構(gòu)造地質(zhì)學(xué)講斷層

1、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)講斷層第1頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四斷層形成的相關(guān)因素?cái)鄬有纬墒且粋€(gè)復(fù)雜的動力學(xué)過程，也是一個(gè)復(fù)雜的課題，涉及以下有關(guān)因素：破裂發(fā)生和斷層的形成斷層作用與應(yīng)力狀態(tài)巖石本身的力學(xué)性質(zhì)斷層形成的物理環(huán)境第2頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四巖石破裂的基本條件材料（巖石）類型圍壓條件（P）溫度條件（T）應(yīng)變速率（）施加應(yīng)力類型（壓縮、拉伸）孔隙流體影響右圖代表材料從脆性到韌性的過渡，也反映脆性材料隨T、P增加而出現(xiàn)向韌性轉(zhuǎn)化的趨勢。第3頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四巖石斷裂準(zhǔn)則巖石斷裂是指由于外力作用時(shí)使物體產(chǎn)生

2、的介質(zhì)不連續(xù)面。為什么巖石會產(chǎn)生斷裂？影響因素很多，有兩個(gè)因素是關(guān)鍵因素：巖石要發(fā)生破裂時(shí)截面內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，要達(dá)到臨界（或極限）應(yīng)力狀態(tài)；材料力學(xué)本質(zhì)的影響。在極限應(yīng)力狀態(tài)下，各點(diǎn)極限應(yīng)力分量所應(yīng)滿足的條件稱為斷裂破壞條件或斷裂準(zhǔn)則。第4頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四斷裂準(zhǔn)則類型庫倫理論（最大剪應(yīng)力理論，水平直線型包絡(luò)線理論）；納維葉理論（庫倫納維葉斷裂準(zhǔn)則）斜直線型莫爾包絡(luò)線理論；拋物線型莫爾包絡(luò)線理論；格里菲斯斷裂準(zhǔn)則。第5頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四1.庫倫理論（最大剪應(yīng)力理論）包絡(luò)線方程式：0為抗純剪斷裂極限，也稱為巖石的內(nèi)聚力。包

3、絡(luò)線特征：為水平直線型的破壞曲線。第6頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四理論意義：（1）最大剪應(yīng)力（max）為常量0 。即達(dá)到材料抗剪強(qiáng)度極限時(shí)開始斷裂，稱最大剪應(yīng)力理論或庫倫斷裂準(zhǔn)則。（2）剪裂面與最大主應(yīng)力1的夾角（剪裂角）=45,共軛斷裂夾角（共軛角）為2=90。適用條件：對于塑性材料或高圍壓情況下，該理論比較合適。因此適用于地表深層次構(gòu)造環(huán)境。第7頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四與自然界所發(fā)生的不同第8頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四與自然界所發(fā)生的不同第9頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四2.

4、庫倫納維葉斷裂準(zhǔn)則庫倫理論存在問題：實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)材料因剪切而破壞時(shí)，剪切面與最大主應(yīng)力方向絕大部分都小于45（即22=33322第14頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四頁巖砂巖不同圍壓下莫爾包絡(luò)線第15頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四莫爾包絡(luò)線特征和意義包絡(luò)線代表了斷層作用的應(yīng)力的臨界值，當(dāng)一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力圓與莫爾包絡(luò)線相切，這點(diǎn)就開始破裂，稱為莫爾包絡(luò)線為破壞曲線。莫爾包絡(luò)線分開了不穩(wěn)定域和穩(wěn)定域。莫爾包絡(luò)線可以是一對直線，也可以是曲線。莫爾包絡(luò)線總是向最大主應(yīng)力（壓應(yīng)力）方向張開，它表示巖石在壓縮條件下比拉伸條件下要強(qiáng)。斷裂線不穩(wěn)定域穩(wěn)定域

5、=0+n第16頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四不同應(yīng)力狀態(tài)下的摩爾圓表示應(yīng)力的莫爾圓是研究巖石破壞理論各種準(zhǔn)則的有價(jià)值的形象化手段。表示三種應(yīng)力狀態(tài)：純張、純剪和純壓。表示應(yīng)力值大小：拉伸時(shí)一個(gè)主應(yīng)力為負(fù)值，另一個(gè)主應(yīng)力為0；純剪切時(shí)是一對相等的正值和負(fù)值；壓縮時(shí)一個(gè)主應(yīng)力為正值，另一個(gè)主應(yīng)力為0。圓的直徑逐漸增大，表示最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之間的差逐漸增加（=1-3 ），當(dāng)應(yīng)力差達(dá)到某一特定值時(shí)，材料即發(fā)生破壞。純拉伸莫爾圓直徑最小，暗示材料抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小得多（兩者相差10-20倍）。斷裂線（包絡(luò)線）純張純剪純壓一般壓縮13第17頁，共28頁，2022年，5月2

6、0日，4點(diǎn)50分，星期四破裂方位與莫爾包絡(luò)線形狀的相互關(guān)系對于圖中每一個(gè)應(yīng)力圓來說，預(yù)期大致在P平面上發(fā)生破裂，包絡(luò)線斜率為正的，一般角度（1與斷裂面夾角）小于45。P1點(diǎn)：斷裂面與1呈30斜交，剪破裂；P2點(diǎn)：斷裂面與1呈25斜交，張剪切破裂；P3點(diǎn)：張裂面與1平行（0）。第18頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四4.格里菲斯斷裂準(zhǔn)則庫倫納維葉準(zhǔn)則存在問題：格里菲斯發(fā)現(xiàn)：巖石破裂強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于根據(jù)分子結(jié)構(gòu)理論計(jì)算出來的巖石粘性強(qiáng)度，甚至可以小10-20倍？Griffith理論：Griffith檢查庫倫納維葉準(zhǔn)則時(shí)發(fā)現(xiàn)，在微觀尺度上，巖石像玻璃一樣，它的破裂受到材料原始先前存

7、在的微觀裂縫影響，這種裂隙稱為Griffith裂隙。由于在裂隙口的尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，使巖石對斷裂作用的阻力減弱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的拋物線形包絡(luò)線與Griffith模式一致。第19頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四方程式：當(dāng)1-33時(shí)，n2=4T0(T0+n) （2）單軸壓縮下抗壓強(qiáng)度式中，T0為單軸拉張強(qiáng)度值 n 和n分別為剪裂面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力。包絡(luò)線特征：拋物線形包絡(luò)線。適用條件：在脆性變形方面邁出了一大步，適用于原始材料具有各向 異性和已存在不同微裂隙條件下。n =un + 2 T0 第20頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四斷層方位與應(yīng)力方向的關(guān)系（

8、安德森模式）提出模式前提： 1）地面與空氣之間無剪應(yīng)力作用； 2）三軸應(yīng)力狀態(tài)中一個(gè)主應(yīng)力軸垂直地面； 3）斷層面是剪切破裂面。斷層應(yīng)力狀態(tài)：正斷層：1直立，2和3水平。逆斷層：1和2（中間主應(yīng)力軸）水平，3垂直。平移斷層（走滑斷層）：1和3水平，中間軸（2）直立。第21頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四正斷層形成條件應(yīng)力狀態(tài)：1直立，2和3水平。斷層產(chǎn)狀特征：2與斷層走向一致，上盤順斷層傾向下滑。正斷層形成條件：最大主應(yīng)力（1）在垂直方向上逐漸增大，或者最小主應(yīng)力（3）在水平方向上減小。地殼水平拉伸和垂向上隆是最適合于發(fā)生正斷層的應(yīng)力狀態(tài)。第22頁，共28頁，2022年

9、，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四第23頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四逆斷層形成條件應(yīng)力狀態(tài)：1和2（中間主應(yīng)力軸）水平，3垂直。斷層產(chǎn)狀特征：2平行于斷層走向，上盤順斷層傾向向上滑動。逆斷層產(chǎn)生條件：1在水平方向上逐漸增大，或者3逐漸減小。地殼中水平擠壓有利于逆沖斷層的發(fā)育（例如大陸造山帶擠壓碰撞帶）。第24頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四第25頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四平移（走滑）斷層形成條件應(yīng)力狀態(tài)：1和3水平，中間軸（2）直立。產(chǎn)狀特征：斷層面走向在垂直于2方向上滑動，兩盤順斷層走向滑動。左旋滑動：逆時(shí)針方向

10、滑動。右旋滑動：順時(shí)針方向活動。形成條件：滑動方向與1、3應(yīng)力大小有關(guān)。安德森模式是解釋近地表或地殼淺部脆性斷裂的依據(jù)。第26頁，共28頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四沙箱實(shí)驗(yàn)?zāi)M正斷層和逆斷層的形成Hubbert（1951）的實(shí)驗(yàn)材料：沙子實(shí)驗(yàn)過程：轉(zhuǎn)動螺桿推動力推動金屬隔板。隔板向右運(yùn)動，在左間內(nèi)發(fā)育了正斷層，它傾角為典型的60，為沙子內(nèi)摩擦角的余角。隔板繼續(xù)向右運(yùn)動，當(dāng)沙子受到壓縮形成逆斷層，斷層傾角約為30。動力學(xué)分析：（1）沙子在兩室都處于靜巖應(yīng)力狀態(tài)，各方 向的應(yīng)力相等。（2）隔板向右，使左間內(nèi)水平應(yīng)力減小， 3是水平的，1是直立的，形成正斷 層。（3）在右間內(nèi)正相反，使右間內(nèi)水平應(yīng)