第三章-地质构造分析的力学基础.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,构造地质,Structural Geology,第三章 地质构造分析的力学基础,The third chapter geological structure analysis of mechanics foundation,主 讲 教 师,主讲教师,：,周仁元,办公地点：江西应用技术职业学院,Tel,：,手机：,QQ:781832580,e-mail:,1.,了解应力、变形、应变椭球体的概念；,2.,初步掌握固体岩石变形的方式及变形阶段；,3.,初步掌握单轴应力状态下的应力分析,4.,初步掌握应变椭球体的特征；,5.,了解影响固体岩石变形的主要因素；,6.,初步掌握蠕变与松驰在地质事件中的作用与地位,第三章 地质构造分析的力学基础,本章教学目的,第一节：力和应力,一、外力、内力、应力,力是物体间的相互作用，力可以改变物体运动状态，物体受力会发生变形，力有三要素：,大小、方向、作用点，为矢量。,、外力（,F,）,P,其它物体作用在所研究物体上的力称,外力,。,它分为：,面力：,指通过接触面传递,体力：,不通过接触，物体内每个质点都受到的力，如引力。,、内力,是同一物体内部各部分之间的相互作用力。,未受力时，内部质点间的力，使物体平衡，固有内力受力时，新平衡间的力，称附加内力。附加内力阻止物体继续变形并力图恢复其原来的形状，我们探讨的 内力，即指着附加内力。,、应力,在外力作用下单位面积上的内力大小，或应力是外力的度量。,材料力学中用截面法研究应力。,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。,第三章 地质构造分析的力学基础,二、应力状态与应力椭球体,、应力状态,当物体受力作用后，内部质点间的应力分布是不相同的，为了研究内部的应力分布，常从点应力状态入手，即通过物体内部任意点总是可以截取这样一个单元体，使其这个面上都只有正应力，而无剪应力，那么这三个方向的正应力称为主应力，这三个主应力大小相等，也可不等，即可为压应力，也可为张应力。,若三个主应力,1,=,2,=,3,，则物体只发生体积改变，而形状不变；若三个应力不等,1,2,3,，则形状改变，其变化大小决定于应力差,1,（最大）,3,（最小）。它的存在是物体变形的根本之所在。,此外，每主应力作用方向线称为主应力轴，而对应应力的作用面则称为主平面，如右图,3-1 S,1,、,S,2,、,S,3,。,图,3-1,作用于单元体的三个主应力（,1,、,2,、,3,）,及三个主平面（,S,1,、,S,2,、,S,3,）,第三章 地质构造分析的力学基础,物体中一点的空间应力状态可依应力椭球体的形状分为以下：,1.,三轴应力状态（空间）,自然界中最普遍的,1,2,3,2.,双轴应力状态（平面）,1,0 ,3,0 ,2,=0,3.,单轴应力状态（线状）,即,1,0 ,2,=,3,或,3,0 ,1,=,2,地质工作者在一般情形下，对地质构造现象的分析中，多采用此法，化繁为简，抓住最初步的规律。如今后要讲的褶皱的形成，地堑的形成机制。,、应力椭球体,当主应力,1,2,3,时，可按一点的主应力矢量为半径作出一个椭球体称为,应力椭球体,。,三轴应力椭球体透视图（,A,）,和椭球体每一主平面（,B,）,第三章 地质构造分析的力学基础,三、应力分析 （单轴应力状态二维应力分析）,在地质构造分析中，应力的分解不是任意的，通常只有当力与截面斜交时，才能分解，平行的剪应力，正交的正应力,，其主应力,1,与正应力和剪应力的关系如下图：,s,1,P/A,a,P/A,0,cos,a,s,1,cos,a,（,3-1,）,s,s,1,/,2,（,1+,cos,2,a,）,s,1,cos,2,a,（,3-2,）,P,P,A,s,s,1,A,0,s,1,/,2,sin,2,a,（,3-3,）,第三章 地质构造分析的力学基础,四、应力集中的概念,物质内部的缺陷所在，会引起局部应力集中。,地壳就象打碎了的盘子，到处都为断裂分划或透入，它在地表纵横交错，在地下盘根错节。因此，地壳中应力集中的机遇是常见的，如断裂端点、拐点、分叉点、交叉点常孕育破坏性的地震。,日常生活中，我们用钢笔（蘸水笔）写字，也会发生应力集中，为防断裂在笔上方挖一个洞，就是为了释放应力。,1.,构造地震,岩石脆性断裂,2.,地震预报的基本任务之一是确定地壳中应力集中的区域,释放应力还可将破坏性大地震转化为小地震，如在美国西海岸的圣安德烈斯断层上打钻。,小贴士,思考：你知道为什么篮球要做成圆形的吗？,结论：,篮球做成圆形，每拍一次篮球都能使得篮球的点应力得到集中。,第三章 地质构造分析的力学基础,=L/L,1/100,L,1,-L=L,2,=0,、,01/10-0,、,01=0,、,001=1/999,1,=0,、,01/1-0,、,01=0,、,01=1/99,则上述：,、应变方式,1.,线应变：,物体变形后的相对伸长（或缩短）量。,L,L,1,P,P,第三章 地质构造分析的力学基础,、变形的基本类型,1,.,均匀变形（压、张、剪）,2.,非均匀变形（弯曲、扭转）,各点变形的方向大小和性质变化的变形称为,非均匀变形。,地质构造讨论的褶皱就属于非均匀变形。,各部分的变形性质，方向和大小都相同的变形称为,均匀变形。,第三章 地质构造分析的力学基础,三、岩石变形的阶段,岩石是具有,弹、塑、粘、脆,等性状的，地应力是如何支配着变形的发生与发展呢？通过实验分析得到其岩石变形进化序列如下：,岩石的纯粹弹性变形在地壳中不易留下变形的痕迹，因此研究地质构造无直接意义，但在地震、物探、工程建筑等诸方面具有重要意义。如坑道里常发生的岩爆，就是弹性回跳所致。,（一）弹性变形和阶段,变形程度与外力大小呈正比。,遵循虎克定律,=E,应力应变曲线,第三章 地质构造分析的力学基础,1.,粒间滑动,发生在岩石颗粒之间位移滑动但是颗粒本身,大小,和,形状,未发生改变,例 在低温条件湿度大未固结岩石的变形以此变形为主,（二）、塑性变形阶段,、概念,施力：,物体变形达到,C,点以后,去力：,变形不能全部恢复原状这种变形称为塑性变形，亦称（剩余变形或永久变形）,、说明一下：,C,为屈服极限，施力超过,C,，不再施力，物体也会发生塑性流变。,地壳中的褶皱构造，就是弹塑性变形的产物。,、塑性变形的微观机制,岩石内部质点受力后会发生滑动位移，即沿滑动面发生晶格位错，有两种方式：,第三章 地质构造分析的力学基础,2,.,粒间滑动（一般发生在较硬岩石中）顾名思义：其位移发生在颗粒内部，又分为：,（,1,）平移滑动,（,2,）双晶滑动 （,3,）压溶、重结晶,受压应力作用压力大的方向发生溶解，压力小的方向上发生沉淀（李开定律）地质构造上称此为,压力影构造,在北京西山地区常见此现象,岩石塑性变形时的双晶滑动,A,滑动前的状态；,B,沿,g,1,g,1,、,g,2,g,2,发生滑动的原子排列状态,压溶、重结晶,第三章 地质构造分析的力学基础,（三）断裂变形阶段,应力超过或达到强度极限时，岩石失去完整性，这时的变形称为,断裂变形。,常温常压下某些岩石的强度极限,也就是说同一岩石的强度极限在不同性质的应力作用下差异极大。,上面讲了三个变形阶段，事实上任何固体岩石（,与,曲线）都具有,弹、塑、裂,变形的三个阶段，其只是不同介质岩石变形有所差异而已，也可说，三个阶段是固体变形的三部曲，只是有时主要阶段掩蔽了次要阶段。,抗压,抗剪,抗张,岩 石,抗 压 强 度,（,MPa,）,抗 张 强 度,（,MPa,）,抗 剪 强 度,（,MPa,）,花岗岩,大理岩,石灰岩,砂 岩,玄武岩,页 岩,148,（,37379,）,102,（,31262,）,96,（,6360,）,74,（,11252,）,275,（,200350,）,（,2080,）,35,39,36,13,1530,1030,1020,515,10,2,第三章 地质构造分析的力学基础,固体岩石破裂的行为,第三章 地质构造分析的力学基础,值得指出：,破裂脾气，依材料性能而异。,塑性材料,指在常温常压时，岩石受力到弹性极限（屈服点）以后，还要经历较长的形变该种材料称为,塑性材料。,脆性材料,指形变达到强度极限后，岩石产生,破裂,，该材料称为,脆性材料,。,塑性岩层产生,细颈化,或,透镜体化,，产生,举矩形,或,无细颈化,重申：,一般共轭剪裂面的锐角角平分线指主压应力方向，但不能绝对（必）要考虑固体岩石性状等因素。,递进变形,在同一动力持续作用的变形过程中，如果应变状态发生连续的变化，这种变形称为,递进变形,。,这指是岩石变形的历史过程，这涉及变形时空间。,第三章 地质构造分析的力学基础,、,有三个固定大小的轴：,长轴（,A,轴）,最大拉伸变形轴（最小缩短方向）,短轴（,C,轴）,最短缩短变形轴（最小伸长方向）,中间轴（不变轴）,中间变形轴,长轴：,指示物质塑性流动或伸长方向，角闪石长条形定向。,短轴：,指示主压力方向，这是应力分析的主要定夺的方向如轴面，,无伸缩轴：,变形甚微、共轭剪节理的交线，即,B,轴。,利用应变椭球体原理，可,予测岩石破裂方向，及“米”字型规则。如右图,应变椭球体应用图,应变椭球体在地质构造分析中运用,第三章 地质构造分析的力学基础,第三节,影响固体岩石变形习性的因素,一、岩石的能干性,即岩石抵抗流变的能力,强硬,岩石抵抗流变的能耐,大,能干,，如：白云岩、砂岩等。,软弱,岩石抵抗流变的能耐,小,不能干,，如：页岩、粘土、石膏、煤层等。,岩石的能干性,强弱,，除决定本身的,性质,，还赖于外界因素。例如湖北大冶灰岩，本来坚硬，但当它呈薄层状时，地质变形中则不能干。,、有三个互成直角的对称轴面,AB,面：,承受最大压应力作用，反映着最大压应力的变形岩石。,BC,面：,引张裂面，承受最大张应力作用与,A,轴垂直。,共轭圆截面（不变歪面）：,两组交线代表,B,轴方向，亦是剪节理面的生存处。,第三章 地质构造分析的力学基础,、岩石的粘结性（易滑性）,同一种石英砂岩，由于胶结类型，胶结物不一，它的杨氏模数就不同，它产生的变形效应亦不同,、岩层厚度,在某种意义上讲，对变形具有决定性。,例如：厚层状，形成的褶皱平缓、发育完整。,薄层状，形成褶皱形态复杂，无规律。,、岩层的成层性,成层性愈,好,，愈,易变形,。,成层性愈,差,，愈,不易变形,。,第三章 地质构造分析的力学基础,三,、,岩石变形的地质环境（亦称外界因素）,1.,效应,提高了弹性极限，大大提高了强度极限，总表征为塑性的能力增强了。,2.,原因,由于围压的存在，其各质点更靠近了，使其结合力增大（,增强内聚力,），所以破坏就更难了，则体现在强度提高了。如图,、围压（静岩压力）,深居地下的每一岩石单元体，其四面八方都要受到压力，称为围压。深度每降,1,公里，要增大,250-270,个大气压，由此产生：,第三章 地质构造分析的力学基础,、,温度,学地质的都知道，地温梯度每降,100m,地温升高,3,，亚洲地温梯度：,2,、,5/100m,1.,效应,：,塑性增高（软化），弹性和强度极限都降低了，易变形。,温度和溶液对大理岩变形的影响,2.,原因,:,岩石质点的热运动增强，减弱它们间的联系能力，从而利用质点位移。例如：日常生活中，钢笔扭不动，加热就扭得开；圆珠笔加热字迹更清晰，固体岩石变形则如右图,第三章 地质构造分析的力学基础,、应力状态,压挤力：,使岩石,塑性,增大，即易产生,延,性（流变能力），破裂行为；,剪裂,。,伸张力：,使岩石,脆性,增大，即易产生,刚,性（破坏能力），破裂行为；,张裂,。此外，岩石的形变规律：岩石最怕,拉伸,、次为,剪切,、最后为,压缩,。一般讲，抗压能力大于抗张能力的,30-50,倍，挤压能力为抗剪能力的,10,倍。,第三章 地质构造分析的力学基础,四、岩石变形的时间效应（影响变形的重要因素）,地质上：水滴石穿就包含着时间，毫不例外，岩石变形在时间的作用下，有时表现到我们难以置信的地步，（地质上的时间都是以,Ma,计）如：阿尔卑斯推覆体推几十公里，上百公里，并不需要很大的力，但时间悠久推覆的距离很远。,、施力快慢,1.,表象,沥青 常温常压下：,快击,破裂显脆性,沥青 常温常压下：,施力慢,弯曲变形显塑性,2.,原因,慢施力,，物质内部质点有充分时间进行调整，重新排列，变形显塑性。,第三章 地质构造分析的力学基础,、重复施力,1.,表象,一次力很小，没达到弹性极限，但多次反复施力也使物体破坏，如折铁丝。,2.,原因,每施一次力，就要消耗物体抵抗的能量，多次施力造成物体疲劳，从而超过忍耐强度最终破裂。,第三章 地质构造分析的力学基础,例如：弯犁弯（如右上图）,又如湖北姊归县某磷矿，蠕变滑坡土石方,1600,万吨（,50m,厚，宽,80m,，长,150m,）死亡人,285,，一人幸存，四层楼漂流，撞击，反弹。原因：矿山矿柱留的少，时间长发生蠕变，引起地质灾害。,（,2,）,（,1,）,弯犁弯过程,蠕弯,地质时期产生的蠕变,、蠕变和松弛在地质事件中的作用。,1.,蠕变：,指给岩石一个恒定的应力后，不再增加，随着时间增长应变增大。,第三章 地质构造分析的力学基础,3.,蠕变与松驰在地质事件中的作用,地质时期的地壳运动是螺旋式的发展，每一次的地壳运动就是,蠕变,，每一次构造运动期就是,松驰,，二者的交替遵循辩证法形成，诸如：加里东运动、海西运动、印支运动、燕山运动、喜马拉雅山运动，陈国达教授对此有精辟的论处,加里东运动,海西运动,印支运动,燕山运动,喜山运动,蠕变与松驰在地质事件中的作用,2.,松弛（驰豫）,指应力不变，随时间增长（延长），应力相应减小。,第三章 地质构造分析的力学基础,1.,名词解释：外力、内力、应力、正应力、剪应力,蠕变、松弛、应变椭球体、递进变形、应力状态。,2.,在单轴应力状态下，如何分析岩石受力情况？,3.,试述岩石的变形方式有哪些？,4.,岩石的变形阶段有几种？,5.,试述固体岩石破裂的行为？,6.,试述应变椭球体组成与地质构造的关系,7.,试述在脆性岩石中，为什么剪裂角总小于,45,？,8.,影响岩石力学性质和变形的主要因素有哪些？,作业及思考题,第三章 地质构造分析的力学基础,