构造地质学152

国家级精品课程国家级精品资源共享课程构造地质学总学时：56学时讲课：36学时实验：20学时主讲教师:宋传中刘国生李加好周次讲课作业、实验时数章节题目名称及主要内容时数主要内容名称122绪论地质体基本产状2阅读地质图222应力分析变形岩石应变分析基础2求水平岩层厚度、确定岩层产状322岩石力学性质劈理2编制倾斜岩层剖面图422线理褶皱几何学分析2读褶皱地区地质图522褶皱成因分析赤平投影基本原理2制作褶皱地区剖面图622节理断层概论2绘制节理图722断层伸展构造2计算机在构造制图中的应用84逆冲推覆构造2读断层地区地质图922走滑构造韧性剪切带4赤平投影在构造地质学中的应用注:适时安排课间实习构造地质学教学日历(2014-2015学年第二学期)全球地貌中国地貌第一章绪论第一节概述一、构造地质学构造地质学是地质学的基础学科（岩石、地层、构造）之一；研究对象是组成岩石圈的物质（岩石、岩层和岩体）在内力的作用下变形而形成的各种现象（构造）；研究内容构造的几何学、组合形式、形成机制和演化过程，探讨产生这些构造的作用力的方向、方式和性质，进行几何学、运动学、动力学分析。二、构造尺度大至全球，小至显微镜-超显微镜本教材分六级：1.巨型构造山系、区域性地貌的构造单元。如喜马拉雅山造山带、秦岭—大别造山带2.大型构造区域性构造单元中的次级构造单元如背斜、向斜、大型断裂等3.中型构造一个地段上的褶皱、断层:1：5万比例尺的图上，可见全貌，本课程研究的重点4.小型构造露头上、手标本上的构造:小褶皱、断层、节理、面理、线理，本课程研究的重点5.微型构造（显微构造）手标本、显微镜下可见的构造6.超微型构造（超显微构造）电子显微镜下研究的构造形态—扫描电镜位错—透射电镜一般分三级：1.大构造：区域构造、大地构造(1：20万比例尺图幅的范围)2.小构造：露头上、手标本上的构造3.显微构造：显微镜下可见的构造构造尺度不同，研究目的不同，手段与方法不同，侧重的内容不同，解决的问题不同。三、构造变形1.构造应力场物体内各点的应力状态在物体内所占据空间的总和—挤压应力场拉张应立场剪切应立场2.构造变形场主导构造应力均匀作用的空间及其形成的构造域（1）伸展构造：水平拉伸应力或垂向隆升导致的水平拉伸应力下形成的构造（裂谷、盆地、地堑-地垒、盆-岭构造等）（2）压缩构造：水平挤压应力下形成的构造(褶皱、逆冲断层)（3）升降构造：岩石圈地幔垂向运动，导致地壳的上升和下降，区域性的隆起和坳陷(山系、高原、盆地)（4）走滑构造：顺直立剪切面水平方向（走向）滑动或位移形成的构造（5）滑动构造：重力滑动构造（6）旋转构造：陆块绕轴转动形成的构造第二节圈层结构和构造层(物质组分不同导致岩石力学性质的分层性)地球结构：地壳地幔地核地球系统：大气圈生物圈水圈固体地球一、地壳-岩石圈的层圈式结构1.岩石圈：地壳和上地幔的总和；（大陆岩石圈和大洋岩石圈）(1)地壳：上地壳—沉积岩、火山岩、花岗岩、浅变质岩中地壳—闪长岩类岩石、片岩、片麻岩下地壳—玄武岩、辉长岩、深变质岩(2)上地幔：超基性岩类（莫霍面之下）2.大陆岩石圈：垂向成层，横向不均一：厚度、密度、强度、地壳物理状态差异，硅铝质+硅镁质。“三明治”结构：上地壳—脆性（硬）中地壳—塑性（软流层、壳内软层）下地壳—刚性（硬）3.大洋岩石圈：仅硅镁质二、构造层次温度递增引起岩石力学性质变化导致变形的分层性1.构造层次：同一次构造活动，在不同的深度形成不同类型的构造变形。因素：物质组分、温度、压力、流体等。2.构造层次的划分：(1)表层构造：＜1km的地表，剪切作用，脆性变形(断层、褶皱)(2)浅层构造：1-8km，褶皱作用，脆性变形(褶皱、断层、节理)(3)中层构造：8-15km，强褶皱作用，塑性变形(紧密褶皱、韧性剪切带)(4)深层构造：＞15km，流变作用、熔融作用(柔流、韧性剪切带、混合岩化)脆性破裂域（脆性变形）——塑性流变域（塑性变形）第三节新理论、新技术、新方法一、常规研究方法1、地质测量（填图）为制图、数理统计提供依据2、显微构造分析对中小尺度观察的修正和外充（更小）3、航、卫片解译扩大视域和深度，弥补野外中小尺度观察的局限性（更大）4、力学分析应用力学原理，鉴定构造的力学性质和相互关系，分析形成机制及各构造之间的内在联系，总结区域构造分布和发展规律。5、摸拟实验物理实验：泥巴摸拟，光弹性实验，高温高压实验数值模拟：数学、力学模拟，再现构造变形6、历史分析根据不整合接触关系和各种构造之间的交切关系，结合沉积相，岩浆活动，变质作用，配合同位素年代测定资料，分析构造发展的顺序，划分发育阶段，恢复构造演化历史，全面系统地认识构造规律。二、近20-30年的研究领域更大（上天-入地-下海）上天-从地球发展到天体地球作为一个天体，进行类地行星类比，遥感技术（多波段及远红外航、卫片）入地-从地表发展到深层地球物理探测方法、超深钻下海-从陆地延伸至海洋，地球物理探测方法、机器人更小（宏观-微观-超微观）显微镜-电子显微镜（TEM、REM），高温高压实验、晶体缺陷测试，加深构造变形机制的研究更细（定性-定量）观察、测量、测试、模拟。强调过程第二章地质体的基本产状及沉积岩层构造第一节面状结构和线状结构的产状一、面状结构的产状要素1.走向：(1)走向线：倾斜平面与水平面的交线(同一倾斜平面上有无数条，高程不同，相互平行)(2)走向：走向线两端所指的方向（相差180°）2.倾向：(1)倾斜线：倾斜平面上与走向线垂直的线(2)倾向：倾斜线(下端)在水平面上的投影所指的方向3.倾角：倾斜线与水平面的交角（最大交角）表示方法：倾向∠倾角，如：66º∠50º（常用）走向/倾向∠倾角，如：156º/66º∠50º方向定量：规定N为0（或360º）；E为90º；S为180º；W为270º倾斜平面的产状要素二、线状结构的产状要素1.倾伏向：某直线（下端）在水平面上的投影所指的方向2.倾伏角：某直线与水平面的交角（最大交角）表示方法：倾伏向∠倾伏角，如：45º∠51º3.侧伏角：直线在倾斜平面上时，该线与该平面走向线的锐夹角4.侧伏向：锐夹角所在的走向线那一端的方向表示方法：侧伏角侧伏向，如：15E线理的倾伏角与侧伏角第二节水平岩层（未经变动的新岩层）水平岩层的主要特征1.岩层界线与等高线平行或重合2.老岩层在下(谷底），新岩层在上（山顶）3.岩层顶、底之间的高差为岩层的厚度4.出露宽度是顶、底面露头线的水平距离，取决于岩层厚度、地面坡度倾斜岩层—“V”形法则1.岩层倾向与地面坡向相反露头线与等高线同向弯曲露头线曲率＜等高线曲率2.岩层倾向与地面坡向一致(1)岩层倾角＜地面坡角：露头线与等高线同向弯曲露头线曲率＞等高线曲率(2)岩层倾角＞地面坡角：露头线与等高线反向弯曲第三节地层接触关系一、整合和不整合1.整合接触（1）特点：两套地层产状一致，沉积连续，生物连续，无构造运动（2）过程：下降、沉积—再下降、再沉积2.假整合（平行不整合）接触（1）特点：两套地层产状一致，地层缺失，生物间断，有升降运动，但不强烈缺：无沉积，因地壳上升；失：有沉积，被剥蚀（2）过程：下降、沉积—上升、沉积间断、剥蚀—下降、沉积3.不整合（角度不整合）接触（1）特点：两套地层产状不一致，地层缺失，生物间断，有强烈构造运动（褶皱、断层、变质、岩浆活动）（2）过程：下降、沉积—强烈构造运动—下降、再沉积3.假整合接触1.整合接触2.角度不整合接触角度不整合二、不整合的观察和研究1.研究意义（1）研究地质发展历史；（2）鉴定地壳运动特征；（3）确定构造变形时期；（4）划分地层、构造单元；（5）了解古地理特征和古构造状态；（6）寻找沉积、热液性矿床和石油、天然气田2.研究内容（1）确定不整合（其标志）①古生物：上下两套地层中化石代表的时代有大的间断②沉积侵蚀：有古侵蚀面、古风化壳、古土壤、底砾岩、残积矿床（铁帽、铝土矿、磷矿、沙金）等③构造变形：上下两套地层产状不同，构造线变化，褶皱样式、断层类型、变形程度差异，下部地层中的断层被上覆地层截切④岩浆活动：上下两套地层中岩浆岩系列的成分、产状、规模、强度积热液矿床差异⑤变质程度：上下两套地层变质程度差异（2）不整合时代的确定①缺失地层的年代②下伏最新地层之后；上覆最老地层之前③侵入的岩浆时代之前；剥蚀的岩浆时代之后④被截切断层之后；贯穿上下两套地层的断层之前⑤古风化壳的年代（3）不整合的空间展布和变化不同地段、不同部位强度、性质均有变化，综合考虑区域多种因素第三章应力分析基础原教材：应力应力场调整为：几个基本概念（教材内容）常见的应力状态分析（扩展的内容）第一节应力（几个基本概念，其中：一~六自学为主）一、面力和体力1.力：物体相互间的一种机械作用2.接触力：物体与物体间的作用力3.面力：作用在物体表面的接触力4.应力集中：接触面积与物体边界面积比量级很小时，即集中5.体力：非接触力作用在物体内部每一支点上时，为体力应力集中应力集中二、外力和内力1.外力：外界物体向研究物体施加的作用力2.内力：外力作用引起的物体内部各点之间的相互作用力三、截面上的应力、正应力、剪应力1.应力：在外力作用下，物体内任一截面单位面积上的受力大小2.正应力：垂直截面的应力，以σ表示3.剪应力：平行截面的应力，以τ表示四、主应力、主方向、主平面1.主应力：某一截面上只有正应力，没有剪应力时的正应力2.主方向：主应力的方向3.主平面：垂直于主应力的平面五、应力场物体内各点应力状态在物体内占据的空间总和六、应力莫尔圆应力分析的图解方法，指示某一点的应力状态。七、应力椭球体σ1—最大压（最小拉）应力轴；σ2—中间应力轴；σ3—最小压（最小拉）应力轴故：σ1＞σ2＞σ3应力椭球体第二节应力分析一、应力分析简介1.常见的应力状态：单轴应力状态：一个主应力不为零，其余两个均为零双轴应力状态：一个主应力为零，其余两个均不为零三轴应力状态：三个主应力均不为零，且σ1＞σ2＞σ32.二维应力状态分析（平面应力状态分析）若：有两轴主应力(σ1，σ2)作用在斜截面(AB)上，且σ1＞σ2，σ3=0；求分析斜面(AB面)上的应力状态。规定：AB—AB面的截线，单位长度α—AB法线与σ1的夹角∵AB=1(单位长度)，∴OA=sinα,OB=cosα又∵σ=P/A,P=σA∴在OA面上的力P2=σ2OA=σ2sinα,在OB面上的力P1=σ1OB=σ1cosα（1）在垂直AB面上的力：（P1和P2的分力之和）即：Pn=P1n+P2n=P1cosα+P2sinαAB面上的正应力：σα=P1cosα+P2sinα=σ1cosαcosα+σ2sinαsinα=σ1cos2α+σ2sin2α=(1)（2）在平行AB面上的力：Pt=P1sinα+P2cosαAB面上的剪应力：τα=σ1cosαsinα+σ2sinαcosα=(2)cos2α2σσ2σσ2121sin2α2σσ21讨论：由(1)：当α=0时，cos2α=1；σα=σ1（最大）；σ2不起作用说明：垂直该面的应力对该面作用最大平行该面的应力对该面无作用由(2)：当α=0º时，τα=0当α=90º时，τα=0（2α=180º）当α=45º时，τα达最大值（2α=90º）即：说明：与主应力呈45º的面上剪应力最大易产生剪切sin2α2σστ21α第四章岩石应变分析基础一、变形与变位1.变形：岩石体受到应力作用后，其内部各质点经受了一系列的位移，使岩石体的初始形状、方位或位置发生了改变。2.位移：物体内各质点的位置在变形前后的相对变化。（平移、旋转、体变、形变）平移、旋转：改变坐标，不改变形态（内部各质点相对位置不变）体变、形变：改变体积和形态（内部各质点相对位置改变）自然界中的位移常是综合性的（平移、旋转、体变、形变共存）体变平移旋转形变平移未变形二、应变的度量（应变测量）1.线应变：（1）定义：变形前后线段长度的变化（ε）（2）应变量计算：A.单位长度比：式中：ε—线应变量；l0、l1—变形前、后同一线段的长度比（伸长为正