第七章構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與變動(dòng)二

第四節(jié)應(yīng)力及巖石變形一應(yīng)力相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)(一)、面力和體力1.力——物體相互間的一種機(jī)械作用。2.接觸力——物體與物體間的作用力。3.面力——作用在物體表面的接觸力。4.應(yīng)力集中——接觸面積與物體邊界面積比量級(jí)很小時(shí),即集中。5.體力——非接觸力作用在物體內(nèi)部每一支點(diǎn)上時(shí),為體力。(二)、外力和內(nèi)力1.外力——外界物體向研究物體施加的作用力。2.內(nèi)力——外力作用引起的物體內(nèi)部各點(diǎn)之間的相互作用力。(三)、截面上的應(yīng)力、正應(yīng)力、剪應(yīng)力1.應(yīng)力：在外力作用下,物體內(nèi)任一截面單位面積上的受力大小。2.正應(yīng)力：垂直截面的應(yīng)力，以σ表示3.剪應(yīng)力：平行截面的應(yīng)力，以τ表示(四)、主應(yīng)力、主方向、主平面1.主應(yīng)力：某一截面上只有正應(yīng)力，沒(méi)有剪應(yīng)力時(shí)的正應(yīng)力2.主方向：主應(yīng)力的方向3.主平面：垂直于主應(yīng)力的平面(四)地應(yīng)力、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變橢球體

巖層原始形態(tài)一般為水平，而傾斜巖層、直立巖層、倒轉(zhuǎn)巖層，以及巖層褶皺、斷裂,顯然是受力作用的結(jié)果。巖層受到外力作用,必然產(chǎn)生與之外力相抗衡或?qū)χ诺牧?，稱“地應(yīng)力”,用kg/cm2。在地殼內(nèi)巖石的應(yīng)力，稱“地應(yīng)力”。它是地殼巖石在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的構(gòu)造力的作用下,其內(nèi)部各點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力,也稱構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力分布的空間稱為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，簡(jiǎn)稱“應(yīng)力場(chǎng)”。為了說(shuō)明構(gòu)造應(yīng)力空間分布的規(guī)律，通常采用“應(yīng)變橢球體”來(lái)作幾何形象的解釋。應(yīng)變橢球體(StrainEllipsoid)是將各向同性的巖石中的任一立方體,假想其中存在一個(gè)圓球體,當(dāng)這一立方體受到三個(gè)方向不等的力的作用時(shí),在不超過(guò)極限的范圍內(nèi),原來(lái)的圓球體即變成橢球體,三軸不等,也即“應(yīng)變橢球體”。

如把應(yīng)變橢球體簡(jiǎn)化為“應(yīng)變橢圓”,即可以從平面上看出巖石受力時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)情況，也即各種應(yīng)力的空間分布情況:X軸為張應(yīng)力最大的方向;Y軸為壓應(yīng)力最大的方向;與X或Y軸成45o的方向?yàn)樽畲蠹羟袘?yīng)力的方向。二、巖石變形

1、變形(strain)——巖石體受到應(yīng)力作用后，其內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)經(jīng)受了一系列的位移,使巖石體的初始形狀、方位或位置發(fā)生了改變。巖石變形分三個(gè)階段，即彈性變形、塑性變形和斷裂變形。

(1)彈性變形──巖石受外力發(fā)生變形,但不超過(guò)彈性極限,并隨著外力消失而變形消失。地震時(shí)所產(chǎn)生的地震波,即彈性波屬此性質(zhì)。彈性變形在地殼中不留任何痕跡,所以對(duì)研究地質(zhì)構(gòu)造來(lái)說(shuō),意義不大。

(2)塑性變形──巖石受外力作用并超過(guò)其彈性極限所發(fā)生的變形,外力作用消失后不能恢復(fù)原來(lái)形狀，形成永久變形，并仍然保持其連續(xù)完整性。地殼中普遍保存有塑性變形的褶皺構(gòu)造等重要地質(zhì)現(xiàn)象。塑性變形現(xiàn)象主要出現(xiàn)在應(yīng)變橢球體承受最大壓應(yīng)力的變形面上，即應(yīng)變橢球體的X軸方向,其方向常產(chǎn)生褶皺帶，如我國(guó)及世界一些緯向褶皺帶,如天山、秦嶺等皆與地球南北受力之關(guān)系。(3)斷裂變形──巖石所受外力達(dá)到或超過(guò)巖石強(qiáng)度的極限時(shí),巖石內(nèi)部結(jié)合力被破壞,產(chǎn)生破裂面，失去其連續(xù)完整性,這種變形稱斷裂變形。巖石強(qiáng)度極限是指常溫常壓下使巖石開(kāi)始出現(xiàn)破裂時(shí)的應(yīng)力值,也稱破裂極限。地殼中廣泛存在著的各種斷裂構(gòu)造，即屬于此種變形。應(yīng)變橢球體中承受最大張應(yīng)力的Y軸方向容易產(chǎn)生張性斷裂；承受最大剪切應(yīng)力的方向容易產(chǎn)生剪切斷裂。塑性變形、張性斷裂和剪切斷裂往往在一定的區(qū)域幾者共生在一起，以此可以判斷古構(gòu)造的應(yīng)力方向等。同一巖石的抗壓、抗張和抗剪強(qiáng)度是不同的。通常，巖石的抗壓強(qiáng)度>抗剪強(qiáng)度>抗張強(qiáng)度，而不同巖石的抗壓強(qiáng)度或抗張強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度又有差異。巖石變形的一般應(yīng)力—應(yīng)變曲線2、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的外界因素(1)．圍壓——影響巖石的極限強(qiáng)度和韌性,使固體物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)彼此接近，增強(qiáng)了質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)聚力，從而使晶格不易破壞，因而不易破裂。圍壓與深度和構(gòu)造環(huán)境有關(guān)。

(2)．溫度——影響巖石的韌性和屈服極限。溫度升高時(shí)巖石質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，減弱了它們之間的聯(lián)系能力，使物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)更容易位移。溫度與深度和構(gòu)造環(huán)境有關(guān)。

(3)．孔隙流體——影響巖石的強(qiáng)度和質(zhì)點(diǎn)遷移能力(異?？紫读黧w)大理巖在擠壓應(yīng)力作用下的變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.8×107Pa4.7×107Pa(4)．時(shí)間——(a)時(shí)間對(duì)應(yīng)變速率的影響。長(zhǎng)時(shí)間受力時(shí)質(zhì)點(diǎn)有充足的時(shí)間固定下來(lái)，易于產(chǎn)生永久變形;快速受力時(shí)質(zhì)點(diǎn)來(lái)不及重新排列就破裂了，表現(xiàn)出脆性特征。(b)蠕變與松弛——長(zhǎng)時(shí)間地緩慢變形會(huì)降低彈性極限在應(yīng)力不增加的情況下,應(yīng)變隨著時(shí)間的增長(zhǎng)緩慢增加的現(xiàn)象就是蠕變,反映了巖石的流動(dòng)性。在應(yīng)變恒定的情況下，所需應(yīng)力可以隨時(shí)間增長(zhǎng)不斷減小的現(xiàn)象就是松弛。巖石中各種地質(zhì)構(gòu)造主要是巖石蠕變的產(chǎn)物。2.位移——物體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的位置在變形前后的相對(duì)變化,包括平移、旋轉(zhuǎn)、體變、形變。平移、旋轉(zhuǎn)：改變坐標(biāo)，不改變形態(tài)(內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位置不變);體變、形變：改變形態(tài)和體積(內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位置改變)。第四節(jié)褶皺構(gòu)造

巖層在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(或地應(yīng)力)作用下所產(chǎn)生的彎曲變形，但仍保持連續(xù)性，即巖層的彎曲現(xiàn)象，稱為褶皺。褶皺是在地應(yīng)力作用下巖層塑性變形的結(jié)果，屬地殼中廣泛發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造的基本形態(tài)之一。褶皺構(gòu)造的規(guī)?？砷L(zhǎng)達(dá)幾十到幾百千米,也可小到在手標(biāo)本上出現(xiàn)。通常褶皺構(gòu)造都是一系列彎曲的巖層,把其中一個(gè)彎曲稱褶曲。成因上,褶皺主要是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所造成的，大多數(shù)是水平運(yùn)動(dòng)的擠壓作用所形成的,少數(shù)由垂直運(yùn)動(dòng)使巖層向上拱起或向下拗曲。此外,外力作用(如冰凍作用、泥石流、滑坡等)也可造成巖層的彎曲變形,但一般不屬于褶皺變動(dòng)的范疇。一褶曲的基本要素

褶曲的基本要素是指褶曲的各個(gè)組成部分和確定其幾何形態(tài)的要素。包括：核、翼、軸面、樞紐、軸、轉(zhuǎn)折端。

1、核(core)──褶曲的中心部分，即褶曲兩側(cè)同一巖層之間的部分。野外工作中,往往指褶曲出露地表最中心部分的巖層。

2、翼(limb)、翼角和頂角──褶曲核部?jī)蓚?cè)巖層(一個(gè)褶曲有兩個(gè)翼)。翼與水平面的夾角,稱翼角。兩翼同一巖層之間的夾角，稱頂角。

3、軸面(foldaxialsurface)──平分褶曲兩翼的假想的對(duì)稱面。其產(chǎn)狀可以是直立的，傾斜的，或水平的。軸面形態(tài)和產(chǎn)狀反映褶曲橫剖面的形態(tài)。

4、樞紐(hinge)──褶曲巖層的同一層面與軸面相交的線。樞紐可以是水平的、傾斜的或波浪起伏的。可以表示褶曲在其延長(zhǎng)方向上產(chǎn)狀的變化。

5、軸(foldaxis)──軸面與水平面的交線。因此，軸永遠(yuǎn)是水平的?？梢允撬降闹本€或水平的曲線，代表了褶曲的延伸方向，其長(zhǎng)度反映褶曲的規(guī)模。

6、轉(zhuǎn)折端──褶曲兩翼會(huì)合的部分，即褶曲兩翼之間的過(guò)渡部分?？梢允且稽c(diǎn)或者是一段曲線。其形態(tài)在一定程度上反映褶曲的強(qiáng)度和巖層的強(qiáng)度。線段長(zhǎng)則受力強(qiáng)度小，褶曲緩，反之則褶曲強(qiáng)度大，巖層陡。褶曲(皺)的樞紐褶曲的核部和軸二褶曲的基本形式—背斜和向斜

褶曲的形態(tài)多種多樣，但基本形式只有背斜和向斜。從外形上判斷,背斜一般是巖層向上突出的彎曲,兩翼巖層自中心向外傾斜；向斜一般是巖層向下突出的彎曲,兩翼巖層自兩側(cè)向中心傾斜。該判斷方法在多數(shù)情況下是適用的。但有些情況下是沒(méi)法判斷的。例如，褶曲是橫臥時(shí),或褶曲兩翼平行而頂部被剝蝕時(shí),或褶曲呈扇形彎曲而頂部亦被剝蝕時(shí)等。背斜(anticline)向斜(syncline)向斜成山三、褶曲形態(tài)分類(lèi)褶曲形態(tài)分類(lèi)在一定程度上反映了褶曲形成的力學(xué)背景，也是對(duì)褶曲研究的基礎(chǔ)，在地質(zhì)測(cè)量、找礦和地貌研究等方面都具有實(shí)際意義。褶曲要素是褶曲形態(tài)分類(lèi)的重要依據(jù)。按這些褶曲要素大致可分為：

(一)褶曲的橫剖面形態(tài)

(二)褶曲的縱剖面形態(tài)

(三)褶曲的平面形態(tài)(1)直立褶曲uprightfold(對(duì)稱褶曲,symmetricalfold)──軸面直立,兩翼向不同方向傾斜,兩翼傾角相等,兩翼對(duì)稱。

(2)傾斜褶曲inclinedfold(不對(duì)稱褶曲,asymmetricalfold)──軸面傾斜,兩翼向不同方向傾斜,兩翼傾角不等,兩翼不對(duì)稱。

(3)倒轉(zhuǎn)褶曲(overturnedfold)──軸面傾角(相對(duì)傾斜褶皺)小,兩翼向同一方向傾斜,其中一翼巖層發(fā)生倒轉(zhuǎn),兩翼傾角相等或不等。

(一)褶曲的橫剖面形態(tài)根據(jù)軸面產(chǎn)狀并結(jié)合兩翼特點(diǎn)分類(lèi)(4)平臥褶曲(橫臥褶曲,伏褶曲,recumbentfold)──軸面水平或近水平，兩翼巖層產(chǎn)狀也近水平；一翼層位是正常的,另一翼層位發(fā)生倒轉(zhuǎn)。

(5)翻卷褶曲(convolutefold)──軸面翻轉(zhuǎn)向下彎曲,此種褶曲在外觀上是向(背)斜,實(shí)際上是背(向)斜(即背斜式向斜)。通常由平臥褶曲轉(zhuǎn)折端部分翻卷而成。A.對(duì)稱褶皺(直立)B.等斜褶皺(直立)

C.不對(duì)稱褶皺(斜歪)E、D.傾伏褶皺(斜歪或倒轉(zhuǎn))直立褶曲(1)山地：等高線海拔由四周向中心增大，中心的三角形代表山頂。(2)盆地：等高線海拔由四周向中心減小。(3)山脊：等高線由海拔較高向海拔較低處凸。(4)山谷：等高線由海拔較低向海拔較高出凸。(5)鞍部：兩山頂之間的低地。傾斜褶曲倒轉(zhuǎn)褶曲倒轉(zhuǎn)褶皺平臥褶曲翻卷褶曲2根據(jù)轉(zhuǎn)折端形狀及兩翼特點(diǎn)分類(lèi)(1)圓弧褶曲——轉(zhuǎn)折端呈圓滑弧形。

(2)箱形褶曲(boxfold)──轉(zhuǎn)折端平直而兩翼陡峭,在兩翼轉(zhuǎn)折處呈膝狀彎曲,形似箱狀。大型箱形褶曲的一翼可稱撓曲,即巖層呈一面傾斜的臺(tái)階狀或膝狀褶曲。

(3)鋸齒狀褶曲(chevronfold

)──轉(zhuǎn)折端是一點(diǎn),呈鋸齒狀,常發(fā)生于巖性較堅(jiān)硬且脆的巖層中。

(4)等斜褶曲──兩翼與軸面平行,假如軸面傾斜,則必有一翼倒轉(zhuǎn)。

(5)扇形褶曲(fanfold)──轉(zhuǎn)折端平緩而兩翼巖層均倒轉(zhuǎn),即在褶曲核部?jī)蓚?cè)的巖層,背斜者彎曲向下,而向斜者彎曲向上,或在背斜中兩翼巖層向軸面傾斜,向斜中則自軸面向外傾斜。此種褶曲反映了兩翼受到兩側(cè)壓力較大逐漸向軸面運(yùn)動(dòng)的情況。尖棱褶皺圓弧褶皺箱狀褶皺膝褶圓弧褶曲鋸齒狀褶曲或尖棱褶曲大型箱形褶曲（二）褶曲的縱剖面形態(tài)1、根據(jù)樞紐的產(chǎn)狀分為:(1)水平褶曲——樞紐近于水平的褶曲。(2)傾伏褶曲——樞紐傾伏的褶曲。樞紐與其在水平面上的投影的夾角,稱傾伏角。(3)傾豎褶曲——樞紐近于直立的褶曲。水平褶皺形成的平行山脊和山谷傾伏褶曲2、根據(jù)褶面產(chǎn)狀和樞紐產(chǎn)狀綜合分類(lèi)(1)直立水平褶曲——褶面近于直立(傾角80－90o),而樞紐近于水平(傾伏角0~10o)。

(2)直立傾伏褶曲——褶面近于直立,而樞紐傾斜(傾伏角10~80o)。

(3)傾豎褶曲——褶面和樞紐均近于直立(80~90o)。

(4)傾斜水平褶曲——褶面傾斜,而樞紐也近于水平(傾伏角0~10o)。

(5)平臥褶曲——軸面近于水平(0~10o)，樞紐也近于水平(0~10o)。

(6)傾斜傾伏褶曲——軸面傾斜(10~80o)，樞紐也傾伏(10~80o),但二者的傾向和傾斜程度不一致。

(7)斜臥褶曲——褶面傾斜(10~80o),樞紐也傾斜(10~80o),但二者的傾向基本平行,傾角也大致相等。a.直立水平褶曲b,c.直立傾伏褶曲d.傾豎褶曲直立傾伏褶皺直立水平褶曲傾斜水平褶皺(安徽泗縣)大型平臥褶曲(中巴公路蓋孜檢查站)(三)褶曲的平面形態(tài)1、線形褶曲(長(zhǎng)褶曲)──褶曲軸向一定方向延伸很遠(yuǎn),可從幾十千米到數(shù)百千米以上,長(zhǎng)與寬之比大于10:1。線形褶曲的背斜及向斜呈連續(xù)分布,褶曲強(qiáng)度較大。因此,線形褶曲往往發(fā)育在水平擠壓力較強(qiáng)的地區(qū),即地殼上比較活動(dòng)的地帶。

2、長(zhǎng)圓形褶曲(短軸褶曲)──軸延長(zhǎng)較短,長(zhǎng)與寬之比在10:1到3:1之間。若為背斜叫短背斜,若為向斜叫短向斜,在平面的投影近橢圓形。

3、渾圓形褶曲——核部長(zhǎng)寬之比小于3:1，平面投影近似圓形。若為背斜,稱穹隆;若為向斜,稱構(gòu)造盆地。穹隆和構(gòu)造盆地往往獨(dú)立存在,地層露頭在平面上均呈近圓形。它們是構(gòu)造形態(tài)，不可與地形上的隆起及盆地相混。地形上的隆起可以是背斜，亦可以是向斜，而地形上的盆地同樣可以是背斜，亦可以是向斜。上述短背斜和穹隆構(gòu)造是良好的儲(chǔ)油構(gòu)造，世界上許多油田與這種構(gòu)造有關(guān)。線性褶曲線性褶皺四、褶曲在地質(zhì)圖上的表現(xiàn)(一)水平褶曲——在地質(zhì)圖上分析褶曲,首先要注意巖層的新老關(guān)系;其次要注意巖層的產(chǎn)狀;第三要注意地形與巖層的關(guān)系。表現(xiàn)在地質(zhì)圖上兩翼巖層對(duì)稱重復(fù),并與走向平行延伸。如果核部為老巖層,越向兩側(cè)越新,則為背斜;反之為向斜。

(二)傾伏褶曲──褶曲的樞紐是傾伏的。樞紐與其水平投影的夾角叫傾伏角，傾伏褶曲表現(xiàn)在地質(zhì)圖上兩翼巖層對(duì)稱重復(fù)，但彼此不平行而逐漸轉(zhuǎn)折匯合。傾伏背斜在轉(zhuǎn)折端處巖層向褶曲的外方傾斜，叫外傾轉(zhuǎn)折。傾伏向斜在轉(zhuǎn)折端處巖層向褶曲的內(nèi)方傾斜，叫內(nèi)傾轉(zhuǎn)折。根據(jù)轉(zhuǎn)折端的內(nèi)傾和外傾，可以判斷傾伏背斜和傾伏向斜。當(dāng)一套傾伏背斜和傾伏向斜連續(xù)出現(xiàn)時(shí)，則其地質(zhì)界線呈“之”字型彎曲；沿任一褶曲軸巖層越來(lái)越新的方向?yàn)轳耷膬A伏方向。

傾伏褶曲（三）剖面上褶曲的組合類(lèi)型1復(fù)背斜(anticlinorium)和復(fù)向斜──規(guī)模巨大的翼部為次一級(jí)甚至更次一級(jí)褶曲所復(fù)雜化的背斜(向斜)構(gòu)造。這些次一級(jí)褶曲軸走向大致一致,從平面上看多呈緊密相鄰、同等發(fā)育的線形褶曲；從橫剖面上看,復(fù)背斜的褶曲軸面多向下形成扇形收斂;而復(fù)向斜的褶曲褶面多向上形成倒扇狀收斂。在劇烈的褶皺地帶，構(gòu)造十分復(fù)雜，大部分形成復(fù)背斜和復(fù)向斜構(gòu)造。例如，我國(guó)一些著名的大山脈如昆侖山、祁連山、秦嶺等都是這樣復(fù)雜的褶皺山脈。扇形復(fù)背斜倒扇形復(fù)背斜倒扇形復(fù)背斜3同斜褶皺(isoclinalfold/congruousfold)和等斜褶皺(isoclinalfold)──由一系列褶曲軸面和兩翼巖層向同一方向傾斜的倒轉(zhuǎn)褶曲所組成的褶皺，稱為同斜褶皺。如果有一系列相連的倒轉(zhuǎn)褶曲和兩翼巖層，不僅向同一方向傾斜，而且其傾角幾乎相等，此稱等斜褶皺。

4隔擋式(combfold)和隔槽式褶皺(trough-likefold)──褶曲軸并列但背斜和向斜發(fā)育程度不等時(shí)，即形成這種類(lèi)型的褶皺。如果背斜狹窄而向斜開(kāi)闊，即組成隔擋式褶皺；如果背斜開(kāi)闊而向斜狹窄，即組成隔槽式褶皺。如何在野外認(rèn)識(shí)褶皺構(gòu)造

褶皺構(gòu)造是地質(zhì)構(gòu)造的重要部分,幾乎在所有的沉積巖和部分變質(zhì)巖構(gòu)成的山地都有不同規(guī)模的褶皺構(gòu)造。小型褶皺構(gòu)造可以在一個(gè)地質(zhì)剖面就可以窺見(jiàn);大型褶皺構(gòu)造往往長(zhǎng)數(shù)千米至數(shù)萬(wàn)米，即使在野外觀察很長(zhǎng)一段距離,看到的可能仍是一個(gè)翼的范圍。掌握野外認(rèn)識(shí)褶皺構(gòu)造的方法就顯得比較重要。

(一)查閱已有的地質(zhì)圖件，分析其中的褶皺構(gòu)造

(二)地質(zhì)方法

(三)地貌方法(二)地質(zhì)方法1、對(duì)一個(gè)地區(qū)的巖層順序、巖性、厚度、各露頭產(chǎn)狀等進(jìn)行測(cè)量，判斷褶曲是否存在；然后判斷巖層的新老關(guān)系及其對(duì)稱重復(fù)情形,據(jù)此判斷是背斜還是向斜；再根據(jù)軸面產(chǎn)狀、兩翼產(chǎn)狀及樞紐產(chǎn)狀等判斷褶曲的橫剖面、縱剖面或水平面的形態(tài)。

2、采取穿越法或追索法野外布置考察路線。穿越法,即垂直巖層走向進(jìn)行觀察,以了解所有巖層的巖性、順序、產(chǎn)狀、新老關(guān)系等特征。追索法,即沿著某一標(biāo)志層(厚度比較穩(wěn)定,巖性比較固定鮮明、在地貌上反映比較突出的巖層)的延伸方向進(jìn)行觀察,以便了解兩翼是否平行延伸等。(三)地貌方法

地貌方法即通過(guò)與褶皺構(gòu)造有關(guān)的地貌形態(tài)來(lái)判斷褶皺是否存在及其類(lèi)型。