岩石力学蔡美峰版读书笔记文档格式.docx
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本课程的主
要内容包括四大部分:
沉积岩层的产状特点及有关力学分析基础;
榴皱构造的特
征及研究方法;
断裂构造的基本类型以及它们的特点;
大地构造的基本理论和研
究方法。
:
阐明地壳构造在空间上的相互关系和时间上的发育顺序,探讨地壳构造的
演化和地壳运动规律及其动力来源。
构造地质学的学科发展对整个地球科学的理
论建设具有重大作用。
应用地质构造的客观规律指导生产实践,解决矿产分布、水文地质、工程
地质、地震地质、石油地质及环境地质等方面有关的问题。
3.构造地质学的特征及研究方法
构造地质学研究对象是地壳或岩石圈的地质构造,而绝大多数地质构造又是
漫长的地质历史过程中历次地壳运动的产物。
所以,人们既不可能直接看到当初
它们变形的环境和过程,也不可能在实验室中以同样的规模和时间过程来再造它
们。
对它们的研究,只能通过观察、研究它们的变形遗迹
•各种地质构造的形
态、产状及它们之间的相互关系,并结合其他资料加以综合分析,推测它们的受力变形的情况,进而探讨其区域应力状况及其所反映的地壳运动的性质和特点。
这种研究方法称为反序法”它是研究构造的一种最基本的方法。
这种方法的主要任务有:
1.对地质构造进行几何分析和空间分析---观察、测量、描述。
2.对地质构造进行历史分析,即阐明各类地质构造的形成时代及其发育顺序。
3.对地质构造进行力学分析和成因分析----鉴定构造的力学性质。
第二章沉积岩的原生构造及原生产状
沉积岩是地壳表层分布最广泛的岩石,其分布面积约占地球大陆面积的75%。
大陆地壳表层的地质构造很多是沉积岩形成的。
观测分析沉积岩层的原生构造、岩层产状和接触关系,是研究地质构造的一项基础工作。
第一节.
沉积岩层的原生构造
1.岩层的概念由于先后沉积的物质在成分、粒度、颜色、形状等方面的差异,沉积岩显示出游明显的成层现象,称为层状构造。
同一岩层的成分、结构和颜色大体上是一致的,并由两个相当清楚的界面将其与上覆岩层和下伏岩层分隔开。
但在同一岩层内,沿垂直层面方向的剖面仔细观察,还会发现有颗粒粗细、颜色深浅甚至含有其他物质多少的变化。
根据这些变化,岩层内还可以细分为若干更小的层。
所以,层又是岩层的基本组成单位,一个岩层可以由一个或几个层组成。
岩层的形成过程是内力地质作用和外力地质作用相互影响、相互制约的过
程。
如一个处于地壳不断下降过程中的接受沉积的坳陷盆地,在其边缘沉积了砾石,向盆地内部逐渐过渡为砂、细砂、粘土等物质,在离岸更远的地方为较稳定的化学沉积。
这些沉积物成岩以后就分别形成了砾岩、砂岩、页岩、泥灰岩或石灰岩等(图2-2(a))。
如果地壳继续下降,沉积区不断扩大,沉积区段发生变化,在原来砾石层上面又沉积了砂岩,原砂层上面又沉寂了细砂或粘土等,使水
平方向和垂直方向均呈现出由粗到细逐渐过渡的关系(图2-2(b))。
有时沉积下降速度明显变化,造成沉积环境的明显变化,使上、下两套沉积物在物质成分、
结构和颜色等方面均有明显的差异(图2-2(C))。
这种相互重叠并有明显差异的地质体,成岩以后再构造上的明显特征是具有层状构造。
同一岩层在形成过程中,由于气候条件,水流大小,物源供应等外力地质因素发生变化而显示出层理和层。
因此,任何一个岩层都是一次地壳升降运动所造成的沉积单位,其性质受一定的时间、空间和自然地理环境所控制。
同一岩层顶、底面之间的最短距离,就是岩层的厚度(真厚度)。
由于沉积环境和条件的不同,岩层的厚度区域分布有变化,有的岩层在较大范围内厚度不变或基本一致,形成厚度稳定的板状岩层;
有的岩层在较小范围内明显地向一个方向增厚,而向另一个方向变薄甚至灭尖,称作岩层的灭尖现象;
有的岩层中间厚而向两侧灭尖,形成透镜状岩层如图2-3
岩层厚度的这些变化,受当时堆积形成时地壳运动的升降速度和幅度以及古地理环境的影响。
因此,常采用测定各个地点、同一时代的岩层厚度数据,制作该时代岩层的等厚图(即岩层厚度等值线图)。
等厚图用来分析地壳运动的变化规律。
确定出隆起区和坳陷区,对寻找石油和天然气有一定的实际意义。
沉积岩原生构造不仅为研究和判断岩层形成时的古地理和地壳运动特征提供重要资料,而且有些原生构造(如层理、层面构造等)还是鉴别岩层顶、低面和确定岩层相对层序的重要依据。
了解这些构造特征,对观察分析构造形态,其额定岩层产状和岩石变形特征具有一定的指导意义,在某些情况下这些构造特征还具有特殊的作用。
2.层理及其识别
3.利用沉积岩层原生构造确定岩层的顶面和低面
确定岩层的新老层序是野外观察研究地质构造的一个重要课题。
这是因为岩层形成并经受构造变动,层序有的保持正常,有的产生倒转。
确定岩层的地质时
代和层序,主要是依据化石,但在某些情况下,尤其在缺乏化石的哑地层”中,
也可以根据岩层的原生构造或某些次生构造,通过判别岩层的顶、底面去确定其相对新老层序。
1.斜层理:
斜层理由一组或多组与主层面斜交的细层组成。
不同类型的斜层理,细层的倾斜方向也不同,可以向同一方向倾斜,也可向不同方向倾斜。
斜层理能用来确定岩层顶、底面的方向,其判别特征是:
每组细层理与层系顶部主层面成截交关系,而与层系低部主层面呈收敛变缓而相切的关系,弧形层理凹向顶面。
根据这个特点就可以确定岩层顶、低面。
2.粒级层理:
粒级层理又叫底边层理,它是由岩石颗粒的粒度大小变化显示出来的。
正常情况下,颗粒分布为下粗上细,其特点是在单层中从底到顶由砾岩或粗砂岩开始,向上递变为细砂岩、粉砂岩以至泥岩。
有的由砾至泥粒级递变完整;
有的部完整只有砾一砂,或砂一泥;
有的重复呈条带状出现,似间互层或韵律层。
粒级层理在海、湖相碎屑岩中很普遍。
它可以是水流机械搬运分级沉积的结果,也可以由浊流搬运形成的粒级浊积层。
在相邻两粒级层之间,下层顶面常受过冲刷,因而两层在粒度上或成分上不是递变二十突变。
根据粒级层理这种下粗上细递变的特征,可以确定岩层的顶、低面。
3.波痕:
波痕的成因和类型很多,能够用来指示岩层顶、底面的主要是对称型浪成波痕,它的波峰呈尖棱形,波谷呈圆弧形。
这种波痕无论是原形还是印模,都是波峰尖端指向岩层的顶面,圆弧形波谷凸向底面。
对称型浪成波痕主要发育在粉砂岩,砂岩及碳酸盐岩的表面,在细砾岩中叶可以看到。
4.泥裂:
泥裂也称干裂,是未固结的沉积物路出水面后经暴晒干涸时,因收缩而形成的与层面大至垂直的楔状裂缝。
泥裂常使层面构成网状、放射状或不规则分差状的裂缝。
剖面上则呈”V形或“U形裂口。
这些裂缝被上覆沉积物填充时,
使填充层的底面成脊形印模。
无论是楔形裂缝或脊形印模,其尖端均指向岩层的地面,即指向较老岩层。
泥裂常见于粘土岩、粉砂岩及细砂岩层面上,偶尔也见于碳酸盐岩层面上。
5.雨痕、雹痕及其印模:
雨痕、雹痕是雨点或冰雹落在湿润而柔软的泥质或
粉砂质沉积物表面上,击打出边缘略高于沉积物表面的原型或椭圆形凹坑。
凹坑总是分布在岩层的底面。
6.冲刷面:
固结或半固结的沉积岩层,在出露水面或在水下经水流冲刷,在沉积岩层顶面造成凹凸不平的冲刷面。
此后,这些不平整的冲刷面上有堆积物质时,被冲刷下来的下伏岩层的碎块和砾石,有可能在原冲刷沟、槽、坑出有堆积下来,形成自上而下由粗变细的充填物。
这种冲刷沟、槽、坑和下粗上细的充填物特征,可以作为判别岩层的顶、底面的标志。
7.古生物化石的生长和埋藏状态:
保存在岩层中的古生物化石,除了根据其种属确定地层的地质年代外,还可以根据某些化石在岩层内的埋藏保存状况和生长状态鉴定岩层的顶、底面。
第二节.岩层的产状、厚度及出露特征
1.水平岩层:
岩层层面保持近水平状态,即同一层面上各点的海拔标高相同或基本相同的岩层称为水平岩层,即水平岩层的倾角不超过5度。
在沉积盆地的中心部位或其他比较稳定的沉积环境中形成的沉积岩层,其原始产状一般都是水平或近似水平的。
岩层形成以后,受构造运动影响轻微,其产状基本保持了原始水平状态,习惯上也叫水平岩层。
水平岩层的分布规律:
年轻的新岩层分布在地形高出,时代越新,分布出露的位置越高;
时代老的岩层分布在地形的低处,时代越老,出露位置越低。
水平岩层的厚度与岩层顶、底面的高差相近;
下降所引起的区域性倾斜;
倾斜岩层在正常情况下,沿倾斜方向岩层的时代是由老;
倾斜岩层的露头形态:
当岩层倾向于地面坡向相反时,岩
层倾角小于地面坡度角时;
当岩层倾向于地面坡向相同时,岩层倾角大于地面坡度角时;
倾角小于地面坡度角时,倾斜岩层的露头宽度;
倾斜岩层的厚度和埋藏深度:
;
象限角表示法:
走向和倾向的表示方法:
方位角表示法:
第二章
水平岩层的露
地层岩层的原始产状态岩层的厚度与岩层顶、底面的高差相近。
头形态:
岩层的露头形态是指把岩层在地面实际出露的情况勾绘在平面图上所呈现的形态。
水平岩层的露头宽度:
水平岩层的露头宽度,是指其顶、底面在地
面上的出露界限之间的水平距离。
水平岩层的厚度:
就是水平岩层顶、底面之
间的垂直距离,即水平岩层顶、底面的标高差。
2.倾斜岩层:
由于地壳运动或岩浆活动,使原始水平产状的岩层发生构造变动,形成了与水平面有一定交角的
如为褶皱的
岩层,这种岩层就是倾斜岩层。
倾斜岩层可以是某种构造的一部分,
一翼或断层的一盘,也可以是地壳不均匀抬升或下降所引起的区域性倾斜。
如果一个地区的岩层向同一方向倾斜,倾角也大致相同,则成为单斜层或单斜构造
倾斜岩层在正常情况下,沿倾斜方向岩层的时代是由老到新的顺序排列的。
在构造变动剧烈的地区,岩层可能发生倒转,使得老岩层覆盖在新岩层之上。
当岩层倾向于地面坡向相反时,当岩层倾向于地面坡
向相同时,岩层倾角大于地面坡度角时;
当岩层倾角小于地面坡度角时,倾斜岩
法:
方位角表示法:
第三章地层的接触关系
第一节.地层的接触关系的概念
整和接触:
地层连续分布,没有地质时代上的间断,这种上、下地层之间的解除关系称为整合接触。
整合接触具有以下特征:
1.上、下地层在沉积顺序上没有间断,连续沉积;
2.岩性或所含化石都是一致的或递变的;
3.产状基本一致;
地层的整合接触反映了在形成这两套地层的地质时期内,该地区的地壳处于持续、缓慢下降的状态,或虽有短期上升,但是沉积作用不曾间断;
或者地壳运动与沉积作用处于相对平衡状态,沉积物一层层地连续沉积,这样就形成了两套地层的正和接触关系。
正和接触的沉积过程所反映的地壳构造运动状态是:
下降沉积一下降沉积,后期沉积物覆盖前期沉积物。
不整合接触:
上、下地层间的层序如果有了间断,即先后沉积的地层之间缺失了一部分地层,地层之间的这种接触关系称为不整合。
不整合接触可能代表没有沉积作用的时期,也可能代表以前沉积的岩石被侵蚀的时期。
不整合接触在上、下地层之间有一个沉积间断面,叫不整合面,不整合面在地面的出露线叫不整合线,它是重要的地质界线之一。
平行不整合:
平行不整合的主要表现是不整合面上、下两套地层的产状彼此平行,故又称假整合。
平行不整合的特征
平行不整合的形成过程:
下降沉积一上升、沉积间断和遭受剥蚀一再下降、再沉积。
平行不整合在地质图上的表现
角度不整合:
角度不整合是指不整合面上、下两套地层间不仅缺失一部分地层,彼此的产状也不平行,而是呈交截接触。
角度不整合的特征
角度不整合的形成过程:
下降、接受沉积一褶皱上升(常伴有断裂变动、岩浆活动、区域变质等)、沉积间断、遭受剥蚀一再次下降,再次接受沉积。
角度不整合在地质图上的表现。
第四章岩石边形的力学
分析
第一节应力与应变
1.应力分析
应力状态应力场和构造应力场通过仪器来测定。
构造应力场的表示:
在构造应力场中,要突出定时、定向、定量这三方面的问题,即确定构造应力场存在的时期、空间方位及应力值。
正如用磁力线、电力线来表示磁场与电场一样,对于构造应力场的表示,可以引入应力迹线盒应力网格的概念。
2.变形和应变
变形的概念:
物体受到应力作用,其内部各质点间的相对位置发生改变,这种现象称为变形。
物体变形可以是形状的改变(形变),也可以是体积的改变(体变),或者二者均有改变。
变形有两种最基本的变形方式:
线变形和剪变形。
线变形(正变形):
指物体受力时,变现为单纯的拉伸或压缩的变形。
剪变形(角变形):
指物体受力时,变现为物体内部任意截面
都有一个旋转角度的变形。
变形的方式:
岩石最基本的形式是线变形和剪变形,它们组成以下五种基本的变形方式。
拉伸
压缩
剪切
变弯曲:
指在沿岩长轴方向的压应力作用下产生的变形,致使岩石发生弯曲。
在发生形弯曲变形的岩石内部会有一个既不拉伸、也不压缩的中和面;
在中和面内侧和外侧,分别的概表现为压缩变形和拉伸变形。
念扭转:
在岩石的两端,与轴线垂直的平面上作用的一对大小相等、方向相反的力偶所产生的变形。
均匀变形、非均匀变形和递进变形:
均匀变形:
岩石的各个部分的变形性质、方向和大小都相同的变形。
其特征
是变形前的直线和平面,变形后仍然是直线和平面;
变形前互相平行的直线和平面,变形后仍然互相平行,如拉伸、压缩和剪切均属均匀变形。
非均匀变形:
岩石的各个部分的变形性质、方向和大小都变化的变形称为非
均匀变形。
如弯曲和扭转。
均匀变形和非均匀变形是相对的概念,在一定的研究范围内如较大尺度下是非均匀变形,而在较小尺度下则表现为均匀变形。
递进变形:
岩石在受力条件不变的情况下,由初始形态变形为最终形态的过程,是由一系列连续发生的瞬时无限小变形的累积过程,此过程称为递进变形。
应变的概念应变是表示物体变形的程度,即在应力作用下物体形状和大小的该变量。
应变分为线应变和剪应变两种。
线应变:
指物体受力发生变形后,所增加或缩短的长度与变形前长度的比值。
剪应变:
指物体在剪应力或扭应力作用下,内部原来互相垂直的两条微小线段所夹直角的该变量。
它是用物体变形时旋转角度的正切函数来度量的,所以又称为角应变。
第二节岩石的变形习性及影响因素
岩石与其他固体物质一样,在外力作用下,一般都经历弹性变形、塑性变形和断裂变形三个阶段。
岩石的这三个变形阶段是依次发生、彼此过渡的,而不是截然分开的。
不同力学性质的岩石,表现出的三个变形阶段的长短和特点各部相同。
如脆性岩石的塑性变形阶段较短,而韧性岩石的塑性变形阶段较长。
弹性变形阶段:
岩石受力后发生变形,当外力取消后,又完全恢复到变形前的状态,这种变形称为弹性变形。
地震冲击波的传播就是地壳内岩石具有弹性变形性质的表现,但岩石发生纯粹变形很少留有痕迹,仅在地震研究、地震勘探、工程建设等方面具有一定的意义。
岩石的变形阶段塑性变形阶段:
当外力继续增加,应力值超过弹性极限后,
如果此时取消外力,变形后的岩石不能完全恢复到变形前的形状,这种变形称为塑性变形。
岩石的变形机制断裂变形阶段:
岩石是一种多晶集合体。
从微观结构来看,在塑性变形阶段,变形的本质是其内部质点发生的滑移,切在新的位置上达到了新的平衡,质点间的结合力仍使岩石保持其连续的完整性。
塑性变形时,岩石内部质点运动有两种方式:
一种是单个晶粒的粒内滑动;
另一种是晶粒之间的粒间
滑动(晶粒边界滑动)。
粒内滑动:
是发生在矿物颗粒内部质点的位移,又可分为平移滑动和双晶滑动。
粒间滑动:
是发生在岩石矿物颗粒之间的位移滑动,滑动前后颗粒本身的大小和形态并不改变,又称颗粒边界滑动或晶粒边界滑动。
岩石的强度:
在一定条件下,岩石在外力作用下抵抗破坏的能力称为岩石的强度。
同一岩石的强度极限有很多因素制约,在其他条件相同、不同性质的应力作
用下,差别很大。
岩石的断裂方式在常温常压下,某些岩石的抗张强度、抗压强度和抗剪强度均不相同。
岩石的抗压强度大于抗剪强度和抗张强度,抗压强度约为抗张强度的30倍,为抗剪强度的10倍。
张裂和剪裂:
当应力达到或超过岩石的强度极限时,岩石内部质点的结合力丧失而产生破裂。
岩石的破裂有两种方式:
张裂和剪裂。
张裂:
张裂的产生决定于张应力的大小,当张应力达到或超过岩石的抗张强度时,便沿着垂直拉伸方向发生破裂,即位移是垂直破裂面沿着拉伸方向发生。
不同的应力作用方式,
均可产生张裂。
判断方法:
两断裂面的位移沿着破裂面的拉伸方向发生。
剪裂:
剪裂的产生决定于剪应力的大小,当剪应力达到或超过岩石的抗剪强
度时,便沿着与均斜交的面上发生剪切破裂。
判断方法:
两断裂面的位移不是沿
着破裂面的垂直方向。
岩石的力学性质主要取决于其成分、结构、构造等内在因素,由于其成分和
结构等的不同,表现出不同的强度。
影响岩石变形习性的因素;
时间效应的影响因素围压:
岩石的围压实指周围
岩石对;
韧性,使岩石已与变形;
另一方面在构造应力的作用下;
了,故呈现出
脆性变形的特征;
重复受力:
第五章褶皱构造;
第六章节理;
第一节节理的概
念及其研究意义;
节理(裂缝或裂隙):
即岩石中的裂隙,是指没有发生;
节理
面:
节理构造的破裂面;
节理组:
是指在一次构造作用的统一应力场中形成的、
节理系:
是指影响岩石变形习性的因素
时间效应的影响因素围压:
岩石的围压实指周围岩石对它施加的压力。
岩
石处于地下深处,所承受的围压主要是由上覆岩石的重量所致。
围压又称静岩压
力,随深度的增加而增大。
花岗岩在地表环境下,抗压强度为148MPa,而若
是处在地下10Km深处,静岩压力将达到270MPa,那么在此深处的花岗岩一定
该被压的粉碎了,但实际情况并非如此。
围岩一方面增强了岩石的韧性,另一方
面也大大提高了岩石的强度极限,岩石的弹性极限也有所提高。
由此表明,在温
度不变的情况下,白云岩的塑性变形随着围压的增加而明显增加。
围压对岩石
力学性质和变形的影响,在于围压使固体物质的质点彼此接近,
增强了岩石的内
聚力,从而使晶格不易破坏,因而不易断裂。
温度:
随着温度升高,弹性极限
和抗压强度明显境地,韧性则显著增强,易于发生塑性变形,易于形成剪裂。
温度增高对岩石力学性质和变形影响的原因在于,温度增高时,岩石质点的热运
动增强,减弱了他们之间的内聚力,使物质质点更容易变位。
因此,在高温条件
下,较小的应力也能使岩石发生较大的塑性变形。
温度和围压使影响岩石强度的重要外在因素。
温度升高使岩石强度降低,而增大围压却明显增大了岩石的强度。
不过,两种因素同时导致岩石韧性的增强或减弱。
因外界而,许多岩石在地表(常温常压)一般表现为脆性,而在地下,随着温度和围压的增环境加逐渐会向韧性转变。
的影溶液:
地壳中的岩石或多或少的含有容易或水分,这些岩石
中的溶液,一方面由响因于溶液的润滑作用以及对矿物晶键的弱化作用,降低了岩石的弹性极限,提高了岩石的素韧性,使岩石已与变形;
另一方面在构造应力的作用下,溶液可以促进矿物产生压溶、扩散、溶解等效应,从而促进矿物的溶
解和新矿物的形成,有利于岩石的塑性变形。
实验表明,因溶液性质不同,同
岩石的强度降低程度也不相同。
溶液影响岩石力学性质和变形的原因是,由于溶液的加入使分子活动能力加强,使分子间的内聚力减弱,岩石发生软化,强度降低。
孔隙压力:
岩石孔隙内流体的压力称为孔隙压力。
在沉积物堆积时,一些流体封闭在粒间空隙内,水就是常见的一种,常以胶体形式吸附在粘土之中。
在沉积物被压实过程中,部分流体被挤出,大部分仍留存在岩体内,或作为孔隙溶液留存在孔隙中,或作为包裹体存留在结晶岩中。
这些存留在岩体中的流体可以促进岩石的重结晶作用,并影响岩石的变形。
如果不透水层阻挡含水层中孔隙中的流体从岩体中流走,岩体中的孔隙压力就会很大,甚至接近围压。
孔隙压力
对断层和某些沉积岩层构造的形成起着重要的作用。
孔隙压力对岩石变形的影响是,由于岩层空隙压力与颗粒表面垂直,并与岩石所处环境的围压方向相反,因而促进围压的效应减弱,结果导致岩石的强度降低。
随着这种压力的增大,岩石屈服强度就会降低,从而易于变形。
这种岩石在较小的外力作用下,就能发生较大的变形。
在地质条件下,岩石变形持续时间是长期的,通常以百万年为单
位,因此时间因素是对岩石力学性质和岩石变形的影响具有关键意义。
时间因素对于岩石变形的影响主要表现在施力速度、重复施力和蠕变与松弛四个方面。
施力速度:
快速施力能加快岩石变形速度,使岩石表现为脆性变形;
缓慢施力,则会使脆性物质发生塑性变形。
施力速度影响岩石力学性质和变形的原因是,在缓慢的外力作用下,岩石质点有充分的时间固定下来,而变现为塑性变形;
在快速施力的条件下,岩石质点来不及重新排列就破坏了,故呈现出脆性变形的特征。
重复受力:
第五章褶皱构造
第六章节理
第一节节理的概念及其研究意义
即岩石中的裂隙,是指没有发生明显位移的断裂。
节理面:
节理构造的破裂面。
街里面可以是平面,也可以是曲面。
街里面的产状反映了节理在空间的位态,仍用走向,倾向和倾角来表示。
是指在一次构造作用的统一应力场中形成的、产状基本一致、力学性质形同的一组节理。
是指在一次构造作用的统一应力场中形成的两个或两个以上的节理组构成的一系列节理,或在一次构造作用的统一应力场中形成的产状呈规律性变化的一系列节理(如一系列放
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