成因构造地质学.ppt

第二篇成因构造地质学,第四章岩石变形分析的力学基础,第一节基本概念,1、外力物体受力而产生变形，这施加于物体上的力叫外力。面力通过接触面传递的力。体力相隔一定距离而相互作用的力，如引力、排斥力。,2、内力物体内部各部分之间的相互作用力叫内力。a、固有内力物体内部各质点间的相互作用力，即使没有外界影响，也仍然存在，它是由质点间的吸引和排斥的机能来实现的。这种力也叫自然状态粒子力。,b、附加内力当物体受外力作用时，其内部之间相互作用力就会发生变化，这种内力的变化叫派生粒子力或附加内力。它阻止物体继续变形并力图恢复其原始状态。当外力超过这种附加内力后，物体就会破裂。,3、应力作用于物体内任意面积上的附加内力叫应力。一般在外力作用下的物体，其任意截面内可以分出正应力（直应力）和剪应力。,左图逆断层活动擦痕和岩层拖曳，牵引构造是剪应力作用的结果，而岩层厚度变薄则应是垂直于逆断层面的压力作用的结果。,一般在外力作用下物体的任一截面上有存在直应力和剪应力，但在受力物体的任一点上有三个，而且只有三个相互垂直的平面，在这些平面上没有剪应力。这些面叫主应力平面。,换言之，即在该物体的每个点上可以假设有一无限小的立方体，在其面上只有正应力作用，此即主应力。此正方体的边即主应力轴（和应力面的法线平行）。,三轴应力为σ1、σ2、σ3最大应力（σ1），最小应力（σ3），中间应力（σ2），通常三值不等（σ1σ2σ3），但特殊情况下相同，如静水压力，σ1σ2σ3,还有如下情况，即两向应力值相同，即σ1σ2σ3或σ1σ2σ3当两向主应力值等于并近于零时，称谓一维应力状态（单轴应力状态）。当其中一个主应力值等于或接近于零时，称谓平面应力状态（双轴应力状态）。在构造运动过程中的应力状态几乎都是三维应力状态（三轴应力状态）。,但是，最大与最小应力（σ1和σ3）在变形及破裂过程中具有决定性作用，而中间应力（σ2）值较小，常忽略这种应力的影响，而变形过程是在主应力σ1和σ3作用的平面内进行讨论的。因此，实际研究构造地质时常分析双向应力状态。然而，并不排斥三维形式下研究构造的合理性，而且很多新资料表明σ2作用的重要性。,第二节应力状态分析,一、单轴应力状态（应出现在仅受到本身自重作用的高地或丘陵条件下）,设作用于物体上的外力为P1，那么垂直于作用力的截面A0上的主应力为p1σ1A0,在与作用力P1斜交的截面Aα上，设正应力为σ，剪应力为τ，其合应力为p1σAAσ,截面Aα与主平面A0之交角为α，此角度等于截面的法线与合应力σA或主应力σ1相交的角度。该角按规定从主应力轴顺时针方向量到截面法线为负，逆时针方向量取为正。,在单轴应力状态下，包含σ2的任意截面上，主应力σ1与正应力σ和剪应力τ的关系如下,此公式也适用于拉伸情况，只是压应力在公式中为正，张应力为负。,此关系式特点从σ式可知1、当α0时，Cos2α1，则σσ1；2、当0σ3时，各截面上正应力和剪应力与相应主应力的关系，可以根据上述双轴应力状态的分别求得。,与主应力轴σ2平行的各截面上的应力，仅与σ1、σ3有关，而与σ2无关。如图4-12a中的截面Ⅰ，仅与σ1、σ3所决定的莫尔圆上的点D1相对应，该点坐标即此截面上的应力。,当截面Ⅰ和σ1、σ3成45时,,同理，与σ3轴平行的各截面上的应力，仅与σ1、σ2有关。平行于σ3之截面Ⅱ，（如图4-12b）仅与σ1、σ2所决定的莫尔圆相对应。,当截面Ⅱ与σ1、σ2成45时,与σ1轴平行的和σ2、σ3成45时，截面Ⅲ如图4-12c上的正应力和剪应力分别为,由此可知，上莫尔应力圆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ圆周上各点，只分别代表与某一主应力轴平行的各截面上的应力情况，当与三个主应力轴皆不平行的任意截面上的应力情况，则由阴影区表示。,四、应力集中及其意义,根据材料力学研究，物质内部的缺陷（孔洞、缺口、微裂隙等）所在，会引起应力的集中，材料往往在应力集中处首先破裂。自然界岩石中，应力集中现象存在。岩体，岩层内断裂的端点、拐点、交汇点等都是应力易集中的地方。当地应力积累达到岩石所能承受的极限时，即发生破裂而发出能量，引起地震，火山等。,第三节岩石变形分析,一、变形与应变,物体受到力的作用后，其内部各点间相互位置发生改变变形。它可使原物体发生体积的改变或形状的改变。物体变形的程度用应变来度量。应变所涉及的物体形态的变化，总是与物体的两个状况有关，一是该物体此时此刻的形态状况，另一是初始的未变形的形态状况。,（一）线应变和剪应变线应变即物体变形前后的相对伸长或缩短;剪应变原来互呈直交的两条直线，变形后所改变的角度值.,,上图为一杆件在纵向拉伸下的变形，设原件长为I0，拉伸后为I，杆件纵向绝对伸长△II-I0纵向线应变为,,除此这外，横向上还有缩短。设杆件横向厚度为b0，缩小后为b，横向缩短为△bb-b0,横向线应变为,在弹性变形范围内，一种材料的横向线应变与纵向线应变之比的绝对值为一常数，即，此常数υ称为泊松比。泊松比恒为正值，材料不同，泊松比也不同，但不超过0.5。上述表明，任何材料在单向拉伸或压缩条件下，既有平行于作用力方向的变形，又有垂直于作用力方向上的变形，此即泊松比效应。物体的这一性质，对于解释岩石变形具有重要意义。,通过变形物体内部任意点总是可以取这样一个立方体，在其三个相互垂直的面上都只有线应变而无剪应变，即仅有伸长与缩短。这三个相互垂直的平面称为主应变面，三个主应变方向即主应变轴。规定最大伸长方向为A轴，最大缩短方向为C轴，二者之间称为B轴，B轴方向可伸可缩，但其量均不超过A轴和C轴。,（二）均匀变形和非均匀变形岩石基本变形方式有5种1、拉伸2、挤压3、剪切4、弯曲5、扭转。,,均匀变形变形岩石各个部分的变形性质、方向和大小都相同的变形。特征变形前为直线，变形后仍为直线。（1、2、3、属此类）非均匀变形变形岩石各点变形方向、大小和性质都有变化的变形（4、5、属此类）,（三）旋转变形与非旋转变形非旋转变形应变轴大小有变化，方位无变化的一种变形（如压、拉）旋转变形应变轴大小、方位均有变化的一种变形（如剪切，左行、右行）,二、岩石变形的阶段固体物质的变形一般可分四个阶段，即弹性变形阶段、流动变形阶段、强化变形阶段和破坏变形阶段。以低碳钢的拉伸实验为例，将其在逐渐加载至材料发生破坏的整个过程中应力（σ）和应变（ε）的关系用坐标来表示如图所示。（一）弹性变形阶段,在逐渐加载至材料发生破坏的整个过程中应力（σ）和应变（ε）的关系,OA段为直线，应力与应变呈线性关系，过了A点，直线开始略为弯曲，但不明显；至B点以后才明显弯曲。一般材料的A、B两点非常接近。在OAB内为弹性变形阶段，应力消除，变形也消失，其变形是可逆的。,（二）流动变形阶段过了B点以后，如应力继续增加，试件的伸长速度明显加快，当越过C点后出现一个水平线段CD，这种荷载基本不变而试件却不断伸长的阶段称为流动变形阶段。此时若把试件抛光，则在试件抛光面上可见吕德氏线。这个阶段的C点称为屈服点，该点的应力σr称为屈服极限或流动极限，因此亦可称屈服应变阶段。,过B点以后，应力继续增加，试件伸长速度明显加快，过C点后出现的C-D阶段，是荷载基本不变而试件却不断伸长的阶段，称为流动变形阶段。C点称为屈服点。,（三）强化变形阶段试件经过流动变形阶段后，若要使其继续变形，则需要克服其中不断增长的抵抗力，材料在塑性变形过程中不断发生强化，因此这一阶段称为强化变形阶段。由于在强化阶段中试件的变化主要是塑性变形，所以要比弹性阶段内的变形大得多。若在此阶段Z点卸载，则应力应变曲线下落至M点，即保留了εs段的塑性变形（εs为回复了弹性变形），因此塑性变形是不可逆的永久变形。,经过流动变形阶段后，要使其继续变形，则需要克服其中不断增长的抵抗力，材料在塑性变形过程中不断发生强化，D-E阶段称为强化变形阶段。,在强化阶段中主要是塑性变形，所以要比弹性阶段内的变形大得多。若在Z点卸载，则应力应变曲线下落至M点，即保留了εs段的塑性变形，因此塑性变形是不可逆的永久变形。,（四）破坏变形阶段塑性变形后，材料的抵抗能力有所恢复，但应力增加与应变增加的比例远小于弹性极限以前的阶段，曲线上凸，斜率较小。当达到E点时，外力达到最大值，称为强度极限（σB）即材料破坏前能够承受的最大应力。在此阶段试件伸长到一定程度后，其内某一段的横截面会产生收缩，出现“颈缩”现象。随后载荷读数逐渐降低，当过了E点后，曲线开始下降，至K点试件被拉断。,塑性变形后，应力增加与应变增加的比例远小于弹性极限以前的阶段，曲线上凸，斜率较小。当达到E点时，外力达到最大值，称为强度极限（σB）,达到强度极限，试件伸长到一定程度后，其内某一段的横截面会产生“颈缩”现象。随后载荷读数逐渐降低，当过了E点后，曲线开始下降，至K点试件被拉断。,塑性变形当外力持续增加，超过岩石的弹性极限后再取消外力，岩石不能完全恢复原态的变形（剩余变形、永久变形）。当外力增加使变形达C点后，即使外力拆除，变形仍继续进行，称为屈服或塑性流变，C点为屈服点。（岩石塑性变形的本质是质点的滑移）遭受塑性变形后的岩石，其岩石内部的结合力未变，因此，岩石的弹、塑性变形特征，是形成褶皱构造的重要因素。,断裂变形当应力超过岩石的强度极限时，达D点，岩石内部的结合力遭破坏，失去完整连续性的变形。强度岩石在外力作用下抵抗破坏的能力，各种岩石不同（P101，表4-3参照，P66，表5-1）通常抗压强度抗剪强度抗张强度,常温常压下各类岩石的强度极限（单位MPa）,岩石抗压强度抗剪强度抗张强度花岗岩150（37-379）20（15-30）5-7砂岩75（11-252）10（5-15）1-3石灰岩96（6-360）17（10-20）3-6大理岩100（31-262）8（5-20）3-9玄武岩250（150-350）15（10-20）---页岩50（20-80）2（1.7-3.3）---,张裂当张应力达到或超过抗张强度时，在垂直于张应力或平行于主压应力轴方向上产生断裂。,断裂变形两种方式张裂和剪裂,剪裂当剪应力达到或超过抗剪强度时，沿与σ1、σ3均斜交的面上发生剪切破裂。,岩石性质不同，破裂方式也不一样。韧性材料当张应力达到强度D点时，开始出现细颈化，此时外力不增加，变形仍继续，曲线达E点，即破裂于细颈处。但脆性材料在拉伸状态下破裂不出现细颈化，直接为张裂。,韧性材料出现细颈化，破裂于细颈处;脆性材料在拉伸状态下破裂不出现细颈化，直接为张裂。,第四节应变椭球及其在构造分析中之应用,设想物体内有一均质圆球，在其受力作用后变形成椭球，即称应变椭球。应变椭球三轴不等长，有三个相互垂直的对称面，这些面相交于椭球体的三个主直径λ1、λ2、λ3。,规定λ1为最大应变方向λ2为中间应变方向λ3为最小应变方向,椭球在λ1方向上半径为椭球在λ2方向上半径为椭球在λ3方向上半径为,平行于λ1、λ2、λ3的坐标轴分别为X、Y、Z，则应变椭球上各点坐标与主应变关系为（x、y、z分别为变形后坐标值，λ1、λ2、λ3分别为主应变量）,A、X,（B、Y）,（C、Z）,应变椭球可截出与中间应变方向彼此相交的两个圆截面，在此圆截面上应是均匀变形。,均匀变形之岩石，若有主应变方向和相对大小，则可知应变椭球之形态，即可知主应变λ1、λ2、λ3方向相当于应变轴A、B、C（即上述X、Y、Z）三个方向。A轴最大伸长轴B轴中间轴C轴最大缩短轴,A、X,（B、Y）,（C、Z）,1、张节理平行于BC面（YZ面）；2、褶皱轴面，片理，流劈理平行于AB面（XY面）；3、共轭剪面的交线平行于B轴（剪节理、逆断层、平移断层）,A、X,（B、Y）,（C、Z）,第五节递进变形,递进变形外力持续作用，无数微量应变及相应的应变状态不断积累的过程。岩石应变可分两部分有限应变已经发生的应变总和。无限小应变正在发生的瞬时应变。,递进变形过程中，有限应变的主应变轴和无限小应变的主应变轴的方位始终相同者，为共轴递进变形（纯剪应变）,有限应变的三根主轴X、Y、Z与主应力轴σ1、σ2、σ3始终平行,有限应变主应变轴在递进应变过程中不断改变其方位，则为非共轴递进变形（单剪应变）。主应力轴不变，而应变轴方位则不断在改变。,第六节破裂理论概述,,