知名大學(xué)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)講義第4章變形巖石應(yīng)變

1、第4章 變形巖石應(yīng)變分析基礎(chǔ)徐海軍地球科學(xué)學(xué)院第一節(jié)變形和位移地質(zhì)體變形的基本方式當(dāng)?shù)貧ぶ袔r石體受到應(yīng)力作用后，其內(nèi)部各質(zhì)點經(jīng)受了一系列的位移，從而使巖石體的初始形狀、方位或位置發(fā)生了改變，這種改變通常稱為變形。變形的基本方式可分為四種：平移、轉(zhuǎn)動、形變和體變。變形和位移平移：位置發(fā)生改變旋轉(zhuǎn)：方位發(fā)生改變體變：體積發(fā)生改變形變：形狀發(fā)生改變平移和旋轉(zhuǎn)是物體整體空間位置的變化，而其內(nèi)部各質(zhì)點間相對位置不變，因此并不會改變物體的形態(tài)，僅引起物體的位移，稱變位。體變和形變則使物體內(nèi)部各質(zhì)點間的相對位置發(fā)生了改變，從而改變了物體的大小和形狀，即引起了物體的應(yīng)變。第二節(jié)應(yīng)變的度量應(yīng)變（strain）應(yīng)

2、變與應(yīng)力狀態(tài)的含義不同，它是表示物體的變形程度。應(yīng)力狀態(tài)是指某一瞬間作用于物體上的應(yīng)力情況，而應(yīng)變是指與初始狀態(tài)比較的物體變形后的狀態(tài)。應(yīng)變是物體受應(yīng)力作用發(fā)生變形的產(chǎn)物，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系是一種因果關(guān)系。應(yīng)變（strain）應(yīng)變：是物體變形程度的度量，即物體形狀和大小的改變量。線應(yīng)變：物體內(nèi)部質(zhì)點間線段長度的變化量。剪應(yīng)變：物體內(nèi)部相交線段間的夾角大小的變化量（偏斜量）的正切。伸長度平方長度比剪應(yīng)變剪變角線應(yīng)變線應(yīng)變e：變形前后長度的改變量。式中，l0、l1變形前、后同一線段的長度。地質(zhì)上，把伸長的e取正值，縮短時的e取負(fù)值。線應(yīng)變這種線應(yīng)變表示的拉伸變形，伸長了60%，e變化范圍從-1（

3、強(qiáng)烈壓縮）0（長度沒有變化）（極度伸長）平方長度比是應(yīng)變測量中常用量，為同一線段在變形前、后長度之比的平方。線應(yīng)變計算的地質(zhì)實例箭石原來長度（l0） 82 mm拉長箭石長度（ l1）185 mme=1.25 伸長率125=(1+e)2=5.06箭石化石不僅被拉長了125，而且化石周圍巖石也被拉長了125剪應(yīng)變（角應(yīng)變）變形前相互垂直的兩條直線，變形后其夾角偏離直角的量稱為角應(yīng)變（ ）或簡稱角剪應(yīng)變，其正切稱為剪應(yīng)變（）：=tg剪應(yīng)變的地質(zhì)實例在右行剪切時為正，左行剪切時為負(fù)。三葉蟲變形第三節(jié)均勻變形和非均勻變形均勻變形變形前后物體各部分的變形性質(zhì)、方向和大小都相同的變形，即為均勻變形。其特征為

4、：原來的直線或平面，變形后仍然是直線或平面， 但方向可能改變。原來互相平行的直線或平面，變形后仍然平行，方向也可能改變。變形物體中同一方向的直線具有相同的伸縮量和角度的變化，如正方體-菱形體、圓-橢圓。非均勻變形變形前后物體各部分的變形性質(zhì)、方向和大小都有變化的變形，即為非均勻變形。其特征為：原來的直線或平面，變形后為曲線或曲面。原來互相平行的直線或平面，變形后不再平行。變形物體中同一方向的直線，伸縮量和角度的變化是不同的。均勻變形的類型軸對稱伸展axially symmetric extension軸對稱縮短axially symmetric shortening平面應(yīng)變plane stra

5、in一般應(yīng)變general strain連續(xù)變形、不連續(xù)變形連續(xù)變形：物體內(nèi)從一點到另一點的應(yīng)變狀態(tài)是逐漸改變的，稱為連續(xù)變形。不連續(xù)變形：物體內(nèi)從一點到另一點的應(yīng)變狀態(tài)是 突然改變的，則應(yīng)變是不連續(xù)的，稱為不連續(xù)變形。第四節(jié)應(yīng)變橢球體應(yīng)變橢球體：以橢球體的形態(tài)和方位來表示巖石的應(yīng)變狀態(tài)，該橢球體稱為應(yīng)變橢球體。 基本要素：三個主軸1、 2、 3、或X、Y、Z、或A、B、C三個主平面XY面，YZ面，XZ面兩個圓切面應(yīng)變橢球體（Strain ellipsoid）應(yīng)變主軸：應(yīng)變橢球體有三個互相垂直的應(yīng)變主軸，沿應(yīng)變主軸方向只有線應(yīng)變而沒有剪應(yīng)變。根據(jù)三個互相垂直的應(yīng)變主軸的線應(yīng)變的大小，可分為最大

6、應(yīng)變主軸、最小應(yīng)變主軸和中間應(yīng)變主軸。主平面（主變形面）：包含任意兩個應(yīng)變主軸的平面。其中：AB面垂直最小應(yīng)變主軸C軸，為最大壓縮面，即代表最大擠壓變形面。BC面垂直最大應(yīng)變主軸A軸，為最大拉伸面，即代表最大張裂變形面。圓截面：切過應(yīng)變橢球體中心的切面一般為橢圓形，但其中有兩個截面是圓形的，稱圓截面。兩個圓截面的交線是中間應(yīng)變主軸B軸。兩個圓截面與A軸的夾角一般小于45度。兩個圓截面為最大剪切面，即代表最大剪破裂面。其同等發(fā)育時，則構(gòu)成共扼剪切破裂面。非旋轉(zhuǎn)變形（純剪變形）/旋轉(zhuǎn)變形（簡單剪切應(yīng)變）純剪切應(yīng)變（Pure shear strain）是一種均勻的非旋轉(zhuǎn)應(yīng)變，其特征是平行于應(yīng)變橢球的

7、主軸的物質(zhì)線在變形之后具有同一方位。簡單剪切變形（Simple shear strain）是一種均勻的旋轉(zhuǎn)應(yīng)變，其特征是應(yīng)變主軸是旋轉(zhuǎn)的。大多數(shù)野外變形露頭表明，簡單剪切的旋轉(zhuǎn)形變是天然構(gòu)造形成的最重要的地質(zhì)作用。純剪切應(yīng)變（Pure shear strain）簡單剪切應(yīng)變（simple shear strain）褶皺形成過程中的應(yīng)變變化第四節(jié)應(yīng)變橢球體形態(tài)類型及其幾何表示方法弗林圖解（Flinn diagram）k = tan = (a-1)/(b-1)其中：a = X/Y = (1+e1)/(1+e2)b = Y/Z = (1+e2)/(1+e3)1935年，Zings首次提出這種圖解，1

8、962年，F(xiàn)linn把它應(yīng)用于構(gòu)造地質(zhì)學(xué)。弗林圖解（Flinn diagram）k= (1+e1)(1+e2)= (1+e3)軸對稱伸長橢球體k=0 (1+e1)=(1+e2) (1+e3)軸對稱壓扁橢球體k=1 (1+e1) (1+e3)(1+e2)20平面應(yīng)變橢球體1k1 ( 1+e2) ( 1+e3)長形橢球體1k0 (1+e1)(1+e2)1 (1+e3)扁形橢球體1935年，Zings首次提出這種圖解，1962年，F(xiàn)linn把它應(yīng)用于構(gòu)造地質(zhì)學(xué)。巖石應(yīng)變分析1、樣品處理方法觀 察 在室內(nèi)仔細(xì)觀察石英、黑云母等礦物的排列方向或優(yōu)選方位，確定面狀和線狀組構(gòu)要素，確定應(yīng)變主軸的方向。測 量

9、 磨制定向薄片，每標(biāo)本切制三片，代表xy、yz、xz三個主應(yīng)變面。三個薄片一組，利用顯微鏡橫絲刻度測量出石英礦物顆粒的長短軸，每薄片測量4550顆粒，記錄數(shù)據(jù)。處 理 數(shù)據(jù)采集完畢后，使用Robin法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別計算出Rsxz、 Rsyz、Rsxy。以LnRsxy為縱坐標(biāo)，LnRsyz為橫坐標(biāo)，投圖，將各樣品應(yīng)變主軸方位赤平投影。雙河巖體三維應(yīng)變測量顯微照片（視域直徑5mm） sh12 xy面（左上） xz面（左下） yz面（右上）劉強(qiáng) 提供 2、測量結(jié)果樣品xyyzxzKX軸產(chǎn)狀Y軸產(chǎn)狀Z軸產(chǎn)狀SH-081.251.561.800.5095202121728571SH-091.311

10、.511.800.4626328190149862SH-101.141.901.980.2012933213232652SH-111.231.852.080.281493049232159SH-121.172.022.130.2226942185449554SH-161.301.691.990.50135402251833152SH-171.201.631.770.37134252281233852SH-181.221.812.180.2621713124302364SH-191.061.461.690.1123770111273522SH-201.261.641.880.3720015102

11、321581SH-211.301.641.930.4012653501233244SH-221.311.581.880.5911325121731661SH-231.151.371.710.5921221201830078SH-241.281.461.700.65141302141131560SH-251.241.501.680.53147152041132585劉強(qiáng) 提供 3、測量結(jié)果圖解雙河巖體Flinn圖解（左）和應(yīng)變主軸投影（右）劉強(qiáng) 提供第五節(jié)遞進(jìn)變形遞進(jìn)變形有限應(yīng)變物體變形最終狀態(tài)與初始狀態(tài)對比發(fā)生變化，稱為有限應(yīng)變或總應(yīng)變。無限小應(yīng)變變形過程中某瞬間正在發(fā)生的小應(yīng)變叫增量應(yīng)變，如果取瞬間非常微小時，期間發(fā)生的微量應(yīng)變稱為無限小應(yīng)變。遞進(jìn)變形是許多無限小應(yīng)變逐漸累積過程的變形。在變形歷史任何一個階段：應(yīng)變狀態(tài)都由已經(jīng)發(fā)生的有限應(yīng)變正在發(fā)生的無限小應(yīng)變（或增量應(yīng)變）組成。遞進(jìn)變形用卡片模擬簡單剪切的遞進(jìn)變形過程（Ragan,1973）帶點象限標(biāo)識每個應(yīng)變橢圓中的伸長區(qū)，第5列描述了最終應(yīng)變后各橢圓的形態(tài)，第5行代表增量應(yīng)變橢圓的形態(tài)及其伸長區(qū)的范圍。共軸非共軸遞進(jìn)變形在遞進(jìn)變形過程中，如果各增量應(yīng)變橢球體的主軸始終與有限應(yīng)變橢球體的主軸一致，這種變形稱為共軸遞進(jìn)變形。