构造地质学 第4章 变形岩石应变分析基础

第4章变形岩石应变分析基础第一节

变形和位移地质体变形的基本方式当地壳中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，从而使岩石体的初始形状、方位或位置发生了改变，这种改变通常称为变形。变形的基本方式可分为四种：平移、转动、形变和体变。32023/3/30变形和位移平移：位置发生改变

旋转：方位发生改变

体变：体积发生改变

形变：形状发生改变平移和旋转是物体整体空间位置的变化，而其内部各质点间相对位置不变，因此并不会改变物体的形态，仅引起物体的位移，称变位。体变和形变则使物体内部各质点间的相对位置发生了改变，从而改变了物体的大小和形状，即引起了物体的应变。42023/3/30第二节

应变的度量应变（strain）应变与应力状态的含义不同，它是表示物体的变形程度。应力状态是指某一瞬间作用于物体上的应力情况，而应变是指与初始状态比较的物体变形后的状态。应变是物体受应力作用发生变形的产物，应力与应变之间的关系是一种因果关系。62023/3/30应变（strain）应变：是物体变形程度的度量，即物体形状和大小的改变量。线应变：物体内部质点间线段长度的变化量。剪应变：物体内部相交线段间的夹角大小的变化量（偏斜量）的正切。伸长度平方长度比剪应变剪变角72023/3/30线应变线应变e：变形前后长度的改变量。式中，l0、l1－变形前、后同一线段的长度。地质上，把伸长的e取正值，缩短时的e取负值。82023/3/30线应变这种线应变表示的拉伸变形，伸长了60%，e变化范围从-1（强烈压缩）→0（长度没有变化）→∞（极度伸长）平方长度比λ是应变测量中常用量，为同一线段在变形前、后长度之比的平方。92023/3/30线应变计算的地质实例箭石原来长度（l0） 82mm拉长箭石长度（l1） 185mme=1.25伸长率125％λ=(1+e)2=5.06箭石化石不仅被拉长了125％，而且化石周围岩石也被拉长了125％102023/3/30剪应变（角应变）变形前相互垂直的两条直线，变形后其夹角偏离直角的量称为角应变（φ）或简称角剪应变，其正切称为剪应变（γ）：γ=tgφ112023/3/30剪应变的地质实例在右行剪切时为正，左行剪切时为负。三叶虫变形122023/3/30第三节

均匀变形和非均匀变形均匀变形变形前后物体各部分的变形性质、方向和大小都相同的变形，即为均匀变形。其特征为：原来的直线或平面，变形后仍然是直线或平面，但方向可能改变。原来互相平行的直线或平面，变形后仍然平行，方向也可能改变。变形物体中同一方向的直线具有相同的伸缩量和角度的变化，如正方体-菱形体、圆-椭圆。142023/3/30非均匀变形变形前后物体各部分的变形性质、方向和大小都有变化的变形，即为非均匀变形。其特征为：原来的直线或平面，变形后为曲线或曲面。原来互相平行的直线或平面，变形后不再平行。变形物体中同一方向的直线，伸缩量和角度的变化是不同的。152023/3/30均匀变形的类型轴对称伸展

axiallysymmetricextension轴对称缩短

axiallysymmetricshortening平面应变 planestrain一般应变 generalstrain162023/3/30连续变形、不连续变形连续变形：物体内从一点到另一点的应变状态是逐渐改变的，称为连续变形。不连续变形：物体内从一点到另一点的应变状态是突然改变的，则应变是不连续的，称为不连续变形。172023/3/30第四节

应变椭球体应变椭球体：以椭球体的形态和方位来表示岩石的应变状态，该椭球体称为应变椭球体。

基本要素：三个主轴1、2、3、或X、Y、Z、或A、B、C三个主平面XY面，YZ面，XZ面两个圆切面192023/3/30应变椭球体（Strainellipsoid）应变主轴：应变椭球体有三个互相垂直的应变主轴，沿应变主轴方向只有线应变而没有剪应变。根据三个互相垂直的应变主轴的线应变的大小，可分为最大应变主轴、最小应变主轴和中间应变主轴。主平面（主变形面）：包含任意两个应变主轴的平面。

其中：AB面垂直最小应变主轴C轴，为最大压缩面，即代表最大挤压变形面。BC面垂直最大应变主轴A轴，为最大拉伸面，即代表最大张裂变形面。圆截面：切过应变椭球体中心的切面一般为椭圆形，但其中有两个截面是圆形的，称圆截面。

两个圆截面的交线是中间应变主轴B轴。

两个圆截面与A轴的夹角一般小于45度。

两个圆截面为最大剪切面，即代表最大剪破裂面。

其同等发育时，则构成共扼剪切破裂面。202023/3/30非旋转变形（纯剪变形）/旋转变形（简单剪切应变）纯剪切应变（Pureshearstrain）是一种均匀的非旋转应变，其特征是平行于应变椭球的主轴的物质线在变形之后具有同一方位。简单剪切变形（Simpleshearstrain）是一种均匀的旋转应变，其特征是应变主轴是旋转的。大多数野外变形露头表明，简单剪切的旋转形变是天然构造形成的最重要的地质作用。212023/3/30纯剪切应变（Pureshearstrain）简单剪切应变（simpleshearstrain）222023/3/30褶皱形成过程中的应变变化232023/3/30第四节

应变椭球体形态类型及其几何表示方法弗林图解（Flinndiagram）k=tanα=(a-1)/(b-1)其中：a=X/Y=(1+e1)/(1+e2)b=Y/Z=(1+e2)/(1+e3)1935年，Zings首次提出这种图解，1962年，Flinn把它应用于构造地质学。252023/3/30弗林图解（Flinndiagram）k=(1+e1)>(1+e2)=(1+e3)

轴对称伸长椭球体k=0(1+e1)=(1+e2)>(1+e3)

轴对称压扁椭球体k=1 (1+e1)(1+e3)＝(1+e2)2＝0

平面应变椭球体1<k<∞(1+e1)>1>(1+e2)>(1+e3)

长形椭球体1>k>0(1+e1)>(1+e2)>1>(1+e3)

扁形椭球体1935年，Zings首次提出这种图解，1962年，Flinn把它应用于构造地质学。262023/3/30岩石应变分析272023/3/301、样品处理方法观察在室内仔细观察石英、黑云母等矿物的排列方向或优选方位，确定面状和线状组构要素，确定应变主轴的方向。测量磨制定向薄片，每标本切制三片，代表xy、yz、xz三个主应变面。三个薄片一组，利用显微镜横丝刻度测量出石英矿物颗粒的长短轴，每薄片测量45～50颗粒，记录数据。处理数据采集完毕后，使用Robin法对数据进行处理，分别计算出Rsxz、Rsyz、Rsxy。以LnRsxy为纵坐标，LnRsyz为横坐标，投图，将各样品应变主轴方位赤平投影。282023/3/30双河岩体三维应变测量显微照片（视域直径5mm）

sh－12xy面（左上）

xz面（左下）

yz面（右上）刘强提供

2、测量结果样品xyyzxzKX轴产状Y轴产状Z轴产状SH-081.251.561.800.5095∠20212∠17285∠71SH-091.311.511.800.46263∠28190∠1498∠62SH-101.141.901.980.20129∠33213∠2326∠52SH-111.231.852.080.28149∠3049∠2321∠59SH-121.172.022.130.22269∠42185∠4495∠54SH-161.301.691.990.50135∠40225∠18331∠52SH-171.201.631.770.37134∠25228∠12338∠52SH-181.221.812.180.26217∠13124∠3023∠64SH-191.061.461.690.11237∠70111∠2735∠22SH-201.261.641.880.37200∠15102∠3215∠81SH-211.301.641.930.40126∠5350∠12332∠44SH-221.311.581.880.59113∠2512∠17316∠61SH-231.151.371.710.59212∠2120∠18300∠78SH-241.281.461.700.65141∠30214∠11315∠60SH-251.241.501.680.53147∠15204∠11325∠85刘强提供302023/3/30

3、测量结果图解双河岩体Flinn图解（左）和应变主轴投影（右）刘强提供312023/3/30第五节

递进变形递进变形有限应变－－物体变形最终状态与初始状态对比发生变化，称为有限应变或总应变。无限小应变－－变形过程中某瞬间正在发生的小应变叫增量应变，如果取瞬间非常微小时，期间发生的微量应变称为无限小应变。递进变形－－是许多无限小应变逐渐累积过程的变形。在变形历史任何一个阶段：应变状态都由已经发生的有限应变＋正在发生的无限小应变（或增量应变）组成。332023/3/30递进变形用卡片模拟简单剪切的递进变形过程（Ragan,1973）带点象限标识每个应变椭圆中的伸长区，第5列描述了最终应变后各椭圆的形态，第5行代表增量应变椭圆的形态及其伸长区的范围。342023/3/30共轴\非共轴递进变形在递进变形过程中，如果各增量应变椭球体的主轴始终与有限应变椭球体的主轴一致，这种变形称为共轴递进变形。否则，即为非共轴递进变形。递进