构造地质学-课件3

第3章地质构造分析的力学基础地质构造是岩石变形的产物。岩石变形是在外力作用下，内部质点发生位移的结果。要深入研究构造发生、发展的规律及其形成机制，需要学习和了解有关岩石变形的力学基础知识。第3章地质构造分析的力学基础内容：1.应力分析2.变形分析3.影响岩石力学性质与岩石变形的因素2020/5/43一、外力、内力和应力1.力物体间的相互作用，使物体发生运动状态的改变；力是矢量，要素有大小、方向和作用点；力的合成及分解2020/5/442.外力和内力1)外力——另一物体所施加的力①面力：通过物体接触面传递的力，也称作表面力。②体力：作用于物体内部所有质点的力，如重力、磁力2)内力——物体内部质点之间的相互作用力①固有内力：在没有外力作用时物体内质点间的相互作用力，它保持物体的形状和状态②附加内力：在外力作用下固有内力的改变量，它引起物体不相关和状态的改变附加内力常称为内力2020/5/453.应力——作用于单位面积上的内力σ＝P／A(orσ＝dP／dA，当应力分布不均匀时)P―附加应力,A―截面积2020/5/46当截面与应力方向不垂直时，作用在该斜截面上的合应力可分解为垂直于作用面的正应力和平行于作用面的剪应力特别注意：应力与作用面密切相关•σPPAασnσατA0αA04、应力的分解2020/5/47正应力亦称作直应力，以σ或σn表示。σ＝dN／dAa(压为“+”，拉为“－”)与材料力学中的规定相反剪应力亦称作切应力，以τ或σs表示。τ＝dT／dAa(逆时针为“+”，顺时针为“－”)dPMdAdNdTdTdT-+2020/5/48二、应力状态与应力椭球体1.弹性力学证明：任何受力物体内部总是能够找到三个相互垂直的面，其上只有正应力而无剪应力。σ2σ1σ3σ1σ2σ32020/5/492.主平面：S1,S2,S33.主应力：σ1≥σ2≥σ3。4.主应力轴：主应力σ1，σ2，σ3的方向线5.应力差（差异应力）：σ1-σ3，能引起物体形态变化。σ2σ1σ3σ1σ2σ32020/5/4106.应力椭球：以s1，s2，s3为主轴的椭球体σ1σ2σ3，符号相同直观表达物体受力状况。7.应力椭圆：应力椭球的三个主应力方向的切面2020/5/4118.常见的几种应力状态：单轴压缩：σ1﹥σ2＝σ3＝0拉伸：σ1＝σ2＝0﹥σ3双轴双轴压缩：σ1﹥σ2﹥σ3＝0压缩—拉伸(平面应力状态):σ1﹥σ2＝0﹥σ3双轴拉伸σ1=0＞σ2＞σ3，三轴：三个主应力都不等于0σ1≧σ2≧σ3，一般应力状态σ1＝σ2＝σ3﹥0：静水压力(只引起物体体积变化)2020/5/412三、二维应力分析―摩尔圆图解法1.单轴应力状态的二维应力分析P1P1=s1A0A1A0ana2020/5/413P1N1A1P1T1αA0α2020/5/414Oσ2=0τσD′(σ1/2,0)(σ1,0)摩尔圆2020/5/415Oσ2=0τσDD′(σ1/2,0)α2α(τα,σα)(σ1,0)应力莫尔圆：表示物体中一点的二维应力状态(a取任意值)2020/5/416a=0时,t=0,s最大；a=450,|t|=Max;任意两个相互垂直面上剪应力t大小相等，符号相反。P1P1=s1A0A1A0naaOσ2=0τσDD′(σ1/2,0)α2α(τα,σα)(σ1,0)2020/5/417sb=s2cos2bt=s2sinbcosb-------b=a+90°P2P2Absbsb合tbA0αb=a+90°2.双轴应力状态的二维应力分析sb合A0αb=a+90°2020/5/418s=sa+sb=s1cos2a+s2cos2b=s1cos2a+s2cos2（a+900）assss2222121Cos-=battt=asas222221SinSin-=ass2221Sin-=2.双轴应力状态的二维应力2020/5/419σ2τσDD′α2ασ12020/5/4203.八种应力状态的二维应力摩尔圆特征a)静水拉伸e)一般拉伸d)单轴压缩f)一般压缩b)静水压缩c)单轴拉伸g)拉伸压缩h)纯剪应力2020/5/421四、三维应力分析2.三维应力莫尔圆三种特殊情况：截面分别平行于σ1，σ2和σ3的情况2020/5/422五、应力场、构造应力场、应力轨迹和应力集中1.应力场：受力物体内部各点瞬时应力状态的组合均匀应力场：各点应力状态相同（可以按点应力方法处理）非均匀应力场2.构造应力场：地壳内一定范围内某一瞬时构造应力状态的组合。按规模分为：局部、区域、全球按时间分为：现代、古代2020/5/4233.构造应力场的表示方法：应力轨迹(应力迹线)方向—主应力和剪应力方向轨迹图大小—应力等值线图通常：最大主应力和剪应力2020/5/4244.应力集中问题在岩石先期断裂的端点、拐点、分支点、错列点和待交汇点容易出现应力集中，其结果是最先遭到破坏。构造地震——岩石脆性断裂(地震预报的基本任务之一是确定地壳中应力集中的区域)第3章地质构造分析的力学基础1.应力分析1)外力、内力和应力2)应力状态和应力椭球3)二维应力分析―摩尔圆图解法4)三维应力分析5)应力场、构造应力场、应力轨迹和应力集中第3章地质构造分析的力学基础内容：1.应力分析2.变形分析3.影响岩石力学性质与岩石变形的因素2020/5/427一、变形和应变的概念1.变形：物体受力后内部质点之间相互位置发生变化（形态、体积改变）五种方式：拉伸、挤压、剪切、弯曲、扭转2020/5/4282.应变：变形程度的度量应变1~3％——小变形应变＞3％——大变形（有限变形）2020/5/4293.线应变和剪应变线应变：物体内某方向单位长度的改变量L0L1泊松比为正值，且不超过0.5长度比：S=l/l0=1+ε2020/5/430剪应变()：相互垂直的两条直线变形后它们之间直角的改变量为角剪应变(Ψ)，它的正切函数称剪应变()＝tanψψ－变形后偏离直角的量右行(顺时针)剪切为正aa′bcdd′2020/5/4314.均匀变形和非均匀变形均匀变形：各部分的变形性质、方向、大小均相同。特征：变形前的平面、直线变形后仍保持平面和直线；变形前相互平行的平面和直线变形后仍保持平行。2020/5/432非均匀变形：物体内部各部分变形的方向、大小和性质不一致。非均匀连续变形可以分解成若干部分，按均匀变形的方法加以研究。2020/5/4332020/5/4345.主应变和应变主方向在均匀变形条件下，变形物体内部总是可以截取这样一个立方体，其三个相互垂直的截面上只有线应变而无剪应变，这三个线应变称为主应变，这三个主平面称为主应变面。最大伸长方向：最大应变主方向(λ1)或最大主应变轴(XorA)最大压缩方向：最小应变主方向(λ3)或最小主应变轴(ZorC)中间应变主方向(λ2)或中间主应变轴(YorB)2020/5/435二、应变椭球体设物体内部单位圆球(Ｒ＝１)变形成椭球，规定–λ１（X,A）为最大应变轴（1）–半轴长＝–Cλ２（Y,B）为中间应变轴（或＝或１）Cλ3（Z,C）为最小应变轴（１）1101=LL1.应变椭球体主应变面：包含任意两个主应变轴的平面λ1λ2λ1λ3λ3λ2λ=(1+ε)2ε=(l-l)/l=Δl/l000λ1λ3λ22020/5/4362.椭球方程λ(X,A)1λ(Z,C)3λ(Y,B)22020/5/4373.在构造分析中的应用形象表示构造发育的空间方位1.XY（AB）面—最大压扁面，用来表示轴面，片理方位2.YZ（BC）面—张性面，张节理发育的方位3.X(Ａ，λ1)轴—最大拉伸方向，通常是矿物定向延伸排列的方向2020/5/438不变歪面和均变歪面：三轴应变椭球过λ2的两个圆截面AB面、C轴BC面：∥张裂面A轴2020/5/439应力椭球体：以s1，s2，s3为主轴的椭球体σ1σ2σ3，符号相同直观表达物体受力状况。2020/5/440形象表示构造发育的空间方位1.XY（AB）面—最大压扁面，用来表示轴面，片理方位2.YZ（BC）面—张性面，张节理发育的方位3.X(Ａ，λ1)轴—最大拉伸方向，通常是矿物定向延伸排列的方向λ(X,A)1λ(Z,C)3λ(Y,B)2应变椭球体2020/5/441应变椭球体中的主应变面（XY，YZ,XZ）面与主应力有什么关系？*2020/5/4424.单剪应变和纯剪应变根据应变椭球体应变主轴方向物质线方位改变与否，可以把平面应变分为单剪应变(旋转变形)和纯剪应变(非旋转变形)二者都为均匀变形2020/5/443单剪应变：层间滑动而成，体变为零，应变椭球主轴方向发生旋转纯剪应变：应变椭球主轴方向无旋转，中间应变轴方向的应变为零2020/5/4441.概念：应变状态发生连续变化的变形过程三、递进变形用于理解和描述变形过程（演化）2020/5/4452.全量应变和增量应变2020/5/4463.共轴递进变形和非共轴递进变形a)共轴递进变形：增量应变椭球的主轴方向与全量应变椭球主轴方向始终保持一致。递进纯剪变形2020/5/4472020/5/448递进变形过程中，变形物体内部不同方向的物质线可以有不同的拉伸和压缩变形历史（不属两期变形的产物）2020/5/449b)非共轴递进变形：变形过程中，增量应变椭球体的应变主方向与全量应变的主方向时刻不同(单剪应变)2020/5/450岩石有限应变测量可以帮助了解变形构造内部和区域的应变状态及变化，加深对构造特征、成因、形成过程的理解，揭示构造之间的关系，推究变形时的应力状态和构造力的作用方式四、变形岩石的应变测量2020/5/451原理：根据标志物求取有限应变椭球体方法：测量和统计变形岩石内已知原始形状的标志物变形后的形态变化，加以分析对比，计算线应变和剪应变。2020/5/452标志物类型：原始为圆球或椭球的标志物(如鲕粒、砾石)。2020/5/453已知原始形状的其它标志物(砾石、化石、晶体)具体方法参照Ramsay《现代构造地质学方法》郑亚东《岩石有限应变测量和显微构造》第3章地质构造分析的力学基础内容：1.应力分析2.变形分析3.影响岩石力学性质与岩石变形的因素2020/5/4551.弹性变形阶段弹性极限(σy)：受力超过这一数值后，岩石发生永久变形sB一、岩石变形的阶段2020/5/4561.弹性变形阶段2.(韧性材料)比例极限sp：受力在这一数值以下，变形遵循胡克定律:s＝Ee(E-弹性模量)sB2020/5/4572.塑性变形阶段屈服极限σγ：强度极限sB：受力超过这一数值后，岩石发生破裂。sBAC2020/5/4583.断裂变形阶段强度极限σB：受力超过这一数值后，岩石发生破裂。sBAC2020/5/4594.材料性质：脆性材料：断裂发生前塑性变形5％脆-韧性材料:断裂发生前塑性变形5％～10％韧性材料：断裂发生前塑性变形10％材料性质？–花岗岩、橡胶、粉笔、馒头、沥青2020/5/460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)－5.常温常压下各类岩石的强度极限(单位MPa)抗压强度﹥抗剪强度﹥抗张强度2020/5/4616.岩石的脆性破坏试验和自然界宏观破裂的主要形式1.张裂——位移方向垂直于破裂面2.剪裂——位移方向平行于破裂面2020/5/462张裂2020/5/463剪裂2020/5/4647.岩石韧性变形的机制a)粒间滑动：b)粒内滑动：c)压溶重结晶作用2020/5/465经验公式(σ1