构造地质学复习资料

构造地质学

StructuralGeology

第一节构造地质学的内涵、构造尺度以及构造变形场

1.构造地质学的内涵

地质学的基础学科之一，

主要研究组成类地行星(地球、水星、火星、金星)及其卫星的岩石、岩层以及岩

体在力的作用下形成的各种变形(deformation)的构造样式(structuralstyle),组合型式

(structuralgrouppatterns)和形成过程(process),以及作用力的方式(mechanism)和方向

(direction);

2.构造尺度(tectonicscale):主要指构造的规模

1)巨型构造、大型构造、中型构造、小型构造、微型构造、超微构造

2)显微构造学、构造地质学、大地构造学、板块构造学、全球构造学等

构造地质学一般以露头-区域尺度上的中、小型构造为主要研究对象

巨型构造(megatectonics):山系和区域性地貌的构造单元

大型构造(macrostructure):区域构造单元中的次级构造单元如川东褶皱带

中型构造(mesos8picstructure):一个地段上的褶皱和断层，在1:5万或更大比例尺上可

见其全貌

小型构造(minorstructure):出落于露头和手标本上的构造

微型构造(microstructure):偏光显微镜下显示的构造

超微构造(ultrastructure):电子显微镜下显示的构造

3.构造变形场(tectonicdeformationfield):某一主导构造应力作用形成的形变及其在空

间上的分布。

1)伸展构造(extensionaltectonics):水平拉伸形成的构造。如裂谷、地堑-地垒、盆岭

构造、变质核杂岩等。

2)压缩构造(smpressionaltectonics):水平挤压形成的构造。如褶皱、逆冲推覆构造等。

3)走滑构造(strike_sliptectonics):沿直立剪切面水平滑动、位移形成的构造。如走滑断层。

4)升降构造(liftingtectonics):岩石圈成地幔物质垂向运动的体现，表现为地壳上升和下降，

隆起造山、高原；坳陷盆地。

5)滑动构造(slidingstructure):重力失稳后引起的正向滑动构造，也包括某些大型平缓正

断层。

6)旋转构造(rotatingtectonics):指陆块绕轴转动形成的构造。如第状构造、莲花状构造等。

第二节地壳岩石圈的层圈结构与构造层次

1.地壳-岩石圈的层圈式结构垂向成层，侧向不均一

2)构造层次(tectoniclevel):温压升高引起岩石力学性质变化

1)表构造层：

剪切作用和块断作用

2)浅构造层：

纵弯褶皱作用

3)中构造层：

相似褶皱作用和压扁作用

4)深构造层：

流变作用和深融作用

第三节构造观

1.构造观（tectonicoverlook）:对全球构造和岩石圈构造的总体结构、形成和演化、铸成

构造的构造运动性质和动力源的基本认识和观点

2.基本观点：

1）以水平运动为主的岩石圈构造是高度活动的；

2）构造演化是不可逆的渗入突变的阶段式发展；

3）构造动力主要来自地球深部活动和地球旋转；

4）岩石圈的圈层式、不均一结构；

5）挤压、伸展和剪切作用分别或共同铸造了

地壳岩石圈中的各类构造；

第四节构造解析的基本原则

构造解析（structuralanalysis）是由马杏垣于1983年提出，是一种研究变形的正确构造观和

方法论。

1.解析：把整体分解为部分，把复杂的事物分解为简单的要素加以研究的方法。

“拆零”与“组装”建立科学的思维方式

2.思维方式：

研究个体形迹T找出内在联系T组装（构造体系）主要内容：几何学-运动学-动力学解

析。

1）几何学学解析（geometryanalysis）:

认识和测量各类各级构造的形态、产状、方位、大小、构造内部各要素之间及该构造

与相关构造的几何关系，从而建立一个完整的具有几何规律的构造系或型式。

几何学分析提供的资料和数据是运动学和动力学分析的基础。

2)运动学解析(kinematicanalysis):

目的在于再现岩石形成至变形期间所经历的过程和所发生的运动，主要是通过岩石

或岩层中的原生构造尤其是次生构造的分析揭示其运动规律，揭示改变岩层和岩体的位置、

方位、大小和形态的平移、转动、形变和体变的组合情况；

3)动力学解析(geodynamicanalysis):

阐明产生构造的力、应力和力学过程其目的是查明引起变形的应力性质、大小和方位。

3.构造解析的基本原则

1)构造基本变形：平移、转动、形变和体变

2)构造尺度：巨-大-中-小-微-超微型构造

3)构造层次：表-浅-中-深构造层次

4)构造组合(tectonicassociation):具有内部组合和秩序的许多密切相联系的构造要素的集

合体。包括不同构造变形场中不同层次、尺度和序列的各种构造单元、构造要素和构造单元

体的组合，也包括构造-沉积、构造-岩浆和变质的组合。

5)构造叠加(tectonicsuperpos让ion):是指已变形的构造又再次变形而产生的复合现象。

6)构造置换(transpositionofstructures):岩石的一种构造经过递进变形过程而为另一种构

造所代替的现象。

7)构造继承(tectonicinheritance):如果前期构造控制或影响了后期构造的形成或发展，

后期构造保留了前期构造的某些主要特点。

8)构造新生(tectonicreborn):包含两重含义:(1)后期构造不受前期构造的影响或制约，

形成一套在方位、几何形态、类型和样式上完全不同的构造；(2)后期构造改造并使前期

构造的一部分或全部卷入到后期构造之中，形成一套完全服从后期变形的全新构造。

9)构造世代(generationofstructure):不同旋回或不同构造幕中形成的构造。

10)构造序列(structuralsequences):不同时期的构造按其成生顺序构成一个完整的系列。

11)岩性介质(lithologymediums):岩石的矿物组成、结构、构造

12)构造位移指向性(kinematicindicator):构造变形的运动学方向

13)构造复原(tectonicrestoration):恢复构造变形前的原始面貌。

14)平衡剖面(Balancedcrosssection):是指可以将剖面变形构造通过几何原则全部复原

的剖面。

•4.构造解析的特点

•构造解析方法的反序性研究特点决定了地质问题的多解性。

•地质模型是用于描述和解释地质过程的一种简化的工具，模型与观察到的地质证据

之间的一致性是必要的，但对于地质证据而言，模型往往并非是唯一的。

第五节构造地质学的发展态势

1.定性描述一

定■计算

2.物理模拟一计算机模拟

3.二维构造-三维构造-四维构造

4.地壳表层f地球深部

5.区域构造一天体构造

第二章地质体的基本产状及沉积岩层构造

“V”字形法则及其应用

不整合的形成过程及意义

沉积岩层层序的识别

软沉积变形

第一节面状构造和线状构造的产状

1.产状(attitude):面状构造或线状构造的方位

和空间状态。

・1)面状构造的产状要素

面状构造(foliation)的产状是以平面在空间的延伸方位和倾斜程度来表示。其产状要素包

括走向(strike),倾向(dip),倾角(angleofdip)。

当剖面的方向与岩层的走向不垂直时，我们观测到的岩层倾角称之为岩层的视倾角

(apparentdip)o

・2)线状构造的产状要素

线状构造(lineation):由地质作用形成的具有线状性质的构造。例如岩浆岩中的流线构造、

断层面上的擦痕构造、韧性剪切带中的矿物拉伸线理等。

线状构造的产状用倾伏向、倾伏角或侧伏向、侧伏角来表示其要素。

3)产状的表示

面状构造的产状一般用倾向、倾角表示，或者用走向、倾角以及倾向方位表示。

线状构造的产状一般用倾伏向、倾伏角表示，如用侧伏向、侧伏角表示时，需要予以明确说

明，同时需要明确相关面的产状和线理的运动方向。

第二节沉积岩层的原生构造

1.层理及其识别

1)层理(bedding):沉积岩的最基本的原生构造(primarystructure)

构造变形的最基本参考面

面状构造

原始水平

示顶构造

沉积岩的层理一般可以通过岩石的成分、结构、色调以及层面原生构造等进行辨别。

1)成分变化

同一岩层的岩性基本一致，因此岩层之间物质组成的差异是识别原生层理最常见的特征

标志之一。

2)颜色变化

在成分均一、颗粒细小，总体不显层理的岩层中，往往会有不同的颜色层，这些色带往

往可以指示层理。

3)结构变化

对于较厚的沉积岩，可以通过其中碎屑颗粒的粒度变化，形状的变化来识别地层的层理。

4)层面原生构造

常见层面构造有波痕(ripplemarks),雨痕(raindrops)、泥裂(mudcracks)、槽模(flute

casts)等暴露标志。

2.原生沉积构造(primarysedimentarystructure)

1)面向(stratigraphicfacing/youngingdirection):

岩层顶面法线所指的方向，即岩层由老到新的方向

岩层从下到上，由老到新——正常层序，面向指向上

岩层从下到上，由新到老——倒转层序，面向指向下

2)层序(sequence)是地层由老到新排列的顺序。

利用各种原生沉积构造鉴定岩层的面向。

(1)交错层理(crossbedding)

由斜交的纹层组成，纹层与底面小角度相交，与上顶面大角度破切。

(2)递变层理(gradedbedding)

每一层的底部为粗碎屑，向上逐渐变细其顶面与上一层底面是突变的并有明显的界面。

(3)波痕(ripplemarks):震荡式浪成波痕尖脊指向顶面，圆弧指向底面

(4)层面暴露标志

泥裂(mudcracks):张开的裂口指示顶面。

雨痕(raindrops):有凹坑的面为顶面。

(5)生物标志(animaltracks)

叠层石：纹层凸出的方向指示顶面

生物介壳化石：凸面指示岩层顶面

(6)底面印膜(solemarks)有印膜的面为底面。

(7)冲刷构造(scourstructure/channel-and-fillstructure)

第三节软沉积变形

1.软沉积变形(softsedimentarydeformation):

指沉积物尚没有固结成岩时发生的变形。

1)负荷引起的软沉积变形

(1)火焰状构造(flamestructures)

(2)球状和枕状构造(ballandpillowstructures)

2)滑塌和滑移作用

一般发育在陆上尤其是水下隆起的斜坡上速度(快VS慢)

3)孔隙压力作用(porepressure)

(1)砂岩墙(clasticdyke):碎屑岩墙的一种，是穿插灌入于沉积岩等岩石中的板状和脉状砂

岩体；

(2)碟状构造(dishstructure):边缘上翘呈碟状，横向上呈断续分布，垂向上互相叠置，

一般直径为1~50cm.

(3)砂火山(sandvolcanoes)

4)软沉积构造特点：

(1)常局限在一定层位内；

(2)常局限在沉积盆地一定范围，如盆地边缘、大陆隆起边缘等；

(3)主要由重力作用引起，一般不显示构造应力造成的定向性构造。

第四节沉积岩层在地质图上的表现

1.沉积岩层的产状类型：

岩层：具有一定岩性内容的层状地质体

根据岩层倾角a的大小，可相对划分为三种类型：

水平岩层(horizntalstratum):a<5°

倾斜岩层(inclinedstratum):50<a<85°

直立岩层(verticalstratum):a>850

1)水平岩层

未经变动的仍保持成岩后原始状态的沉积岩层。

水平岩层的基本特点：

1）上新下老，当水平岩层未发生倒转时，老的岩层在下、新的在上，在地形图上老的岩层

出露于海拔较低处，新的岩层在较高处。

2）水平岩层的出露形态受地形的控制，界线与等高线平行或重合并随等高线的鸾曲而弯曲。

其形态与等高线相似。

3）水平岩层的厚度就是该岩层的顶底标高之差。

4）水平岩层的出露宽度与地形坡度有关，坡度越大出II宽度越小，反之相反。

2）直立岩层

在直立岩层分布区，岩层的界线不受地形的影响，在地质图上为一直线。

3）倾斜岩层

（1）倾斜岩层的基本特点

倾斜岩层在地表的出露界线称为地质界线，其展布具有一定的规律。在山谷或山脊地带，倾

斜岩层的地质界线呈V字形弯曲，这种规律称为V字形法则。

正交，V对称；

斜交，V不对称；

平行，V不适用；

地质界线弯曲与地形坡向存在如下三种基本关系：

相反相同；相同相反；相同相同

相反相同：当岩层的倾向与坡向相反时，岩层界线与等高线的弯曲方向相同，但是等高线更

鸾曲

相同相反：当岩层的倾向与坡向相同时，同时岩层的倾角大于坡角，岩层的奥线与等高线的

弯曲方向相反。

相同相同：当岩层的倾向与坡向相同时，同时岩层的倾角小于坡角，岩层的界线与等高线的

弯曲方向相同。但是岩层的界线更曲。

(2)倾斜岩层的厚度和出客宽度

倾斜岩层的厚度

岩层的真厚度一岩层顶底面之间的垂直距离

岩层的铅直地层厚度一岩层顶底沿铅直方向上的距离

倾斜岩层的真厚度小于或等于岩层的铅直地层厚度

岩层的视厚度一当剖面不垂直岩层走向时，岩层顶底的距离为岩层的视厚度。

真厚度(h)=铅直厚度(H)xCOSa(a为岩层真倾角)

视厚度(卜)=铅直厚度(H)xCOSB(p为该剖面方向上的岩层视倾角)

岩层的出露宽度是指在垂直岩层走向的方向上岩层顶底界线在水平面上的投影距离。

岩层的出露宽度与岩层的厚度、倾向、倾角、坡角、坡向及岩层倾角与坡角的差值有关。

第五节地层接触关系

1.地层与地层的接触关系

1)地层(stratum)——是指具有一定层位或时代含义的一层或一组岩层，也就是说，当岩层具

有了时代含义后，岩层就成了地层。

2)地层的接触关系——是指上下两套地层在时间上的发展状态与空间上的接触类型。可分

为整合与不整合接触两种。

(1)整合接触(snformable8ntact)

上下两套地层的地层层序上连续，岩性及所含化石一致或递变。上下两套地层的产状基本一

致或平行。整合接触代表了沉积环境连续变化，以沉积为主，无间断的过程。

⑵不整合接触(conformablecontact)

不整合接触的基本特征为不整合面上、下两套地层的时代不连续，化石突变，缺失(缺——

无沉积，失一有沉积，但被侵蚀掉)某一时代的地层及化石，不整合面下的老地层变质程

度、岩浆活动一般较高，顶部常残留古风化壳，不整合面下新地层底部常有底砾岩，代表了

海进序列的开始。

不整合可以分为两种类型一

平行不整合(disconformity)

角度不整合(angularconformity)

平行不整合：上下两套地层的地层层序不连续，缺失某一时代的地层，岩性及所含化石不一

致或突变。上下两套地层的产状基本一致或平行。不整合面与新老地层层面平行

角度不整合：上下两套地层的地层层序不连续，缺失某一时代地层，岩性及所含化石不一致

或突变。上下两套地层的产状不一致。不整合面与上覆新地层平行与下伏老地层斜切。

(3)不整合的形成过程

地壳下降接受沉积阶段

地壳抬升成陆，遭受风化剥蚀阶段

构造运动？(平行和角度不整合的区别)地壳重新下降接受沉积阶段

(4)研究不整合的意义

不整合是重要的地壳运动标志，又是划分构造层的分界面。

不整合面是划分岩石地层单位的依据之一，因不整合面不是等时面，故不能作为年代地层单

位划分的依据。

对不整合面在空间上的分布和类型变化研究，可了解地壳运动的不均匀性。

不整合面是构造上的薄弱面，岩浆及含矿热液易进入而形成内生矿床，同时古风化壳中常有

铁、链、磷、铝等富集而成为外生矿床。

(5)确定不整合存在的主要标志

地层古生物标志一上下两套地层中所含古生物化石突变。

沉积标志一上下两套地层岩性突变及古风化壳、底砾岩的存在等。

构造标志一不整合面上下两套地层，通常老地层所经历的构造变形较新地层要高,其褶皱、

断裂更发育，断裂面终止于不整合面。两套地层的产状不一致(角度不整合b

岩浆活动与变质作用标志一不整合面下老地层所遭受的岩浆活动与变质作用较新地层要强。

(6)不整合的空间分布与类型变化

一次大的地壳升降运动所形成的不整合面，在区域上具有一定的变化规律。在地壳升降运动

最强烈地区形成角度不整合、较强地区形成平行不整合、不强烈地区形成整合接触。

(7)不整合形成时代的确定

不整合形成的时代通常是不整合面下最新地层之后与不整合面上最老地层前。

2.地层与岩体的接触关系

地层与岩体的接触关系——是指地层与岩体在时间上的发展状态与空间上的接触类型。

可分为侵入接触与沉积接触两种。

1)侵入接触(intrusivecontact):岩浆岩侵入到围岩之中，岩体与围岩的接触关系为侵入接

触关系。

侵入接触关系的特征：

(1)岩体穿切围岩，沿内接触带可见冷凝边(结晶快粒度细形成隐晶质或玻璃质),外接触

带有烘烤边(岩石受热变质，颜色变浅)和接触变质带、接触交代变质作用和矿化蚀变现象；

(2)岩体内往往有捕虏体；

(3)与侵入岩有关的岩墙、岩脉插入到围岩中。

2)沉积接触关系(unsnformablecontact):岩体形成后经过地壳运动露出地表，再经风化

剥蚀作用后，又被新的沉积物所覆盖，这种接触关系为沉积接触关系。

沉积接触关系的特征：

1)岩体与上覆围岩的接触带没有冷凝边、烘烤边和接触变质带或矿化蚀变现象；

2)岩体内定向排列的原生构造或岩脉、矿脉被截切；

3)在岩体顶部有风化剥蚀面和古风化壳，同时在上覆岩层的底部含有岩体成分的碎屑和砾

石。

3.断层接触(faultcontact)属构造接触关系，指区域上不同时代和不同性质的地

质体以断层相互接触

第三章构造研究中的应力分析基础

主应力

应力场

第一节应力

1.面力和体力

1)面力(surfaceforces):通过接触作用于物体表面一定面积上的力；如果面积很小，可称之

为集中力；

2)体力(bodyforces):不通过接触而直接作用于物体内部质点的力，如重力。

2.外力和内力

外力(ExternalForces):研究对象受外部对象的作用力

内力(InternalForces):研究对象内部质点之间的相互

作用力

外力与内力具有相对性

3.截面上的应力、正应力以及剪应力

1)应力p(stress):连续介质力学中的基本概念。

由外力引起内力变化•在单位面积上的集度或

单位面积上的附加内力。

2)截面上的应力p可以分解为

平行截面的剪应力r(shearstress)与

垂直截面的正应力er(normalstress)

应力单位：帕斯卡(Pa)Mpabar

・3)应力符号规则

弹性力学：参照截面的法线与截面法线方向一致为正，

方向反之为负

材料力学:正应力以拉为正，剪应力以逆时针转动为正

构造地质学:正应力以压为正，剪应力以逆时针转动为正

4.一点的应力

1）应力椭圆和应力椭球

应力矢量始终与所在截面相关，过一个点的所有截面上的应力状态称为一个点的应力。

应力椭圆（stressellipse）:在二维状态下，一个点所有截面上的应力矢■之矢端或矢尾的轨

迹构成一个椭圆

应力椭球（stressellipsoid）:在三维状态下，一点的应力矢■之矢端或矢尾的轨迹构成一个

椭球

2）应力分黄

一个点的三个正交截面上应力对应6个独立分・

主应力（PrincipalStress）:当单元体表面上的剪应力

分■为0时，即三个正交截面上没有剪应力的作用

而只有正应力的作用。

以6、02,03来表示，且6>02>O3o

主应力方向称为主方向主应力轴的方向）对应的毒面称为主平面

・4）常见的应力状态

3个主应力有两个为。时：（5>02=03=0,单轴压缩；5=b2=0>O3单轴拉伸），称为单

轴应力（Uniaxialstres0

当有1个为0时，称为双轴应力或平面应力；（5>。2>。3=0,双轴压缩；O1>02=0

>G3,平面应力状态)(Biaxialstres^]

均非0时为三轴应力(TriaxialStress)

・5)应力莫尔圆

应力莫尔圆(MohrCircle)完整地表示了一点任意截面上正应力与剪应力分■的应力状态。

应力莫尔圆上任意一点横坐标代表正应力，纵坐标代表剪应力。

莫尔圆的基本性质

应力圆代表了一点的应力状态。过这一点的任意截面上的应力分量由应力圆上一个对应点代

表，在物理空间，截面逆时针转e角，应力圆上按同一方向转2d

两个互相垂直截面上的应力分量对应于应力圆直径

的两个端点：两个互相垂直截面上的剪应力总是

大小相等，符号相反，这就剪应力互等定理。

两互相垂直截面上的正应力之和等于常数

应力莫尔圆上任意一点横坐标代表正应力，

纵坐标代表剪应力。

莫尔圆的基本性质

相差180。的两个截面上的应力，对应于应力同一个点，应力分量完全相同。

最大剪应力就是应力圆的半径，它与主应力成45。角，并等于（o1—a2）/2。

最大和最小正应力一主应力。应力圆与横坐标轴两个交点所对应的截面上的剪应力为0,

这个特殊截面上的正应力称为主应力，它们的方向称为主应力方向或主方向。

典型三维应力状态的莫尔圆

Tt

-O-O

A

♦O「oo

A.单轴压应力、B.静水压力、C.三轴压应力、

D.双轴压应力、E.平面应力、F.纯剪应力

5,静水应力和偏斜应力

1）静水应力（Hydrostaticstress）:在平面应力状态下，表现为各向等值拉应力或等值压应

力状态

bm=1/2(6+02),

2）偏斜应力（Deviatoricstress）:在平面应力状态下，表现为各向不等值的拉、压应力状

态

6-Gm、02Pm（压力差）

静水应力引起物体的体积变化

偏斜应力引起物体的形状变化

第二节应力场

1.应力场（Stressfield）

应力场：点应力状态所占据物体内所有的空间。

构造应力场：由构造作用形成的应力场，又称地应力场。

定常应力场：不随时间变化的应力场。

非定常应力场：随时间而变化的应力场。

古应力场：在地史时期作用的应力场。

现今应力场：现今作用的应力场。

2.应力场的图示

主应力轨迹线（方向）;主应力等值线（强度）；

最大剪应力迹线（方向）;最大剪应力等值线（强度）；

挤压应力场

。25MPa

剪应力分布；主应力迹线；最大剪应力迹线

3.应力场的扰动

1)应力场的扰动：地块内部不均匀和不连续性造成应力场的局部变化。

包括应力迹线偏移和应力值的局部集中或变异现象

(1)圆孔附近的应力场扰动

(2)断裂尖端的应力场扰动

(3)能干层褶皱引起的应力场扰动

(2)断裂尖端的应力场扰动

最大剪应力迹线

(3)能干层褶皱引起的应力场扰动

第四章变形岩石应变分析基础

应变

应变椭球

旋转变形、非旋转变形

简单剪切、纯剪切

第一节变形和位移

1.变形(deformation):当地质体受到应力作用后，其内部质点发生了位移，使地质体的初

始形状、方位或位置发生改变

变形的基本方式：

1)平移(translation)

2)转动(rotation)

3)形变(shapechange)

4）体变（volumechange）

2.位移（displacement）

1）位移可以分解为整体位移和相对位移两部分，前者由整体平动和整体转动组成，后者则由

相对平动和相对转动组成。

2）整体位移只引起物体整体位置的变化，不改变其形状和大小。

3）相对位移引起物体内质点相对位置的变化，改变物体的形状和大小。

平移和转动属于整体位移；形变和体变属于相对位移

第二节应变

1.应变（Strain）：物体质点间相对位移的程度，用于描述物体变形程度（线应变、剪应变）

1）线应变（stretchstrain）变形前后单位长度的

改变量

伸长度（elongation）e、长度比S、平方长度比九

•2）剪应变

相对转动引起的方向变化，用剪应变来描述。

剪应变（ShearStrain）:变形前两互相垂直直线的夹角改变■的正切值。

第三节均匀变形与非均匀变形

1.均匀变形（homogeneousstrain）:物体内各质点应变特征相同

任一小单元体变形与整体变形状态一致（均匀应变）

均匀变形的特征：

1）直线仍然为直线；

2）平行线仍然为平行线;

3)在平面变形中，圆形变为椭圆；

在三维变形中，圆球变为椭球

2.非均匀变形(homogeneousstrain):物体内各质点的应变特征不同

3.连续变形：应变变化在空间上连续变化，渐变！

4.不连续变形：应变变化在空间上不连续，突变！

第四节应变椭球

1.应变椭球(strainellipsoid):在连续介质中假定一个球体，通过均匀变形后将变成一个椭球。

不连续介质或不均匀变形均不能形成椭球

当4时，圆球变形后仍为圆球。

只发生体枳变而不发生形变。

这种特殊情况又分两种情况

1)e=e=e>0,此时有a=b=c>R,圆球体

2)e=e=e<0,此时有a=b=c<R,圆球体

当e*、ey、/满足某些条件时，

圆球变形后只改变形状，不改变体积(形变

椭球体一般形态

e>e>e.a>b>c:

e>e=e.a>b=c:

e=e>e.a=b>c:

2.应变主轴与主平面

应变椭球体存在三个正交的方向上，仅有线应变，而不存在剪应变，即在变形前后的正交关

系不发生改变，分别称为应变主轴(principalaxis)

用储、入2、入3；X、Y、Z;A,B,C表示，分别称为最大应变轴、中间应变轴、

最小应变轴。

主平面(principalplane):包含应变椭球体的任意两个主轴的平面(XZ,YZ,XY)

压扁面:XY面

张性面:YZ面

拉伸方向:X轴

3.无伸缩面

圆球均匀变形为椭球后，圆球的一个半径必然变为变形椭球的某一个半径，这两个半径的长

度差，就是圆球半径的伸长或缩短量；反之，变形椭球的一个半径必然是由圆球的某一个半

径变过来的。

如果在变形椭球中有某些半径与变形前的圆球半径比较来既不伸长又不缩短这些椭

球半径所组成的轨迹面称为变形椭球的“无伸缩面”。

ex>ey>ez,必须相ex>0,ez〈O时才有“无伸缩面”

ex>ey=ez,必须有e/O,a<=0时才有“无伸缩面"

，必须有ex>=0,ez〈O时才有“无伸缩面"

第五节应变椭球的形态类型

弗林(Flinn)图解：表示主应变的二维图解

a=X/Y=(1+ei)/(1+e2)

b=Y/Z=(1+e2)/(1+e3)

坐标原点为(1,1),任一形态的椭球体都可以在图上标示为一点

椭球体的形态K=tga=(a-1)/(b-1)

依据k值自下而上分为五种类型：单轴旋转扁球体、压扁型椭球体、平面应变椭球体、收

缩型椭球体、单轴旋转长球体。

K=8

位K=8

(1-tf,)>(14f2)=(14f3)

8双>1(1北。>1>(1丸3>(l+t3)

iK=1(14t.)(l+e)=(14t/=1

P32

>K>0(1卅1>(1-Hj>1>(1把，

K=0(1惘)=(14t2)>(If)

aK=0

(b1)b

第六节旋转变形与非旋转变形

1.旋转变形：应变主轴方向的物质线在变形前后发生了方位的改变，即旋转了一个角度。

2.非旋转变形：代表应变主轴方向的物质线在变形前后不发生方位的改变。

第七节递进变形

1.有限应变(finitestrain):物体变形的最终状态与初始状态对比发生的变化；

2.递进变形(progressivedeformation):在变形过程中，物体从初始状态变化到最终状态的

过程是一个由许许多多次微■应变的逐次叠加过程，这种变形

的发展过程就称为递进变形；

3.递进变形方式：共轴与非共轴递进变形

在递进变形过程中，各增量应变椭球体的主轴始终与有限应变椭球体的主轴保持一

致，这种变形称为共轴递进变形(8axialprogressivedeformation),否则称为非共轴递进

变形(non-coaxialprogressivedeformation)

第五章岩石的力学性质

弹性，塑性，强度

影响岩石力学性质的因素

能干性

岩石断裂准则

第一节岩石力学基本概念

1.基本概念

1)弹性(elasticity):物体在外力作用下发生变形，当外力撤除后完全恢复原状的性能。

应力与应变呈正比，符合胡克定律；这样的材料称为胡克固体或线弹性体。

o=Ee£为弹性模量或杨氏模■

2)塑性(plasticity):在应力作用下发生连续变形，当外力撤除后不恢复原状，为永久变形。

具有这种性能的物体称为塑性体。

3)强度(strength):当应力超过一定值时,岩石就会以某种方式而破坏，发生断裂变形。这

时的应力值称为岩石的极限强度或强度

脆性材料：在断裂前的塑形变形的应变・

小于5%的材料；

韧形材料：在断裂前的塑形变形的应变・

超过10%的材料；

弹性、塑性、脆性均是指应变所处状态，随条件变化

4)差应力(differentialstress):轴向应力与围压之差，

一般用01-6表示

5)流体(fluid):分理想流体与粘性流体两种。

理想流体：流体流动时，流体内任何截面上只存在压应力，而不存在剪应力。

粘性流体：流体流动时其内任何截面上除了压应力外，存在有剪应力。

6)粘性(viscidity):流体内部流动层面之间的摩擦效应。

牛顿流体：剪应力与剪应变速率(或法向速度梯度)呈正比的流体材料。

7)粘弹性体(visselasticbody):既具有弹性，又能发生粘性流动的材料

第二节影响岩石力学性质的因素

1.岩石各向异性(anisotropy)岩石的成分、结构、构造等在空间上的变化造成岩石力学性质

的差异。

2.围压(confiningpressure)增大围压的效应：1)增强岩石的强度；

2)增大岩石的韧性；

3.温度(temperature)提高温度，使材料强度降低，韧性增大。达到韧性变形，伸展条件

下需要更高温压条件。

4.孔隙流体(porefluid)孔隙水的存在，

1)可以显著降低岩石强度；

2)促进矿物溶解，促进岩石塑性变形；

3)产生孔隙压力，抵消围压作用，降低岩石强度，使岩石易于破裂；孔隙流体压力效

应促使岩石发生剪裂(A)和张裂(B)

5.时间(time)

1)应变速率(strainrate):

降低应变速率，岩石的强度降低，韧性增大。

提高应变速率，岩石的强度升高，脆性增大

2)蠕变(creep)是指在应力恒定情况下，随着时间的增长，变形继续缓慢增加的现象。即应

力恒定-时间增长-变形缓慢增强。

3)松弛(relax)是指在应变保持不变的情况下，随着时间的媛慢增长，应力逐渐减小的现象。

即应变恒定-时间增长-应力逐渐减小。

螺变和松弛在低于岩石弹性极限条件下，导致岩石发生塑性（永久）变形，二者共同效果都

相当于降低岩石的弹性极限，使塑性增大。

影响岩石力学性质的各种因素

影响因素强度韧性

围压增大增大增大

温度增大减小增大

孔隙压力增大减小减小

流体增加减小增大

应变速率减小减小增大

第三节岩石能干性

1.能干性（competence）:反映岩石变形程度相对差异的术语，可以近似的用粘度的大小来

说明。按岩石的能干性差异，可分为能干性（强能干性）和非能干性（弱能干性）两种类型。

在相同条件下，强能干性岩石不易于发生内部变形，而弱能干性岩层易于发生内部变形。

通过对经历同样应力环境的地质体的比较，构造变形特征能够对岩石的能干性进行定性比较。

有限应变状态对比、劈理折射、石香肠构造、褶皱形态等。

第四节岩石变形的微观机制

岩石变形的微观机制主要包括脆性变形机制和

塑形变形机制

1.脆性变形机制(brittledeformation)

微破裂作用、碎裂作用和碎裂流

应力集中一微破裂一应力集中一微破裂拓展连接一碎裂作用一碎裂流

碎裂变形机制在地壳浅层次普遍存在；流体压力促进了碎裂流的形成，使得地壳浅层次广

泛发育各种脉体。

2.塑形变形机制(plasticdeformation)

由于岩石的流变特性及其显微构造、组成矿物的性质及变形条件等不同，其塑形变

形机制也不同。岩石是一种多晶集合体，其塑形变形绝大多数是由单个晶粒的晶内滑动或晶

粒间的相对运动所造成的。

1)晶内滑动和位错滑动

2)位错蠕变

3)扩散燃变

4)溶解蠕变

5)颗粒边界滑动

1)晶内滑动和位错滑动

(1)晶内滑动(intergranularslip):沿某一滑移面的一定方向滑移，可形成晶格优选方位

和形态优选方位，属低温变形机制

晶内滑动的机制是位错滑动(