2022年《构造地质学》教案.docx

名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载构造地质学教案第三章 地质构造分析的力学基础（本章课序 No.3-5,共 6 学时）一、课堂支配争论 主要内容介绍 本章摸索争论题二、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、外形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： 一般试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）；库伦剪破裂准就：剪破裂的试验,体会公式,剪裂角,内磨 擦角 摩尔剪破裂准就 /格里菲斯破裂准就 塑性变形及变形机制 影响岩石变形的因素细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 1 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载2、本章要点 应力的概念；应力与（矢量）力的区分,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分；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说明；应变测量：方法及其设计思路 库伦剪破裂准就 影响岩石变形的因素各类变形试验曲线（应力-应变、应变 -时间曲线等）的含义细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 2 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载三、授课内容（一）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应力的分解P作用力匀称受力时的表达A面积dP不均匀受力时dA正应力 、剪应力 （切应力）应力符号normal stress, shear stress ,挤压为正,张应力为负 ,逆时针为正,顺时针为负 应力单位 一点的应力状态 平稳力系,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,就每个面 上的应力可分解为共个重量；脚标表示的含义细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 3 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载 xy应力方向 面法线方向应力性质 xx, yy, zz n（两脚标相同） xx xy xz yy yz yx zz zx zy 又可写成 x xy xz y yz yx z zx zy 在平稳力系中 yx xy zx xz zy yz 因此 x y yx z zy zx xy, yz, （两脚标不同）六个应力重量打算了一点的应力状态；主应力面弹性力学证明（主平面）主应力最大正应力（位于主平面上的正应力）,主（应力轴）方向 应力状态 单轴 单轴压缩 > 单轴拉伸 < 0 > 细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 4 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载双轴 双轴压缩 > > 平面应力状态 > > 三轴（一般） 静水压力、均压流体静压力 如 <,何状态？应力差 ） 平均应力（ 可看作一应力系统中的均压部分偏应力 （有三个）为偏离平均应力的重量； 泊松比 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 （直立）,和由重压（变形）引起的横向应 力的关系为： （ ）深部岩石受压而妄想横向扩张,但受到限制,故引起此水平 应力；假如横向上无限制,将显现何种情形？细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 5 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载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洁 适用于地质问题分析基本关系：AA 0/cos0cos1cos11cos2（）1PA 0APAAnAcos1cos22ASin1SinCos（）1 Sin 22（）,（）二端平方后相加,得12212222应力莫尔图（单轴）双轴应力状态 套用前（）、（）式,有细心整理归纳 精选学习资料 n2 2 12Cos22 2 1Cos2（） 第 6 页,共 26 页 n2 2Sin2Sin2Cos2（）23 n1 n1 21Cos22 21 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -122122学习必备欢迎下载（）C o sn1S i n24 2S i n2212S i n2（）,（）二端平方后相加,得1n22122221222Cos22Sin22n2· 八种应力状态静岩压力 如 1 时,应力 圆收缩 有关应力圆 圆心角 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（六种特别情形）单压 > 静水 > > 静岩 双轴压缩 > > 平面应力 > > 纯剪 ,三轴拉伸 三轴挤压 二轴挤压,一轴拉伸 一轴挤压,二轴拉伸细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 7 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载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 力方向轨迹应力（轨）迹线、主应力等值线 用二维表示光弹运算机模拟 e.g. 图 图 图 应力集中物体内部结构引起应力状态的转变 圆孔表面的切线应力为： （ Cos ）无穷远处主应力（平均主应力） 切点处半径线与的夹角点,2,3P 1（）点, 椭圆孔,当长轴平行于时 （ a/b ）说明椭圆孔周边方向 ,椭圆率越大,就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 材料中要运算应力集中的量值,使之小于切 料强度；否就易于破坏；细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 8 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载（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,使初始外形、方位、位置发生转变 质点初始位置与变形后位置的比较位移的基本方式：平移刚体运动,内部各点无相对变化旋转体变 各点相对 形变位置变化,引起应变物体在应力作用下 外形和大小的转变量, 有时包含旋转的 含意变形强度2、应变、应变的度量1线应变（ e）eL1L0L0伸长时取正值110（长度比）L 121e 2平方长度比L02剪应变 tg 偏离右角的量 右行剪切为正 卡片模拟（图）据物体内部应变状态是否变化分为：匀称,非匀称变形3、匀称变形和非匀称变形匀称变形 各点应变特点相同,特点为：细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 9 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载变形前直线仍为直线 变形前平行线仍平行 单位圆椭圆可以一点代表全体 非匀称 各点不相同 直线非直线 平行线非平行 圆非椭圆 不连续变形（非渐变的应变状态,图3）把非匀称变形用各单元体来表示褶皱4、应变椭球体形象化设单位圆球半径 （,）最大应变主轴：只有线应变,无剪应变半轴长1 L 1 1 L 0 （,）（>或或 <）一般情形下,1 12 or or 13 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 （）面受压扁面,示轴面,片理方位yz（）面张性面,张节理x , 轴最大拉伸方向,矿物定向排列· 圆切面,二个,交线为轴,e2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）细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 10 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载线缩短区Cos 2Q 1 1 3 圆切面与 的夹角1 35、应变椭球体类型及其几何表示法 Flinn diagramA=X/Y=1+e1/1+e 2 b = Y/Z=1+e2/1+e3 K = tg =a-1/b-1圆点座标为（,）变形后外形,时,沿方向无伸长和缩短 原始单元体 b=1+e 2/1+e 3 在体积不变条件下,据值分为五种外形类型（1）单轴旋轴扁球体（轴对称缩短）（ e1）= 1+e2 > 1+e3 （2）1>K>0 扁型椭球体（压扁型）（ e1）> 1+e2 > 1 > 1+e3 （3） 平面应变椭球体（ e1）1+e1+e 或1+e1=1/1+e3 ； e2=0 （4）>>1 长型椭球体（收缩型）（ e1）> 1 > 1+e2 > 1+e3 （5）（ e1）> 1+e21+e3单轴旋转是球体、棒状、雪茄状细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 11 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -KK0饼状铁饼学习必备欢迎下载二向伸长烧饼10短其中,一向（轴）无变化,一向伸长,一向缩KK1棒状雪茄一向伸长,二向缩短面棍在体积有变化时,体变 （） b）偏移（r-1 ）当 <时（体积减小）图解中 e2=0（平面应变线）向横座标（证明： （） V4xyz ,V04r343334xyz 4/4333=（x· y· z）1 或 x· y·z（ e1） e2 e3 当体积不变（ ） ,时,（ e1）e2 e3即：（ e1）e2 e e3 如 e,就 e2,就 e（ e3）此时中间轴不变,变形只发生在面上当 时,如为平面应变（e）,就 （ e1）e2 e3（ e1）e 细心整理归纳 精选学习资料 1e 11e 21 1e 3 第 12 页,共 26 页 1e 2 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -a1e 3 1e 2学习必备欢迎下载1 21e 2 ab ab1 （体积变化时的平面应变）体积变化需用其它方法帮忙求出；6、旋转和非旋转变形主轴物质线方向转变与否旋转 非旋转纯剪变形非旋转的特例（并非全部的非旋转变形都是纯剪变形,只有无体变,且 变形）无体变e2=0 时的非旋转变形才称为纯剪e2=0（中间轴无变化） y=1 非旋转 纯剪变形 e2=0y=1 单剪（效应）纯剪刚体旋转7、递进变形有限应变总应变 无限小应变增量应变 递进变形初始状态至最终状态增量应变的叠加过程；（图）（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样 e.g. 递进纯剪变形（图）（二） 非共轴递进变形 e.g. 简洁剪切（前图）tg 2 剪应变 应变椭球长轴与剪切方向夹角细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 13 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载当 很小时, ° ,即增量应变主轴总与剪切方向 成° 夹角；在单剪中,不能据有限应变椭球主轴方一直判定主应力的方向（除了 y 与对应外）在纯剪中, x、y、z 与分别对应；E.g. 图 构造分析中,不能简洁依据构造空间展布方位推断应力作用 方式,必需从发生、进展的过程来分析；系统争论不同强度的构 造特点,以明白构造进展全过程；其次节 岩石有限应变测量明白区域应变分布状况,推究变形时的应力状态；区域应变场构造应力场中小型构造也可用来估算地壳舒展或缩短量及方位；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点性构造e.g. 板劈理、层理xy 面（压扁面）,拉伸线理 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（鲕粒、石英） ,切片平行主平面2、原始为圆球形个体的应变测量鲕粒基质与球形个体韧性差异小者为优,e.g.退色斑（仍原斑）、灰岩· 灰岩中的泥球、鲕粒,单晶方解石颗粒或硅质结核,虽然与基质有肯定韧性差,但可参考使用· 不规章性,如为随机的,可通过大量测量取平均值来排除· 测量方法细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 14 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载露头直接进行 显微镜 放大的照片 参考线, 走向,在面上 测 xy 或等 测长轴与参考线头角· 数量：（仍原斑）· 运算方法种类算术平均平均轴比 R 和方向hn/in11 （椭球 iR调和平均值h当各个体轴率变化较大时,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 （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 R；3、原始为椭球形个体的应变测量（ f/ ）· 砾石、捕虏体、石英颗粒及集合体· 最终状态（最终椭圆的轴比 （应变椭圆轴比） i（初始椭圆轴比）f 和方位 ）取决于： （初始椭圆长轴与应变椭圆长轴的夹角）即： ff （ , i, ） f （ , i, ）细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 15 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载上述变量的函数关系式为（Ramsay,1967）：2tog2 = 2 2 2 R S R2 1 Sin 22 R 1 R S 1 R i 1 R S 1 Cos 22 2 2 2 2 2Rf = tg2 '2 1 R i2 tg 2 R S tg2 R2 i R S tg tg R i 1 R i tg 据此可推出,肯定的 值下,不同 I、 变形后的 f 及 值,作出 f/ 曲线图· 曲线外形：对称单峰（当 <I 时）2. 圈闭水滴状（当· f 最大值与最小值fmax· i E.g. I f=× > I 时,此时 <° ） fmin I 或 I （ f 按定义 >）（ I）÷ （ ）（ f）· 如I（初始轴比）是变化的,就在f 图上为一组点群,可与一系列理论曲线对应,找合适的 值的曲线要求：四个象限（纵坐标和资料线分开）中的点数大致 相等,此时说明初始椭圆方位是随机的,受到了与该理论曲线的 相同的应变；个点子；· 当 >时,调和平均值 使其简化,体会h与 f 求得的 相同,· 砾石初始优选方位,导致点群分布不对称,应予排除,参细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 16 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载考郑亚东· 韧性差（砾石之间,砾石与基质间）选与基质相同的砾石 如为颗粒支撑砾岩（紧密积累） ,Fry 法有时可防止上述弱点；4、Fry 法据标志点分布的变化测量应变· 前提 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；匀称应变（测量范畴内）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：透亮方格纸：标本切面或放大的照片上的标志体 中心 中心标记 方格纸 二纸重合,使中心标记重合于等一点,投点 平移盖纸,使与下点重合,连续投点；细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 17 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载（三）岩石变形行为第一节 一般试验条件下岩石的变形行为· 三轴压力机,流体压力围压, b,· 岩石与金属试验相像 强度极限 应变硬化后再次加压后的压服动 y 屈服应力 y 弹性差别 破坏（断裂）小的正斜率,应变硬化（中、低温）稳态流淌（定全塑性材料）塑性变形 受到肯定的应变硬化后不再同到 e1· 断裂变形强度（极限）· 材料性质抗压强度抗磁强度（表）脆性,应变量（） <（断裂发生前）韧性 应变量（） >与性质转换其次节 岩石的脆性破坏破裂类型 张裂方向（位移破裂面）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（ ）1、库仑剪破裂准就剪破裂的试验,体会公式,剪裂角,内磨擦角 内摩擦系数细心整理归纳 精选学习资料 n 第 18 页,共 26 页 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备欢迎下载n时的抗剪强度（岩石内聚力）可改写成 ln？tg 内摩擦角 ° ° 另： ° nn· tg 2、莫尔剪破裂准就 （内摩擦角）随围压的变化而变 f n 砂岩 ° °页岩 随围压增大而减小3、格里菲斯破裂准就（简介）问题：库伦、莫尔未从机制上说明,都为岩石力学试验的经 验公式 岩石实际破裂据分子结构理论运算的材料粘结强度,达 三个数量级 说明：随机的微裂隙扩展 应力集中（末端）扩展联结 推导：二维中,作为扁平的椭圆到裂隙当<时, 张裂准就（ 单轴扩张强度）细心整理归纳 精选学习资料 当>时,）（） 第 19 页,共 26 页 （） （或n （ n）抛物线（）（n剪裂面上剪应力）（n剪裂面上正应力） - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载存在问题：据（）式,在单轴压缩时, C（抗压强度）, 这与试验结果, （抗压强度）（） （抗强度不符）；4、修正的平面格力菲斯准就· 麦克林托克和华西（） ,· 假定微裂隙在受压方向上闭合,隙的扩展· 莫尔包络成为：n= n 从而产生肯定摩擦力影响微裂评判：初步描述了破裂过程的真实物理模式与试验结果仍有较明显不一样e.g. 估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样 仍旧是较合试验的准就, 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点 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层理、面理旋或破裂先存脆弱面破裂强度（ ）与夹角（ 与先存面理）的关系剪裂面与 的夹角当 大时（° ）剪裂角°当小时（ <° ）剪裂角或很小细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 20 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载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 温压同时考虑（在地壳中）脆韧性转换带 3.5 公里（挤压）公里（拉伸）与围压小于挤压环境有关 拉伸试验 挤压试验曲线 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）孔压抵消围压,降低强度,易于脆性破坏,减小有效围压 e effective 围压孔隙压 p 或 e. 剪裂张裂当孔压反常大到几乎等于围压时,岩石 5、时间（1）应变速率 沥青、麦芽糖、快慢 降低屈服极限,脆性材料韧性浮起效应 Alps 岩席（在达到时应变时, 所需的差应力与应变速率成反比、此图涉及自然应变 Log e 的负值,可略去不讲；）（2）蠕变弹性后效细心整理归纳 精选学习资料 · 蠕变强度（ 蠕） 第 21 页,共 26 页 当 <蠕,固体变形（不发生蠕变） >蠕,流淌变形（蠕变,固流体） （塑性流变） - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载试验说明,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： （剪应力） e（流变） 粘度,或粘性系数, a· （帕斯卡· 秒）· 蠕变岩石看作高粘度的固流体, a· 地下高温, 变小,为 a·S（,耶鲁大理岩）另一方面,高压力 粘性体；· 能干性时,仍为弹性,因此,把岩石看作是一种弹“ 能干” 的含义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）amsay能干性差异排序：（.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, 岩石流变特点及显微构造组成矿物性质变形条件绝大部分塑变由单晶晶内滑动粒间滑动1、晶内滑动和（低温）位错滑动晶内滑动 沿肯定滑移系,由晶体结构打算滑移面高原子离 子密度面“ ” 方向 原子离子排列最密集的方向细心整理归纳 精选学习资料 - - - - - - - - - - - - - - - 第 22 页,共 26 页 - - - - - - - - - 名师归纳总结 精品学习资料 - - - - - - - - - - - - - - -学习必备 欢迎下载e.g. Quartz ,底面（）上 面双晶（机械）晶内滑移使晶粒外形转变a 轴方向,方解石,底面, e结晶轴发生旋转晶格优选方位 e.g. 图·Quartz · 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 第一发生不应力集中区（晶体缺陷处）然后滑移已沿滑移面扩张 最终与晶粒边界相交,产生一个阶梯 位错线滑移区与未滑移区的界线 图示 其原理相当于“ 拉地毯”· 额外半面· 位错传