場：點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)所占據(jù)物體內(nèi)所有的空間。

構(gòu)造應(yīng)力場：由構(gòu)造作用形成的應(yīng)力場，又稱地應(yīng)力場。

定常應(yīng)力場：不隨時(shí)間變化的應(yīng)力場。

非定常應(yīng)力場：隨時(shí)間而變化的應(yīng)力場。

古應(yīng)力場：在地史時(shí)期作用的應(yīng)力場。

現(xiàn)今應(yīng)力場：現(xiàn)今作用的應(yīng)力場。

2.應(yīng)力場的圖示

主應(yīng)力軌跡線（方向）;主應(yīng)力等值線（強(qiáng)度）；

最大剪應(yīng)力跡線（方向）;最大剪應(yīng)力等值線（強(qiáng)度）；

擠壓應(yīng)力場

。25MPa

剪應(yīng)力分布；主應(yīng)力跡線；最大剪應(yīng)力跡線

3.應(yīng)力場的擾動(dòng)

1)應(yīng)力場的擾動(dòng)：地塊內(nèi)部不均勻和不連續(xù)性造成應(yīng)力場的局部變化。

包括應(yīng)力跡線偏移和應(yīng)力值的局部集中或變異現(xiàn)象

(1)圓孔附近的應(yīng)力場擾動(dòng)

(2)斷裂尖端的應(yīng)力場擾動(dòng)

(3)能干層褶皺引起的應(yīng)力場擾動(dòng)

(2)斷裂尖端的應(yīng)力場擾動(dòng)

最大剪應(yīng)力跡線

(3)能干層褶皺引起的應(yīng)力場擾動(dòng)

第四章變形巖石應(yīng)變分析基礎(chǔ)

應(yīng)變

應(yīng)變橢球

旋轉(zhuǎn)變形、非旋轉(zhuǎn)變形

簡單剪切、純剪切

第一節(jié)變形和位移

1.變形(deformation):當(dāng)?shù)刭|(zhì)體受到應(yīng)力作用后，其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生了位移，使地質(zhì)體的初

始形狀、方位或位置發(fā)生改變

變形的基本方式：

1)平移(translation)

2)轉(zhuǎn)動(dòng)(rotation)

3)形變(shapechange)

4）體變（volumechange）

2.位移（displacement）

1）位移可以分解為整體位移和相對(duì)位移兩部分，前者由整體平動(dòng)和整體轉(zhuǎn)動(dòng)組成，后者則由

相對(duì)平動(dòng)和相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)組成。

2）整體位移只引起物體整體位置的變化，不改變其形狀和大小。

3）相對(duì)位移引起物體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位置的變化，改變物體的形狀和大小。

平移和轉(zhuǎn)動(dòng)屬于整體位移；形變和體變屬于相對(duì)位移

第二節(jié)應(yīng)變

1.應(yīng)變（Strain）：物體質(zhì)點(diǎn)間相對(duì)位移的程度，用于描述物體變形程度（線應(yīng)變、剪應(yīng)變）

1）線應(yīng)變（stretchstrain）變形前后單位長度的

改變量

伸長度（elongation）e、長度比S、平方長度比九

?2）剪應(yīng)變

相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的方向變化，用剪應(yīng)變來描述。

剪應(yīng)變（ShearStrain）:變形前兩互相垂直直線的夾角改變■的正切值。

第三節(jié)均勻變形與非均勻變形

1.均勻變形（homogeneousstrain）:物體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)應(yīng)變特征相同

任一小單元體變形與整體變形狀態(tài)一致（均勻應(yīng)變）

均勻變形的特征：

1）直線仍然為直線；

2）平行線仍然為平行線;

3)在平面變形中，圓形變?yōu)闄E圓；

在三維變形中，圓球變?yōu)闄E球

2.非均勻變形(homogeneousstrain):物體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)變特征不同

3.連續(xù)變形：應(yīng)變變化在空間上連續(xù)變化，漸變！

4.不連續(xù)變形：應(yīng)變變化在空間上不連續(xù)，突變！

第四節(jié)應(yīng)變橢球

1.應(yīng)變橢球(strainellipsoid):在連續(xù)介質(zhì)中假定一個(gè)球體，通過均勻變形后將變成一個(gè)橢球。

不連續(xù)介質(zhì)或不均勻變形均不能形成橢球

當(dāng)4時(shí)，圓球變形后仍為圓球。

只發(fā)生體枳變而不發(fā)生形變。

這種特殊情況又分兩種情況

1)e=e=e>0,此時(shí)有a=b=c>R,圓球體

2)e=e=e<0,此時(shí)有a=b=c<R,圓球體

當(dāng)e*、ey、/滿足某些條件時(shí)，

圓球變形后只改變形狀，不改變體積(形變

橢球體一般形態(tài)

e>e>e.a>b>c:

e>e=e.a>b=c:

e=e>e.a=b>c:

2.應(yīng)變主軸與主平面

應(yīng)變橢球體存在三個(gè)正交的方向上，僅有線應(yīng)變，而不存在剪應(yīng)變，即在變形前后的正交關(guān)

系不發(fā)生改變，分別稱為應(yīng)變主軸(principalaxis)

用儲(chǔ)、入2、入3；X、Y、Z;A,B,C表示，分別稱為最大應(yīng)變軸、中間應(yīng)變軸、

最小應(yīng)變軸。

主平面(principalplane):包含應(yīng)變橢球體的任意兩個(gè)主軸的平面(XZ,YZ,XY)

壓扁面:XY面

張性面:YZ面

拉伸方向:X軸

3.無伸縮面

圓球均勻變形為橢球后，圓球的一個(gè)半徑必然變?yōu)樽冃螜E球的某一個(gè)半徑，這兩個(gè)半徑的長

度差，就是圓球半徑的伸長或縮短量；反之，變形橢球的一個(gè)半徑必然是由圓球的某一個(gè)半

徑變過來的。

如果在變形橢球中有某些半徑與變形前的圓球半徑比較來既不伸長又不縮短這些橢

球半徑所組成的軌跡面稱為變形橢球的“無伸縮面”。

ex>ey>ez,必須相ex>0,ez〈O時(shí)才有“無伸縮面”

ex>ey=ez,必須有e/O,a<=0時(shí)才有“無伸縮面"

，必須有ex>=0,ez〈O時(shí)才有“無伸縮面"

第五節(jié)應(yīng)變橢球的形態(tài)類型

弗林(Flinn)圖解：表示主應(yīng)變的二維圖解

a=X/Y=(1+ei)/(1+e2)

b=Y/Z=(1+e2)/(1+e3)

坐標(biāo)原點(diǎn)為(1,1),任一形態(tài)的橢球體都可以在圖上標(biāo)示為一點(diǎn)

橢球體的形態(tài)K=tga=(a-1)/(b-1)

依據(jù)k值自下而上分為五種類型：單軸旋轉(zhuǎn)扁球體、壓扁型橢球體、平面應(yīng)變橢球體、收

縮型橢球體、單軸旋轉(zhuǎn)長球體。

K=8

位K=8

(1-tf,)>(14f2)=(14f3)

8雙>1(1北。>1>(1丸3>(l+t3)

iK=1(14t.)(l+e)=(14t/=1

P32

>K>0(1卅1>(1-Hj>1>(1把，

K=0(1惘)=(14t2)>(If)

aK=0

(b1)b

第六節(jié)旋轉(zhuǎn)變形與非旋轉(zhuǎn)變形

1.旋轉(zhuǎn)變形：應(yīng)變主軸方向的物質(zhì)線在變形前后發(fā)生了方位的改變，即旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。

2.非旋轉(zhuǎn)變形：代表應(yīng)變主軸方向的物質(zhì)線在變形前后不發(fā)生方位的改變。

第七節(jié)遞進(jìn)變形

1.有限應(yīng)變(finitestrain):物體變形的最終狀態(tài)與初始狀態(tài)對(duì)比發(fā)生的變化；

2.遞進(jìn)變形(progressivedeformation):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(gè)由許許多多次微■應(yīng)變的逐次疊加過程，這種變形

的發(fā)展過程就稱為遞進(jìn)變形；

3.遞進(jìn)變形方式：共軸與非共軸遞進(jìn)變形

在遞進(jìn)變形過程中，各增量應(yīng)變橢球體的主軸始終與有限應(yīng)變橢球體的主軸保持一

致，這種變形稱為共軸遞進(jìn)變形(8axialprogressivedeformation),否則稱為非共軸遞進(jìn)

變形(non-coaxialprogressivedeformation)

第五章巖石的力學(xué)性質(zhì)

彈性，塑性，強(qiáng)度

影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素

能干性

巖石斷裂準(zhǔn)則

第一節(jié)巖石力學(xué)基本概念

1.基本概念

1)彈性(elasticity):物體在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力撤除后完全恢復(fù)原狀的性能。

應(yīng)力與應(yīng)變呈正比，符合胡克定律；這樣的材料稱為胡克固體或線彈性體。

o=Ee￡為彈性模量或楊氏?！?/p>

2)塑性(plasticity):在應(yīng)力作用下發(fā)生連續(xù)變形，當(dāng)外力撤除后不恢復(fù)原狀，為永久變形。

具有這種性能的物體稱為塑性體。

3)強(qiáng)度(strength):當(dāng)應(yīng)力超過一定值時(shí),巖石就會(huì)以某種方式而破壞，發(fā)生斷裂變形。這

時(shí)的應(yīng)力值稱為巖石的極限強(qiáng)度或強(qiáng)度

脆性材料：在斷裂前的塑形變形的應(yīng)變?

小于5%的材料；

韌形材料：在斷裂前的塑形變形的應(yīng)變?

超過10%的材料；

彈性、塑性、脆性均是指應(yīng)變所處狀態(tài)，隨條件變化

4)差應(yīng)力(differentialstress):軸向應(yīng)力與圍壓之差，

一般用01-6表示

5)流體(fluid):分理想流體與粘性流體兩種。

理想流體：流體流動(dòng)時(shí)，流體內(nèi)任何截面上只存在壓應(yīng)力，而不存在剪應(yīng)力。

粘性流體：流體流動(dòng)時(shí)其內(nèi)任何截面上除了壓應(yīng)力外，存在有剪應(yīng)力。

6)粘性(viscidity):流體內(nèi)部流動(dòng)層面之間的摩擦效應(yīng)。

牛頓流體：剪應(yīng)力與剪應(yīng)變速率(或法向速度梯度)呈正比的流體材料。

7)粘彈性體(visselasticbody):既具有彈性，又能發(fā)生粘性流動(dòng)的材料

第二節(jié)影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素

1.巖石各向異性(anisotropy)巖石的成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等在空間上的變化造成巖石力學(xué)性質(zhì)

的差異。

2.圍壓(confiningpressure)增大圍壓的效應(yīng)：1)增強(qiáng)巖石的強(qiáng)度；

2)增大巖石的韌性；

3.溫度(temperature)提高溫度，使材料強(qiáng)度降低，韌性增大。達(dá)到韌性變形，伸展條件

下需要更高溫壓條件。

4.孔隙流體(porefluid)孔隙水的存在，

1)可以顯著降低巖石強(qiáng)度；

2)促進(jìn)礦物溶解，促進(jìn)巖石塑性變形；

3)產(chǎn)生孔隙壓力，抵消圍壓作用，降低巖石強(qiáng)度，使巖石易于破裂；孔隙流體壓力效

應(yīng)促使巖石發(fā)生剪裂(A)和張裂(B)

5.時(shí)間(time)

1)應(yīng)變速率(strainrate):

降低應(yīng)變速率，巖石的強(qiáng)度降低，韌性增大。

提高應(yīng)變速率，巖石的強(qiáng)度升高，脆性增大

2)蠕變(creep)是指在應(yīng)力恒定情況下，隨著時(shí)間的增長，變形繼續(xù)緩慢增加的現(xiàn)象。即應(yīng)

力恒定-時(shí)間增長-變形緩慢增強(qiáng)。

3)松弛(relax)是指在應(yīng)變保持不變的情況下，隨著時(shí)間的媛慢增長，應(yīng)力逐漸減小的現(xiàn)象。

即應(yīng)變恒定-時(shí)間增長-應(yīng)力逐漸減小。

螺變和松弛在低于巖石彈性極限條件下，導(dǎo)致巖石發(fā)生塑性（永久）變形，二者共同效果都

相當(dāng)于降低巖石的彈性極限，使塑性增大。

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

流體增加減小增大

應(yīng)變速率減小減小增大

第三節(jié)巖石能干性

1.能干性（competence）:反映巖石變形程度相對(duì)差異的術(shù)語，可以近似的用粘度的大小來

說明。按巖石的能干性差異，可分為能干性（強(qiáng)能干性）和非能干性（弱能干性）兩種類型。

在相同條件下，強(qiáng)能干性巖石不易于發(fā)生內(nèi)部變形，而弱能干性巖層易于發(fā)生內(nèi)部變形。

通過對(duì)經(jīng)歷同樣應(yīng)力環(huán)境的地質(zhì)體的比較，構(gòu)造變形特征能夠?qū)r石的能干性進(jìn)行定性比較。

有限應(yīng)變狀態(tài)對(duì)比、劈理折射、石香腸構(gòu)造、褶皺形態(tài)等。

第四節(jié)巖石變形的微觀機(jī)制

巖石變形的微觀機(jī)制主要包括脆性變形機(jī)制和

塑形變形機(jī)制

1.脆性變形機(jī)制(brittledeformation)

微破裂作用、碎裂作用和碎裂流

應(yīng)力集中一微破裂一應(yīng)力集中一微破裂拓展連接一碎裂作用一碎裂流

碎裂變形機(jī)制在地殼淺層次普遍存在；流體壓力促進(jìn)了碎裂流的形成，使得地殼淺層次廣

泛發(fā)育各種脈體。

2.塑形變形機(jī)制(plasticdeformation)

由于巖石的流變特性及其顯微構(gòu)造、組成礦物的性質(zhì)及變形條件等不同，其塑形變

形機(jī)制也不同。巖石是一種多晶集合體，其塑形變形絕大多數(shù)是由單個(gè)晶粒的晶內(nèi)滑動(dòng)或晶

粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所造成的。

1)晶內(nèi)滑動(dòng)和位錯(cuò)滑動(dòng)

2)位錯(cuò)蠕變

3)擴(kuò)散燃變

4)溶解蠕變

5)顆粒邊界滑動(dòng)

1)晶內(nèi)滑動(dòng)和位錯(cuò)滑動(dòng)

(1)晶內(nèi)滑動(dòng)(intergranularslip):沿某一滑移面的一定方向滑移，可形成晶格優(yōu)選方位

和形態(tài)優(yōu)選方位，屬低溫變形機(jī)制

晶內(nèi)滑動(dòng)的機(jī)制是位錯(cuò)滑動(dòng)(