構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課件（吉林大學(xué)）

第一章、概述

一、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)及其內(nèi)涵3

二、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的學(xué)科分類3

三、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的研究意義、地位與作用4

四、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的研究方法5

第二章、基礎(chǔ)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)

第一節(jié)巖石變形及其力學(xué)基礎(chǔ)6

一、常見的應(yīng)力狀態(tài)8

二、正應(yīng)力與主應(yīng)力之間的關(guān)系8

三、變形與應(yīng)變9

四、巖石流變學(xué)12

五、巖石破裂方式與破裂理論14

第二節(jié)巖石的成層性與層狀構(gòu)造

一、巖石的成層性與原生構(gòu)造16

二、利用層理構(gòu)造和層面構(gòu)造確定巖層的頂面和底面16

三、巖石成層性的幾何學(xué)表示（產(chǎn)狀）18

四、巖層、巖體的接觸關(guān)系20

第三節(jié)褶皺構(gòu)造與褶皺作用

一、褶皺與褶皺要素24

二、褶皺的幾何形態(tài)描述25

三、褶皺的分類28

四、褶皺成因分析31

五、疊加褶皺及其基本型式37

第四門巖石脆性變形構(gòu)造與變形過程

一、巖石脆性破裂形成過程及控制因素41

二、巖石節(jié)理43

三、斷層構(gòu)造與斷層作用47

第五節(jié)、巖漿巖構(gòu)造

一、噴出巖體及其原生構(gòu)造55

二、侵入巖體及其原生構(gòu)造56

三、花崗巖體構(gòu)造與侵位機(jī)制61

第六節(jié)、變質(zhì)巖區(qū)構(gòu)造

一、葉理和線理63

二、變質(zhì)巖區(qū)的褶皺構(gòu)造68

三、構(gòu)造置換作用71

四、關(guān)于變質(zhì)巖區(qū)構(gòu)造研究的幾個(gè)重要方面73

第七節(jié)構(gòu)造巖巖石學(xué)與顯微構(gòu)造學(xué)

?、礦物晶體塑性變形基本理論76

二、構(gòu)造巖的分類及其特征81

三、構(gòu)造巖中常見的顯微構(gòu)造84

四、構(gòu)造巖巖組學(xué)87

第三章、現(xiàn)代構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的主要分支與交叉學(xué)科

第一節(jié)、前寒武紀(jì)構(gòu)造學(xué)90

一、結(jié)晶片麻巖區(qū)的構(gòu)造91

二、前寒武紀(jì)變質(zhì)沉積層狀巖石區(qū)構(gòu)造研究93

三、中國前寒武紀(jì)構(gòu)造樣式95

第二節(jié)、重力構(gòu)造學(xué)

一、重力構(gòu)造研究概述98

二、重力構(gòu)造作用類型劃分99

三、主要重力構(gòu)造型式99

第二節(jié)、礦田構(gòu)造學(xué)105

一、礦田構(gòu)造學(xué)的基本理論問題105

二、控礦構(gòu)造的基本類型及其控礦意義110

第四節(jié)、構(gòu)造地球化學(xué)與構(gòu)造年代學(xué)115

?、構(gòu)造地球化學(xué)115

二、構(gòu)造年代學(xué)119

第六節(jié)、深部構(gòu)造問題與地殼結(jié)構(gòu)研究

一、深部構(gòu)造研究的基本思路與方法121

二、深部地球物理探測(cè)與科學(xué)鉆探計(jì)劃121

三、地殼結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究122

第四章現(xiàn)代構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究的兒個(gè)重要方面

第一節(jié)、大陸造山帶構(gòu)造124

一、造山帶與造山作用125

二、大陸造山帶類型及造山帶構(gòu)造變形研究125

三、中國主要大陸造山帶的典型構(gòu)造樣式128

第三節(jié)逆沖推覆構(gòu)造131

一、逆沖推覆構(gòu)造的基本概念和組合型式132

二、逆沖推覆構(gòu)造的幾何結(jié)構(gòu)133

三、逆沖推覆構(gòu)造的擴(kuò)展138

四、逆沖作用與褶皺作用139

五、逆沖推覆構(gòu)造成因機(jī)制141

六、逆沖推覆構(gòu)造今后重點(diǎn)研究方向142

第四節(jié)、韌性剪切帶143

一、韌性剪切帶的含義143

二、韌性剪切帶的基本特征143

三、韌性剪切帶的內(nèi)部構(gòu)造要素145

四、韌性剪切帶的分類150

第六節(jié)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究中的現(xiàn)代技術(shù)與方法151

一、陰極發(fā)光分析技術(shù)151

二、電子顯微鏡分析（TEM&SEM）152

三、X-射線CT掃描53

四、實(shí)驗(yàn)巖石變形技術(shù)154

主要參考文獻(xiàn)154

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課件/course/note/

教師簡介

劉俊來，男，I960年12月生，教授，博上生導(dǎo)師，1998年中國地質(zhì)學(xué)會(huì)銀錘獎(jiǎng)；1998年獲得

國土資源部百名跨世紀(jì)人才稱號(hào)與基金；同年榮獲口本學(xué)術(shù)振興會(huì)Fellow稱號(hào),應(yīng)邀訪問日本五

所大學(xué)，開展講學(xué)和合作研究；1996-1997年度日本京都大學(xué)青年學(xué)者基金；1993年國家教委優(yōu)

秀中青年科技工作者基金；1991年長春地質(zhì)學(xué)院《五四》青年地質(zhì)學(xué)家獎(jiǎng)。

現(xiàn)任：中國地質(zhì)學(xué)會(huì)構(gòu)造地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)委員、顯微構(gòu)造專業(yè)委員會(huì)副主任委員；巖石力學(xué)

與固體力學(xué)學(xué)會(huì)高溫高壓專業(yè)委員會(huì)委員；國際構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家與大地構(gòu)造學(xué)家協(xié)會(huì)會(huì)員、中國地

質(zhì)學(xué)會(huì)會(huì)員、歐洲地球物理學(xué)會(huì)會(huì)員、美國地球物理學(xué)會(huì)會(huì)員。

主持完成國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、自然科學(xué)基金國際合作基金等數(shù)項(xiàng)；主持完成口本京都大

學(xué)青年學(xué)者基金。參加完成國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、地礦部重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目等數(shù)項(xiàng)。多次完成

本科生《構(gòu)造地質(zhì)學(xué)》、研究生《現(xiàn)代構(gòu)造地質(zhì)學(xué)理論與技術(shù)》和《Moderntheoriesandtechniques

inStructuralGeology》等課程的講授。

第一章、概述

一、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)及其內(nèi)涵

在山區(qū)高速公路兩側(cè)的峭壁上、在基巖出露的地方或在水庫旁的懸崖上，我們總可以看到很

多自然界的巖石具有成層性（層理、片理或劈理等），而且這些巖層經(jīng)常發(fā)生變形，彎曲（褶皺）

或破裂（斷層或節(jié)理），構(gòu)成奇異的自然景觀。這些由自然力（或地應(yīng)力）作用引起的巖石的成

層性以及巖層的彎曲或破裂現(xiàn)象就是地質(zhì)構(gòu)造。構(gòu)造地質(zhì)學(xué)就是研究這些地質(zhì)構(gòu)造，包括地球巖

石圈內(nèi)巖石變形形成的褶皺、斷層、節(jié)理、劈理、線理等的幾何學(xué)特點(diǎn)，產(chǎn)生這些地質(zhì)構(gòu)造的運(yùn)

動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件，以及這些地質(zhì)構(gòu)造形成的基本過程（或形成機(jī)制）與演化規(guī)律的科學(xué)。

地質(zhì)構(gòu)造的規(guī)模變化很大，從地殼尺度或全球規(guī)模、地區(qū)尺度或中比例尺區(qū)域規(guī)模、露頭或

手標(biāo)本規(guī)模、顯微乃至亞微尺度。在不同的尺度上，地質(zhì)構(gòu)造的表現(xiàn)形式具有?定的差異。傳統(tǒng)

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究多限于對(duì)中比例尺區(qū)域規(guī)模、露頭尺度和手標(biāo)本尺度地質(zhì)構(gòu)造的描述、分析。現(xiàn)

代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及其在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)學(xué)科研究中的滲透與應(yīng)用，卻大大地拓寬了構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的研

究尺度與研究領(lǐng)域?，F(xiàn)代構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的研究領(lǐng)域特點(diǎn)表現(xiàn)為，在傳統(tǒng)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)

匕宏觀更宏觀，從手標(biāo)本尺度向區(qū)域乃至全球尺度發(fā)展；微觀更微，從應(yīng)用顯微鏡的微觀尺度

到利用電子顯微鏡的亞微尺度的研究。

現(xiàn)代構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的內(nèi)容包括幾個(gè)主要方面：地質(zhì)構(gòu)造的幾何學(xué)，主要包括地質(zhì)構(gòu)造的幾何形

態(tài)描述、產(chǎn)狀與形體方位分析以及各種地質(zhì)構(gòu)造的組合形式和組合規(guī)律;地質(zhì)構(gòu)造形成的運(yùn)動(dòng)學(xué),

主要指地質(zhì)構(gòu)造形成過程中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)方向與基本規(guī)律；地質(zhì)構(gòu)造形成的動(dòng)力學(xué)，包

括地質(zhì)構(gòu)造形成的動(dòng)力學(xué)條件及其變化、動(dòng)力來源；地質(zhì)構(gòu)造的成因分析，主要討論地質(zhì)構(gòu)造的

形成環(huán)境、形成條件、巖石變形機(jī)制與地質(zhì)構(gòu)造的演化過程。當(dāng)然，上述幾個(gè)方面的內(nèi)容并不是

孤立的，彼此之間卻是密切相關(guān)，相輔相成的?個(gè)統(tǒng)一體。

二、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的學(xué)科分類

近年來科學(xué)技術(shù)發(fā)展總的趨勢(shì)表現(xiàn)為兩個(gè)主要方面：1）學(xué)科本身自身建設(shè)與發(fā)展，從而有

分支學(xué)科的出現(xiàn)；2）相鄰學(xué)科之間的交叉與滲透，表現(xiàn)為交叉學(xué)科與邊緣學(xué)科的形成。構(gòu)造地

質(zhì)學(xué)學(xué)科的發(fā)展也不例外。構(gòu)造地質(zhì)學(xué)學(xué)科咱身建設(shè)的?個(gè)特點(diǎn)是在傳統(tǒng)學(xué)科內(nèi)容的基礎(chǔ)上，發(fā)

展趨勢(shì)

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表現(xiàn)為宏觀更宏、微觀更微。主要分支學(xué)科包括：顯微構(gòu)造學(xué)，研究微觀域內(nèi)和亞微域內(nèi)巖石變

形的顯微構(gòu)造類型、特點(diǎn)及其與巖石變形微觀機(jī)制之間的耦合關(guān)系，探討巖石變形的基本過程與

顯微構(gòu)造的成因；構(gòu)造地質(zhì)學(xué)（狹義），主要介紹和研究區(qū)域制圖尺度、露頭尺度和手標(biāo)本尺度

地質(zhì)構(gòu)造的基木特點(diǎn)、組合關(guān)系與規(guī)律、地質(zhì)構(gòu)造的成因機(jī)制；區(qū)域構(gòu)造學(xué)探討地殼規(guī)?；虺叨?/p>

地質(zhì)構(gòu)造的基本特點(diǎn)、大型地質(zhì)構(gòu)造及其在地球構(gòu)造格局和演化中的地位與作用。大地構(gòu)造學(xué)的

研究內(nèi)容更多地包括全球構(gòu)造的基本構(gòu)造型式、全球構(gòu)造的基木理論及其形成、演化的動(dòng)力學(xué)過

程。顯而易見，從顯微構(gòu)造學(xué)到大地構(gòu)造學(xué)，研究的尺度有著巨大的差別。當(dāng)然，這種尺度上的

差別也就導(dǎo)致其研究內(nèi)容與研究方法有著顯著的區(qū)別。木書所論構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的研究對(duì)象主要包括

中小尺度、顯微尺度乃至亞微尺度巖石的變形構(gòu)造及其成因機(jī)制。

從另一個(gè)角度考慮，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)學(xué)科和其它許多相鄰學(xué)科的滲透，也是近年來構(gòu)造地質(zhì)學(xué)發(fā)展最

為顯著的特點(diǎn)與趨勢(shì)，并逐漸發(fā)展形成了許多邊緣或交叉學(xué)科。構(gòu)造地球化學(xué)是運(yùn)用構(gòu)造地質(zhì)學(xué)

和地球化學(xué)的基本原理和方法，闡述在不同構(gòu)造背景環(huán)境中和變形作用過程中，元素的地球化學(xué)

行為及其分配、遷移和富集規(guī)律與動(dòng)力學(xué)機(jī)制；前寒武紀(jì)構(gòu)造學(xué)是研究地球早期演化的地殼構(gòu)造

問題，包括早期地殼的結(jié)構(gòu)、主要構(gòu)造型式與特點(diǎn)、早期構(gòu)造的成因與演化等基礎(chǔ)問題；重力構(gòu)

造學(xué)的主要研究對(duì)象是地殼表層內(nèi)由于重力作用產(chǎn)生的區(qū)域構(gòu)造型式、組合規(guī)律及其成因。但是,

局部性的滑坡構(gòu)造并不屬于重力構(gòu)造學(xué)的研究范疇；實(shí)驗(yàn)構(gòu)造學(xué)是再現(xiàn)或正演地質(zhì)構(gòu)造形成與演

化的基本過程，闡述地質(zhì)構(gòu)造的成因；礦田構(gòu)造學(xué)主要討論礦床的形成與演化過程中構(gòu)造變形作

用的意義。撞擊構(gòu)造學(xué)是界于構(gòu)造地質(zhì)學(xué)與行星地質(zhì)學(xué)之間的邊緣學(xué)科，它主要研究由天際外來

隕石等在地球或其它星球表面快速?zèng)_擊形成的構(gòu)造現(xiàn)象。

三、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的研究意義、地位與作用

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)與巖石學(xué)、地層學(xué)構(gòu)成地球科學(xué)的三大基礎(chǔ)學(xué)科。構(gòu)造地質(zhì)學(xué)從空間上、時(shí)間演

化匕再現(xiàn)了巖石圈與各種規(guī)模地質(zhì)體的幾何形態(tài)、分布規(guī)律、形成與演化的動(dòng)力學(xué)條件與過程。

它是進(jìn)?步探討地殼運(yùn)動(dòng)與發(fā)展規(guī)律的基礎(chǔ)。資源與環(huán)境是過去、也是未來地球科學(xué)研究的永恒

主題，地質(zhì)構(gòu)造與地殼運(yùn)動(dòng)的分析與研究，對(duì)于指導(dǎo)地球資源開發(fā)、工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)都具有

重要的指導(dǎo)意義。

礦產(chǎn)資源，無論是金屬礦產(chǎn)（有色金屬、黑色金屬、貴金屬等）、非金屬礦產(chǎn)，還是能源礦

產(chǎn)（煤、石油和天然氣等），都是在一定的構(gòu)造背景中產(chǎn)生，或者說受一定的地質(zhì)構(gòu)造所控制,

并常常遭受了后期構(gòu)造變形作用的改造。尤其對(duì)于內(nèi)生金屬礦產(chǎn)而言，地質(zhì)構(gòu)造對(duì)于礦產(chǎn)分布的

控制作用表現(xiàn)得更為突出。地質(zhì)構(gòu)造為成礦物質(zhì)的遷移提供了通道，也為成礦物質(zhì)的富集提供了

有利的空間。

水資源貧乏已經(jīng)成為很多大型城市面臨的重要問題。地下水的活動(dòng)，總是受大型地質(zhì)構(gòu)造制

約，尤其斷層構(gòu)造具有更重要的意義。對(duì)于地下水資源的開發(fā)與利用，必須深入研究地下水賦存

的地質(zhì)構(gòu)造背景。

工程建設(shè)，包括水庫、堤壩、涵洞、橋梁等的建設(shè)，都必須以地質(zhì)構(gòu)造研究為基本依據(jù)，查

明地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育情況與活動(dòng)性，對(duì)地基的穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)。

滑坡、火山與地震是人類面臨的破壞性自然災(zāi)害之首。大規(guī)?；?、火山活動(dòng)與地震不僅僅

造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且常常造成人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。地質(zhì)構(gòu)造的存在（基巖中斷層、破碎

帶和薄弱帶）的存在常常是滑坡發(fā)生與發(fā)展的必要條件。地震與火山活動(dòng)常常與現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)與

構(gòu)造活動(dòng)密切相關(guān)。

人類生存的環(huán)境每時(shí)每刻都在變化中。土壤的沙漠化、氣候的異常變化、地方病的出現(xiàn)等都

在很大程度上與現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)及其產(chǎn)生的地質(zhì)構(gòu)造，例如，青藏高原的隆升，具有密切的聯(lián)系。

由此可見，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)不僅僅是地球科學(xué)的理論基礎(chǔ)，而且在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著重要的作用。

四、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的研究方法

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，學(xué)科之間逐漸相互滲透，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的研究內(nèi)容與范疇不斷地

擴(kuò)大，傳統(tǒng)的研究方法不斷地完善，新的研究方法也在起著越來越重要的角色。

與地球科學(xué)其它學(xué)科具有廣泛的相似性，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究也是一個(gè)反演-正演一綜合的過程。反

演主要包括研究地質(zhì)構(gòu)造的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及其形成、演化的機(jī)理與過程：正演主要是

應(yīng)用模擬研究的相似性原理，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)再現(xiàn)天然變形作用過程。

傳統(tǒng)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)，最基本的研究方法以野外觀察、描述和地質(zhì)填圖為主。通過野外實(shí)測(cè)地質(zhì)

剖面、地質(zhì)填圖，并結(jié)合特殊構(gòu)造點(diǎn)的重點(diǎn)解剖與構(gòu)造測(cè)量（測(cè)量各種產(chǎn)狀數(shù)據(jù)），闡述巖層、

巖體的產(chǎn)狀、分布與相互關(guān)系及形成時(shí)代，查明地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)、幾何特點(diǎn)、組合關(guān)系與發(fā)生、發(fā)

展歷史。航片、衛(wèi)片等的遙感解譯，提供了較大區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育特點(diǎn)與展布，使得有

可能從更大的范圍內(nèi)直接觀察、分析和研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的基本格架與空間變化規(guī)律。地球物理

探測(cè)、地球化學(xué)費(fèi)料和鉆探技術(shù)（尤其深海鉆探技術(shù)）使得研究地質(zhì)構(gòu)造的深部延伸與隱伏地質(zhì)

構(gòu)造，揭示深部地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)輪廓成為現(xiàn)實(shí)，不僅使得對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的研究已經(jīng)從地殼表層發(fā)展

到地殼深層，而且從陸地發(fā)展到海洋。

顯微鏡與電/顯微鏡的應(yīng)用，將構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的研究從宏觀帶入到微觀和亞微觀領(lǐng)域，加深了

對(duì)變形作用微觀機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為研究顆粒尺度上巖石變形機(jī)制與變形過程，闡述巖石變形的動(dòng)力

學(xué)環(huán)境，判別其形成與演化的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律提供了條件。

另一方面，實(shí)驗(yàn)構(gòu)造學(xué)的發(fā)展、電子計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的運(yùn)用，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬野外地質(zhì)

構(gòu)造，驗(yàn)證了反演過程得出的結(jié)論。傳統(tǒng)的泥巴實(shí)驗(yàn)、光彈模擬實(shí)驗(yàn)是最有效的例證。近代廣泛

開展的計(jì)算機(jī)數(shù)字模擬和高溫高壓實(shí)驗(yàn)研究，能夠更加形象和準(zhǔn)確地確定地質(zhì)構(gòu)造形成的環(huán)境、

動(dòng)力學(xué)條件，且再現(xiàn)其形成與演化過程。

當(dāng)然，作為地球科學(xué)的分支學(xué)科，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的研究必須與其它基礎(chǔ)學(xué)科（巖石學(xué)、地層學(xué)

和地球物理學(xué)等）的研究密切配合、同步進(jìn)行。這樣，才能夠?qū)τ谒芯康貐^(qū)的總體構(gòu)造格局與

構(gòu)造特點(diǎn)有一正確的認(rèn)識(shí)。

第二章、基礎(chǔ)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)

第?節(jié)、巖石變形及其力學(xué)基礎(chǔ)

地殼運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生力，從而導(dǎo)致巖石發(fā)生變形和位移，產(chǎn)生了地質(zhì)構(gòu)造。因此，為了正確理解

巖石變形、地質(zhì)構(gòu)造及其形成過程，必須首先了解力學(xué)的?些基本概念和原理。

力力是物體間的相互作用，根據(jù)牛頓第二定律，力（F）應(yīng)該是質(zhì)量（m）與加速度（a）之

積:

F=ma2(2-1-1)

力是一個(gè)矢量。它不僅有大小，而且有方向。因此，力可以合成與分解，滿足矢量的數(shù)學(xué)定

理

一個(gè)物體作用在另一個(gè)物體上的力叫做外力。外力有兩種基本類型：面力和體力。面力是互

相接觸的兩個(gè)物體之間通過接觸面?zhèn)鲗?dǎo)的作用力，比如膨脹的空氣對(duì)于活塞的推力；體力是作用

在兩個(gè)物體之間，物體內(nèi)部的任何一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都同時(shí)受到影響的作用力，如重力或物體之間的引力，

它們與物體的質(zhì)量成正比。一個(gè)物體在沒有受到外力作用的情況下，物體內(nèi)部的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間

具有一定的作用力而使物體保持穩(wěn)定平衡狀態(tài)。物體內(nèi)部各個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間的這種作用力稱為固有內(nèi)

力。如果作用在物體上的各種外力都被該物體吸收，而并未使物體移動(dòng)，那么物體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間

位置與相互作用力將會(huì)發(fā)生變化。物體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間作用力的改變量稱為附加內(nèi)力。附加內(nèi)力是物

體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)對(duì)于所施加外力的反映，它將力圖使物體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)恢復(fù)其固有的位置，阻止物體發(fā)生

變形。習(xí)慣上，將這種附加內(nèi)力簡稱為內(nèi)力，并與外力對(duì)應(yīng)。

應(yīng)力應(yīng)力指在外力作用下物體內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)力強(qiáng)度，可以用單位面積上的內(nèi)力表示。應(yīng)力

也是一個(gè)矢量，其方向與內(nèi)力的方向一致：

o=P/A(2-1-2)

其中，A-物體內(nèi)部內(nèi)力分布均勻的某一截面面積；P-作用在截面A上的內(nèi)力；。-作用在截

面A上的應(yīng)力。如果在這?截面上內(nèi)力的分布不是很均勻，那么應(yīng)力是每?微小單元面積上的作

用力

o=dP/dA(2-1-3)

應(yīng)力的單位為帕斯卡(Pa)。

在多數(shù)情況下，所考慮的截面方向與作用力的方向斜交，那么作用力P可以分解為與截面垂

直的分量(Pn)和與之平行的分量(Pt).與此同時(shí)，作用在截面上的應(yīng)力也可以分解為與截面

垂直的應(yīng)力分量叫做正應(yīng)力或直應(yīng)力和與截面平行的應(yīng)力分量叫做剪應(yīng)力或切應(yīng)力(丁)，正應(yīng)

力使物體受到壓縮(壓應(yīng)力，用正值表示)或拉伸(張應(yīng)力，用負(fù)值表示)：

o=dPn/dA(2-1-4)

剪應(yīng)力使物體有順時(shí)針(用負(fù)值表示)或逆時(shí)針(用正值表示)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)：

T=dPt/dA(2-1-5)

應(yīng)力狀態(tài)三維空間中某一點(diǎn)應(yīng)力的方向與大小，稱為該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)是三

維的，可以用三維直角坐標(biāo)系表示。為簡便表示點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，我們可以考慮作用在一個(gè)無限小

立方體上的力的效應(yīng)，立方體三個(gè)面的法線分別為x,y和z,那么，可以將作用在立方體六個(gè)

面上的應(yīng)力分解為三個(gè)基本分量(圖2-1-1)：對(duì)于垂直于x軸的面，有垂直于表面的正應(yīng)力。xx

和平行于表面的剪應(yīng)力Txy和TXZ。后二者分別平行于其它兩個(gè)坐標(biāo)軸y軸和z軸。對(duì)于其它

垂直于y軸和z軸方向的面，分別有相應(yīng)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。綜合起來，對(duì)于這一無限小立方體,

共有九個(gè)應(yīng)力分量作用在三對(duì)相互垂直的面上：

垂直于X軸的面：oxxTXyTXZ

垂直于y軸的面：TyxayyTyz

垂直于z軸的面：TzxTZyOZZ

其中，OXX,ayy,和ozz為正應(yīng)力，其它六個(gè)分量為剪應(yīng)力。這六個(gè)剪應(yīng)力分量保持立

方體處于平衡狀態(tài)，因此有：；Txy=Tyx；Tyz=tzy；Tzx=Txz。因此，在表示一點(diǎn)的

應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，只有六個(gè)彼此獨(dú)立的應(yīng)力分量。

0”

圖2-1-1物體內(nèi)無限小立方體上的應(yīng)力分量

Fig.2-1-1Stresscomponentsonaninfinitesimalcubicinastressedbody

主應(yīng)力對(duì)于任一給定應(yīng)力狀態(tài)，總有三個(gè)方向的面，它們彼此互相垂直且面上只有正應(yīng)力

作用，而剪應(yīng)力值為零。這樣的三個(gè)面稱為主應(yīng)力面，它們的交線稱為應(yīng)力主軸（或主方向）。

垂直于主應(yīng)力面的正應(yīng)力稱為主應(yīng)力。習(xí)慣上用。1,。2,o3,表示最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力

和中間主應(yīng)力（。1＞。2＞。3）。因此，一點(diǎn)上的應(yīng)力狀態(tài)可以用三個(gè)主應(yīng)力及其方向來描述。

當(dāng)主應(yīng)力。1＞。2＞。3,并且符號(hào)相同時(shí)，?點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可以用以。1,o2,。3為半徑的

橢球體表示（圖2T-1）,該橢球體為應(yīng)力橢球體，應(yīng)力橢球體的三個(gè)主軸稱為主應(yīng)力軸。沿著

三個(gè)主應(yīng)力平面切割橢球體的三個(gè)橢圓稱為應(yīng)力橢圓。

一、常見的應(yīng)力狀態(tài)包括：

1.單軸應(yīng)力狀態(tài)：只有一個(gè)主應(yīng)力（。1或。3）不為零，其它兩個(gè)軸為零。

單軸壓縮狀態(tài)：。1＞。2=。3=0

單軸拉伸狀態(tài)：。3＞o1=。2=0

2.雙軸應(yīng)力狀態(tài)：只有一個(gè)主應(yīng)力為零，另外兩個(gè)主應(yīng)力不等于零。

雙軸壓縮狀態(tài)：。1＞。2＞。3=0

平面應(yīng)力狀態(tài)：。1＞。2=0＞。3

3.三軸應(yīng)力狀態(tài)：三個(gè)主應(yīng)力軸都不等于零。這是自然界最普遍的一種應(yīng)力狀態(tài)。

最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力之差（。1-。3）稱為應(yīng)力差或差應(yīng)力，差應(yīng)力的存在將引起物體

形狀的變化（。1+。2+。3）/3稱為平均應(yīng)力

應(yīng)力場(chǎng)上面所述是物體內(nèi)部某一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。在物體內(nèi)所有各點(diǎn)某一瞬間的應(yīng)力狀態(tài)（包

括應(yīng)力大小與方向）的綜合稱為應(yīng)力場(chǎng)。地殼一定空間內(nèi)某一瞬間的應(yīng)力狀態(tài)稱為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，

表示那?瞬間各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)及其變化情況。如果在應(yīng)力場(chǎng)中各點(diǎn)應(yīng)力大小與方向相同，為均勻

應(yīng)力場(chǎng)，否則為不均勻應(yīng)力場(chǎng)。

二、正應(yīng)力與主應(yīng)力之間的關(guān)系

在一?般情況下，正應(yīng)力與剪應(yīng)力之間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系。下面我們忽略中間主應(yīng)力。2

的效應(yīng)，只考慮最大主應(yīng)力。1和最小主應(yīng)力。3的作用下變形巖石內(nèi)部任一截面（P）方向上

的正應(yīng)力與剪應(yīng)力（圖2T-2）,對(duì)于。1,。2和。3同時(shí)作用的自然條件情況較為復(fù)雜（請(qǐng)

參見有關(guān)著作）。如果已知平面PP'與。1或。3（傳統(tǒng)上用。3）之間的夾角0,我們可以分

別確定。1作用在PP'上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力與。3作用在PP'上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。然后通過

應(yīng)力合成，求得。l+。3作用在PIM上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力之間的關(guān)系（參見朱志澄，宋鴻林，

1991）：

(o9-(o1+a3)/2)2+T62=((ol-o3)/2)2(2-1-6)

當(dāng)0=90°時(shí)，。()=。3,T0=0

圖2-1-2單軸應(yīng)力作用下正應(yīng)力-剪應(yīng)力之間的關(guān)系(據(jù)Dennis,1987)

Fig.2-1-2Therelationshipbetweennormalstress-andshearstress

(fromDennis,1987)

圖2-1-3二維應(yīng)力莫爾圓圖解（據(jù)Dennis,1987）

Fig.2-1-3Mohr,scirclefortwodimensionalstresscomponents

（fromDennis,1987）

很顯然，這是一個(gè)在。-T坐標(biāo)系內(nèi)以［（。1+。3）/2,0］為圓心，以（。1-。3）/2為半徑的

圓的方程，這個(gè)圓稱為莫爾圓（圖2T-3）。從圖2T-3及方程式（2T-6）可以得出：

o0=（0l+o3）/2+（（01-03）/2）cos20（2-l-7a）

T9=（ol-o3）/2sin20（2-l-7b）

由此可見，對(duì)于圖2-1-2中每一具有0角的平面PP',都有相應(yīng)的。。和T。值，并對(duì)

應(yīng)于莫爾圓（圖2-1-3）上的?點(diǎn)。或者說，對(duì)于給定的。1和。3,我們可以求出與。3具有

任一交角的平面（當(dāng)然，該平面也垂直于包含。1和。3的面）上正應(yīng)力值。0和剪應(yīng)力值T0

的大小。

從圖2-1-3和式2-1-7可以知道：

（1）當(dāng)9=0。時(shí)，。9=。1,T0=0

在這兩個(gè)面上只有正應(yīng)力而無剪應(yīng)力，這兩個(gè)面稱為主平面。

（2）當(dāng)9=45°或135°時(shí)，剪應(yīng)力的絕對(duì)值最大，|tmax|=（。1-。3）/2，它們是與主

應(yīng)力軸。1和。3成45°交角的一對(duì)互相垂直的面，稱為最大剪應(yīng)力作用面。

（3）當(dāng)。1=。3時(shí)，t0=0,即在均勻壓力下無剪應(yīng)力。在三維應(yīng)力狀態(tài)中，若。1=。2=。3,

稱為靜水壓力，它只能引起物體體積的變化，而不改變物體的形狀。

三、變形與應(yīng)變

物體受到應(yīng)力作用，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移，使得物體發(fā)生形狀或體積改變，稱之為變形。變形用應(yīng)

變度量，即指在應(yīng)力作用下物體形狀和大小的改變量。物體形狀的改變稱為形變或畸變，體積的

變化稱為體變，體變可以是體積增加（正值）或減?。ㄘ?fù)值）。

均勻應(yīng)變與非均勻應(yīng)變?nèi)绻ㄎ矬w內(nèi)）變形前形狀與方向相似的兩部分在變形后仍然保持

其相似性，這種應(yīng)變稱為均勻應(yīng)變；否則稱為非均勻應(yīng)變。均勻應(yīng)變的特點(diǎn)是，變形前的直線變

形后仍為直線；變形前的平行線變形后仍是平行線。均勻應(yīng)變的典型實(shí)例是桿狀物體的均勻拉伸

或收縮。在這種變形體中的一個(gè)圓，就會(huì)變成一個(gè)橢圓，稱為應(yīng)變橢圓。在三維變形中的圓球就

變成橢球，稱為應(yīng)變橢球體。物體內(nèi)一點(diǎn)上應(yīng)變橢球的三個(gè)主軸方向稱為應(yīng)變主軸（X,Y和Z）,

在變形作用過程中它們保持相互垂直。應(yīng)變橢球體內(nèi)的主平面叫做應(yīng)變主平面。

在非均勻應(yīng)變中，直線經(jīng)變形后變成曲線或折線；平行的直線失去其平行性。物體內(nèi)的圓或

圓球體變形后將不變成橢球或橢球體。如果物體內(nèi)各點(diǎn)間的應(yīng)變特點(diǎn)是逐漸變化的，稱為連續(xù)變

形，否則稱為不連續(xù)變形。自然界的變形過程，非均勻應(yīng)變是普遍現(xiàn)象。對(duì)于連續(xù)的非均勻應(yīng)變,

可以考慮將變形物體分割成無數(shù)個(gè)無限小單元體，那么每個(gè)無限小單元體內(nèi)的應(yīng)變就可以視為均

勻應(yīng)變

均勻應(yīng)變的幾種基本類型（Hobbs等，1976）包括：

1、軸對(duì)稱伸長：在一個(gè)主方向上伸長，在其它所有方向上縮短，且縮短量相等。應(yīng)變橢球

為一長橢球；

2、軸對(duì)稱縮短：在個(gè)主方向上縮短，在其它所有方向上伸長，且伸長量相等。應(yīng)變橢球

為一扁橢球；

3、平面應(yīng)變：應(yīng)變橢球的三個(gè)主軸互不相等，其中中間主應(yīng)變軸與初始長度相等，縮短和

伸長分別發(fā)生在其它兩個(gè)主軸方向上；

4、一般應(yīng)變：應(yīng)變橢球的三個(gè)主軸互不相等，且各軸都與其初始值不等；

5、純剪應(yīng)變與單剪應(yīng)變：純剪應(yīng)變中變形前與應(yīng)變橢球主軸平行的直線在變形后仍保持其

平行性：單剪應(yīng)變中平行于剪切面方向上的平面在變形前后保持其平行性，單剪變形是一種等體

積變形。應(yīng)變的度量與表示理論上的應(yīng)變量主要用線應(yīng)變與剪應(yīng)變表示，但實(shí)際中的應(yīng)變度量

情況遠(yuǎn)比理論分析復(fù)雜，因而近年來針對(duì)不同的變形體與不同的目的。發(fā)展了多種不同的應(yīng)變度

量與表示方法

（1）線應(yīng)變變形前、后物體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)間線段長度的變化稱之為線應(yīng)變（e）：

e=（L1-L0）/L0（2-1-8）

式中L0和L1分別為變形前、后線段的長度，伸長為正值。另--種常用的線應(yīng)變度量為平方

長度比

入=(L1/L0)2=(1+e)2(2-1-9)

(2)剪應(yīng)變剪應(yīng)變用來測(cè)量直線間夾角的變化。變形前互相垂直的兩條直線變形后夾角發(fā)生變

化，其正切稱為剪應(yīng)變Y。

Y=tg0(2-1-10)

在地質(zhì)學(xué)中順時(shí)針角度變化為正應(yīng)變，反之為負(fù)。

(3)均勻應(yīng)變的弗林(Flinn)圖解

巖石中原始分布較均勻的近等軸狀或不規(guī)則礦物顆?；虻V物集合體，如花崗質(zhì)巖石中的石英，遭

受剪切變形后形態(tài)會(huì)發(fā)生改變。其畸變程度反映了應(yīng)變的強(qiáng)弱。通過測(cè)量畸變后應(yīng)變橢球體主軸，

可以求出應(yīng)變量大小并判斷應(yīng)變型式。具體做法是，在變形巖石中選出合適的切面，即包括應(yīng)變

橢球主軸面的切面，切制成光片或薄片，然后分別測(cè)量出X、Y、Z應(yīng)變主軸，并分別求出：

a=x/y=(1+ex)/(1十￡y)(2-1-11)

和b=y/z=(1十ey)/(1十ez)(2-1-12)

并以a、b為座標(biāo)作圖。不同形狀的應(yīng)變橢球用K值來區(qū)別，

K=(a-1)/(b-1)(2-1-13)

或用統(tǒng)計(jì)的方法(如Robin法)求出軸率K：

1

K=log11n?(為1

?=l'(2-1-14)

ci

式中ai和ci分別為與應(yīng)變軸平行的變形體的長短軸，n為所測(cè)量數(shù)目。各種應(yīng)變狀態(tài)可以描

述如下：

(a)軸對(duì)稱延長：k=°°

(b)拉伸應(yīng)變(長橢球)；l〈k<8

(c)平面應(yīng)變(體積不變)：k=1

(d)壓扁應(yīng)變(扁橢球)：0<k<l

(e)軸對(duì)稱壓扁；K=0

圖2-1-4應(yīng)變橢球體的圖示一Flinn圖解

Fig.2-1-4Flinndiagramforhomogeneousstrain

這種方式，只用參數(shù)K值應(yīng)能描述應(yīng)變橢球的形態(tài)，通過K值是大于1或小于1,就能直

接區(qū)分出是拉伸應(yīng)變還是壓扁應(yīng)變。

圖2T-4a是假定體積不變而編制的，由于變形作用過程中體積變化A=0時(shí)，K=1的直

線才唯一通過原點(diǎn)。當(dāng)△#()時(shí)(圖2-l-4b),則有1十△=(1十ex)/(1十ez)=a

/b(因?yàn)镵=1時(shí)應(yīng)變橢球體的(1+ey)=1),所以：

a—b(1十A)

a.用K=(a-1)/(b-1)值描述不同的應(yīng)變橢球體；

b.如果體積不是恒量，則以線a=b(1+A)劃分收縮應(yīng)變區(qū)與壓扁應(yīng)扁區(qū)。圖中實(shí)線表示

體枳縮小20%的效應(yīng)。

因此，對(duì)于一個(gè)體積變化A來說：直線a=b(1|-A)代表平面應(yīng)變或收縮應(yīng)變區(qū)和壓

扁應(yīng)變區(qū)的分界線(圖2-l-4b)。

四、巖石流變學(xué)

前面分別考慮了應(yīng)力和應(yīng)變問題。我們知道，應(yīng)變的出現(xiàn)與應(yīng)力的作用密切相關(guān)，或簡言之，應(yīng)

變是應(yīng)力的函數(shù)。流變學(xué)理論討論的就是這種函數(shù)關(guān)系。

應(yīng)力與應(yīng)變之間最簡單的流變學(xué)關(guān)系類似于彈簧的變形行為：一個(gè)正應(yīng)力。施加在變形物

體上，導(dǎo)致物體發(fā)生伸長或縮短e(正或負(fù)值)，e與。成正比，遵循虎克定律：

ox=Eex(2-1-15)

其中E為比例常量，這種具有正比關(guān)系、瞬間性和可逆性的變形稱為彈性變形。如果考慮到

變形物體的體積變化，有：

o=KAV/Voy(2-1-16)

其中的K為總模量。

剪切應(yīng)力施加在變形物體上，將會(huì)引起物體發(fā)生形態(tài)變化，應(yīng)力與應(yīng)變之間具有下列關(guān)系：

T=f(Y)(2-1-17)

對(duì)于彈性應(yīng)變而言，有：

T=GY(2-1-18)

其中G為一比例系數(shù)，稱為剪切模量。

圖2-1-5巖石變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.2-1-5Stress-straincurveforthedeformationofrocks

。JI-比例極限；oy-彈性極限；。Y-屈服極限；oB-強(qiáng)度極限

由此可見，對(duì)于?個(gè)理想的彈性體，應(yīng)力與應(yīng)變之間是線性比例關(guān)系(圖2T-5)。彈性變

形實(shí)際上只是物體變形早期階段的瞬間狀態(tài)，隨著應(yīng)力的進(jìn)一步作用，變形將持續(xù)進(jìn)行，當(dāng)應(yīng)力

值達(dá)到某一值。JI后，線性比例關(guān)系即已消失，但此時(shí)的變形仍保持其可逆性，此應(yīng)力值。J1

稱為比例極限。但當(dāng)應(yīng)力值大于。y時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變之間不僅不具有線性關(guān)系，變形的可逆性亦完

全消失，oy值稱為彈性極限。當(dāng)應(yīng)力值超過彈性極限時(shí)，巖石具有韌性，巖石中發(fā)生的永久變

形稱為塑性變形。

隨著巖石受到應(yīng)力的逐漸加強(qiáng)，達(dá)到某一應(yīng)力值。Y后，在不增加應(yīng)力的情況下應(yīng)變也持

續(xù)發(fā)展，說明此時(shí)巖石抵抗變形的能力變?nèi)?。。Y應(yīng)力值稱為屈服極限。受應(yīng)力作用的巖石所

承受的彈性變形或塑性變形是有一定限度的。在一定的條件下（指常溫、常壓條件），當(dāng)應(yīng)力達(dá)

到或超過某一應(yīng)力值時(shí)。B,巖石內(nèi)部的結(jié)合力遭到破壞，就會(huì)發(fā)生斷裂變形而失去其連續(xù)性。

。B值稱為巖石的強(qiáng)度極限或破裂極限。

巖石的強(qiáng)度（在?定條件下抵抗施加應(yīng)力的能力）并非定值，它受很多因素制約。

首先，巖石的成分與結(jié)構(gòu)、孔隙度等是最基本的內(nèi)在因素。以巖石成分為例，從表2-1-1

中明顯看出不同成分巖石之間的強(qiáng)度差別。

溫度和圍壓是影響巖石強(qiáng)度的重要外在因素。溫度升高使巖石強(qiáng)度降低，而增大圍壓卻明顯

增大了巖石的強(qiáng)度。不過，兩種因素同時(shí)導(dǎo)致巖石的韌性增強(qiáng)或減弱。因而，巖石在地表一般表

現(xiàn)為脆性，而向地下，隨著溫度和圍壓的增加逐漸會(huì)發(fā)生向韌性的轉(zhuǎn)變。

孔隙流體對(duì)巖石強(qiáng)度的影響從表2T-2中也是顯而易見的。究其原因主要表現(xiàn)為三個(gè)方面。

一方面，孔隙流體的存在可以促進(jìn)巖石中礦物組成的溶解和遷移，另一方面，流體相的存在可以

引起變形晶體的水解弱化（Griggs,1974；1976）,從而促進(jìn)巖石的塑性變形，再者，孔隙流體

的存在產(chǎn)生了一種孔隙壓力，它與巖石所處環(huán)境的圍壓方向相反，因而促進(jìn)圍壓的效應(yīng)減弱，結(jié)

果導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度降低。

表2TT幾種巖石在干、濕條件下的抗壓強(qiáng)度

Table2-1-1Compressivestrengthsofseveralrocksunderdryandwetconditions

巖石名稱干燥狀態(tài)（Mpa）潮濕狀態(tài)（Mpa）

花崗巖193-213162-170

閃長巖123108

煌斑巖183143

石灰?guī)r150118.5

礫巖85.654.8

砂巖87.153.1

頁巖52.220.4

時(shí)間因素是影響巖石力學(xué)性質(zhì)（強(qiáng)度）的重要因素，尤其在地質(zhì)條件下，時(shí)間計(jì)年以百萬年為

單位，它對(duì)于自然條件下巖石變形的意義就更應(yīng)該值得注意。時(shí)間因素對(duì)于巖石變形的影響主要

表現(xiàn)為三個(gè)方面：①應(yīng)變速率的效應(yīng)?？焖偈┝δ芴岣邘r石的應(yīng)變速率，提高巖石的強(qiáng)度，使

巖石發(fā)生脆性變形。常時(shí)間緩慢施力，會(huì)使脆性物質(zhì)破壞所需應(yīng)力值明顯減小，甚至發(fā)生韌性變

形；②重復(fù)施力的作用。使巖石多次重復(fù)受力，雖然作用力不大，也能使巖石破裂，且破裂時(shí)的

巖石強(qiáng)度值降低；③蠕變與松馳。蠕變是在應(yīng)力不增加的情況卜，隨著時(shí)間的增長變形繼續(xù)緩慢

增加的現(xiàn)象；松弛指當(dāng)應(yīng)變保持恒定時(shí)，隨時(shí)間的增長應(yīng)力逐漸減小的現(xiàn)象。這兩種現(xiàn)象的存在

都說明長時(shí)間緩慢變形會(huì)降低巖石的強(qiáng)度。另外，其它一些因素，如作用力的方式、方向等對(duì)

巖石的強(qiáng)度都有重要的影響。它們的綜合作用使得自然界的巖石變形具有很大的復(fù)雜性。

五、巖石破裂方式與破裂理論

巖石中的破裂有兩種類型：張裂和剪裂。張裂的位移方向垂直于破裂面，張裂面一般垂直于

最小主應(yīng)力方向。剪裂的相對(duì)位移平行于破裂面，破裂面一般與最大主應(yīng)力方向的夾角小于

45°。在圍壓很小的情況下，巖石表現(xiàn)為脆性，以剪裂形式破壞，在壓縮實(shí)驗(yàn)中，以軸向劈理為

特征。除了圍壓極低的情況外，剪裂是三軸壓縮試驗(yàn)中宏觀脆性破壞的主要形式。在超過某一稍

高的圍壓極限值的三軸拉伸實(shí)驗(yàn)中，宏觀脆性破壞也是剪裂占優(yōu)勢(shì)，但是，剪裂面與最大主壓應(yīng)

力。的夾角通常在20°-30°之間，并且隨著圍壓的增加而稍有增大。當(dāng)圍壓增大使巖石變形

達(dá)到脆-韌性過渡時(shí)，其剪切破壞往往會(huì)形成一個(gè)由相當(dāng)多微裂組成的強(qiáng)烈變形帶，而不形成單

一的分劃性剪裂，而且試驗(yàn)以后，樣品不一定立即分裂開。

剪裂面與最大主應(yīng)力軸方向的夾角稱為剪裂角(0).一般剪裂面常呈兩組共跳出現(xiàn)，包含

最大主應(yīng)力軸的兩個(gè)共扼剪裂面的夾角稱為共扼剪裂角(圖2T-6)。從應(yīng)力分析可以知道，最

大剪應(yīng)力作用面位于。1和。3軸之間的平分面上，與它們呈45°角，猶如剪切破裂最可能會(huì)

沿這些面發(fā)生。但實(shí)際上并非如此，巖石剪裂角常小于45°。不同學(xué)者提出了許多剪切破裂理

論和準(zhǔn)則，以此來分析和研究破裂的形成。

1)庫侖剪切破裂準(zhǔn)則

庫侖認(rèn)為巖石抵抗剪切破壞的能力不僅同作用在截面上的剪應(yīng)力有關(guān)，而且還與作用于該截

面上的正應(yīng)力有關(guān)。設(shè)發(fā)生剪切的臨界剪應(yīng)力為T,可以表示為；

T=T0+non(2-1-20)

圖2-1-6主應(yīng)力與破裂面方位關(guān)系(據(jù)朱志澄、宋

圖2T-7剪切破裂時(shí)的莫爾圓圖解(據(jù)朱志

鴻林，1990)

澄、宋鴻林，1990)

Fig.2-1-6Relationshipbetweenprincipal

Fig.2-1-7TheMohr,sdiagramforshear

stressesandorientationoffractures(from

fractures(fromZhu&Song,1990)

Zhu&Song,1990)

式中on為作用于該剪切面上的正應(yīng)力，T0為on等于零時(shí)的巖石抗剪強(qiáng)度，也稱為巖石的

內(nèi)聚力，對(duì)于一種巖石而言是一個(gè)常數(shù)。U為內(nèi)摩擦系數(shù)，由普通的滑動(dòng)類推：u=6是

材料的內(nèi)摩擦角，所以庫侖破裂準(zhǔn)則可以改寫為：

T=T0+on€d>(2-1-21)

在莫爾應(yīng)力圓圖解中(圖2T-7),(2-1-21)式為兩條與巖石破裂時(shí)的極限應(yīng)力圓相切的

兩條直線，稱剪切破裂線，兩個(gè)切點(diǎn)代表了共宛剪裂面的方位和應(yīng)力狀態(tài)。由圖2-1-7可知，巖

石發(fā)生破裂時(shí)，剪裂面與最大主應(yīng)力。1的夾角為9。

20=90°-*9=45°-。/2(2-1-22)

由此可見，剪裂角的大小取決于巖石變形時(shí)內(nèi)摩擦角的大小。實(shí)驗(yàn)表明，許多巖石的剪裂角

在30°左右。

b

2(10

?

金

)

《

理

?

o100200MM)400500

600

2000200400600800|0(M)1200正應(yīng)力(MPa)

正應(yīng)力(?P?)

圖2-1-8不同圍壓下的莫爾包絡(luò)線(據(jù)Hills,1972)

Fig.2-1-8TheMohrenvelopesatconfiningpressures(fromHills,1972)

2.莫爾剪切破裂準(zhǔn)則

莫爾根據(jù)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。對(duì)庫侖準(zhǔn)則提出了修正。他認(rèn)為材料的內(nèi)摩擦角不是常數(shù),

而是隨圍壓的變化而變化。其破裂線的方程一般表達(dá)式為：

Tn=f(On)(2-1-23)

這是一,條由?系列實(shí)驗(yàn)得出的曲線，它包括了同?種巖石在不同圍壓下破裂時(shí)的極限應(yīng)力

圓，這一曲線稱為莫爾包絡(luò)線(圖2T-8)。從上圖中可以看出，砂巖的莫爾包絡(luò)線接近于直線,

<1>角大約為45°,所以剪裂角在23°左右。頁巖的莫爾包絡(luò)線為曲線，小角隨圍壓的增加而變

小，當(dāng)圍壓足夠大時(shí)，剪裂角接近45°。

3.格里菲斯破裂準(zhǔn)則

庫侖和莫爾準(zhǔn)則都是通過巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)公式，它們不能對(duì)引起破壞的機(jī)制作出令

人滿意的物理學(xué)解釋。格里菲斯(1920)提出了另?種巖石破壞理論。他發(fā)現(xiàn)材料的實(shí)際破裂強(qiáng)

度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于根據(jù)分子結(jié)構(gòu)理論計(jì)算出的材料粘結(jié)強(qiáng)度，達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。他認(rèn)為這是由于材料中存

在許多隨機(jī)分布的微裂隙末端附近應(yīng)力強(qiáng)烈集中。當(dāng)裂隙端部的拉應(yīng)力達(dá)到該點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度時(shí),

微裂隙開始發(fā)生擴(kuò)展、聯(lián)結(jié)，最后導(dǎo)致材料的破壞?，F(xiàn)代超微觀測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，已證實(shí)了這種微

裂隙的普遍存在及其在材料破壞中的作用。在二維情況將微裂隙看作是扁平的橢圓形裂隙，可以

推導(dǎo)出平面格里菲斯破裂準(zhǔn)則：

當(dāng)oK-3。3時(shí)

o3=To(2-1-24)

當(dāng)。1>-3。3時(shí)

(。13)2-8To(。1+o3)=0或(2-1-25)

tn2=4To(To+。n)(2-1-26)

式中To為單軸抗張強(qiáng)度的數(shù)值，分別為剪裂面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力。(2-1-24)式為張裂

的準(zhǔn)則，(2-1-26)式在莫爾圓圖解中是?條拋物線型的莫爾包絡(luò)線(圖2-1-6),與實(shí)驗(yàn)得出

的曲線十分近似。從(2-1-26)式可知，在單軸壓縮情況下，。1=oc(抗壓強(qiáng)度)，。3=0,

則oc=8To。但在室溫常壓下巖石的抗壓強(qiáng)度往往是抗張強(qiáng)度的10-50倍。為此，麥克林托克

與華西(1962)又假定微觀裂隙在受壓方向上的閉合，將產(chǎn)生一?定的摩擦力而影響微裂隙的擴(kuò)展。

從而提出修正的平面格里菲斯破裂準(zhǔn)則，其莫爾包絡(luò)線為：

圖2-1-9平面格里菲斯破裂準(zhǔn)則的莫爾包絡(luò)線和修正的格里菲斯準(zhǔn)則的包絡(luò)線（虛線）

Fig.2-1-9TheMohr'senvelopesforGriffithcriteriaandrevisedGriffithCriteria

（dashedline）

Tn=uon+2To（2-1-27）

雖然格里菲斯準(zhǔn)則及其修正的準(zhǔn)則初步描述了關(guān)于破裂的真實(shí)物理模式，但它們與巖石力學(xué)

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的結(jié)果仍有些明顯的不一致，如所預(yù)計(jì)的單軸抗壓強(qiáng)度與抗張強(qiáng)度之比都過低，預(yù)計(jì)

的莫爾包絡(luò)線斜率也與實(shí)際的斜率不嚴(yán)格一致。盡管如此，它們?nèi)允悄壳皯?yīng)用于構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、巖

石力學(xué)方面比較符合實(shí)際的準(zhǔn)則，而被廣泛采用。

巖石的流動(dòng)與流動(dòng)機(jī)制

自然界千姿百態(tài)的地質(zhì)構(gòu)造，它們的形成是通過巖石變形完成的。雖然不同地質(zhì)構(gòu)造的規(guī)模

差別可以很大，大到全球規(guī)模、區(qū)域規(guī)模、露頭規(guī)模甚至手標(biāo)本或顯微規(guī)模，但它們都是由顆粒

尺度（或規(guī)模）上巖石結(jié)構(gòu)的調(diào)整與流動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。巖石結(jié)構(gòu)調(diào)整與流動(dòng)的基本過程稱為流動(dòng)機(jī)制。

如前已述，巖石的力學(xué)表現(xiàn)及其變形行為是受很多因素制約的，巖石流動(dòng)機(jī)制的變化也同樣受這

些因素的影響。在影響巖石流動(dòng)機(jī)制的各種因素中，隨著由地殼淺部向深部溫度和圍壓的逐漸增

加具有最重要的意義。為此，在地殼剖面的不同深度上，巖石變形通過不同的機(jī)制完成。其中主

要包括碎裂流動(dòng)、壓溶作用、晶質(zhì)塑性和顆粒邊界滑移。

碎裂流動(dòng)碎裂流動(dòng)是相對(duì)低溫條件下的種典型巖石變形機(jī)制。巖石的破裂、巖石碎塊（角

礫）的旋轉(zhuǎn)與位移是這種變形機(jī)制的基本過程。在碎裂流動(dòng)作用過程中，巖石破裂或較大礫徑角

礫的旋轉(zhuǎn)、位移過程產(chǎn)生的空隙與巖石結(jié)構(gòu)的不協(xié)和性由較小礫徑的角礫或熱液充填的脈體物質(zhì)

協(xié)調(diào)。碎裂流動(dòng)形成的典型構(gòu)造巖包括斷層泥、碎裂巖和斷層角礫巖。碎裂流動(dòng)常常出現(xiàn)在低溫、

高應(yīng)變速率和高流體壓力條件下（Passchier和Trouw,1996）,主要具有以下特點(diǎn)：1）角礫礫

徑變化大；2）角礫可以為復(fù)成分角礫、或是由單晶構(gòu)成，但更多情況下由多晶集合體構(gòu)成；3）

角礫呈棱角狀、具有平直的邊界；4）角礫無一定的顆粒形態(tài)優(yōu)選。5）角礫內(nèi)的礦物顆粒含有很

多纏結(jié)位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)。

壓溶作用由于粒間孔隙流體的存在，變形巖石內(nèi)的顆粒在應(yīng)力作用下出現(xiàn)溶解和物質(zhì)遷移

過程。沿顆粒面向壓應(yīng)力一側(cè)顆粒邊界溶解，溶解物質(zhì)在流體內(nèi)擴(kuò)散、遷移并于低壓應(yīng)力一側(cè)沉

淀。物質(zhì)擴(kuò)散遷移過程主要受應(yīng)力作用梯度引起的化學(xué)勢(shì)梯度制約。沉淀的新生礦物顆粒可以與

被溶解礦物成分一致或不一致。壓溶作用形成的典型結(jié)構(gòu)型式包括縫合線、極切顆粒（如礦物顆

粒、化石或新粒等）。當(dāng)巖石由溶解度不同的顆粒組成時(shí)，壓溶作用表現(xiàn)得最為清楚。壓溶作用

在成巖過程或低溫變形過程中非常發(fā)育。

晶質(zhì)塑性巖石變形通過晶體內(nèi)部品格結(jié)構(gòu)調(diào)整或晶內(nèi)變形來實(shí)現(xiàn)，晶內(nèi)變形通過位錯(cuò)的運(yùn)

動(dòng)與增殖過程完成（詳見第二章第七節(jié)）。晶質(zhì)塑性變形過程包括位錯(cuò)滑移、位錯(cuò)攀移、動(dòng)態(tài)恢

復(fù)與動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用過程。位錯(cuò)滑移指具有一定結(jié)晶學(xué)方向的位錯(cuò)沿著特殊晶面和晶軸方向移動(dòng)

（包括沿任意結(jié)晶學(xué)方向的位錯(cuò)平移和沿特定結(jié)晶學(xué)方向的雙晶滑移）。位錯(cuò)沿著垂直于滑移面

方向上的運(yùn)動(dòng)稱為位錯(cuò)攀移。位錯(cuò)滑移與位錯(cuò)攀移同時(shí)發(fā)生的綜合作用過程為位錯(cuò)蠕變。受應(yīng)變

礦物晶體內(nèi)部的位錯(cuò)，通過位錯(cuò)蠕變等過程排列、組合，總體趨勢(shì)向著使晶體具有低內(nèi)能結(jié)構(gòu)發(fā)

展，產(chǎn)生晶內(nèi)位錯(cuò)的低能構(gòu)形，這種過程稱為動(dòng)態(tài)恢復(fù)作用。隨著動(dòng)態(tài)恢復(fù)作用發(fā)展，晶內(nèi)位錯(cuò)

逐漸消失，位錯(cuò)密度減小并伴隨出現(xiàn)與原變形晶體結(jié)晶方位有顯著差異的新晶體顆粒，稱為動(dòng)態(tài)

重結(jié)晶作用。晶質(zhì)塑性是一種溫度和壓力比較高的條件下出現(xiàn)的巖石韌性變形機(jī)制，是地殼中、

深部層次巖石變形的基本過程。受晶質(zhì)塑性變形的巖石，具有特殊的變形構(gòu)造與微構(gòu)造組合，并

形成典型構(gòu)造巖-糜棱狀巖石（詳見第二章第七節(jié)）。

顆粒邊界滑移與巖石的超塑性巖石可以獲得很高的應(yīng)變而不發(fā)育形態(tài)或晶格優(yōu)選組構(gòu)。巖

石的這種特點(diǎn)稱為超塑性，顆粒邊界滑移（而非晶內(nèi)變形）是超塑性變形的主導(dǎo)變形機(jī)制。巖石

的超塑性出現(xiàn)在某些特殊條件下，包括極細(xì)粒巖石結(jié)構(gòu)、相對(duì)高溫條件（T/Tm>0.5,Tm為變形

礦物的熔點(diǎn)溫度）、較低的應(yīng)力和應(yīng)變速率。超塑性在許多地殼中深層次的韌性剪切帶的發(fā)育中

扮演了重要的角色，顆粒邊界滑移是糜棱巖形成與演化過程的一種重要機(jī)制。

第二節(jié)、巖石的成層性與層狀構(gòu)造

成層性是沉積巖、火山巖和變質(zhì)巖共有的特點(diǎn)。當(dāng)然，在不同成因類型的巖石中，巖石成層

性的組成、結(jié)構(gòu)與成因有著顯著的差異。對(duì)于沉積巖與火山巖的成層性，?般認(rèn)為是巖石沉積、

成巖過程中產(chǎn)生的主要構(gòu)造型武，稱之為原生構(gòu)造；而變質(zhì)巖的成層性，不僅與原巖的成層性（變

質(zhì)沉積巖和變質(zhì)火山巖）有關(guān)，而且常常與后期變形-變質(zhì)作用具有密切的成因聯(lián)系。這種成層

性及相關(guān)的構(gòu)造型式稱為次生構(gòu)造。即使不同類型巖石中的成層性具有很大差別，但是它們的兒

何表示卻一致，與本章第四節(jié)將要討論的斷層與節(jié)理構(gòu)造等都可以用幾何學(xué)中的平面表示。本章

主要討論沉積巖的成層性，關(guān)于火山巖和變質(zhì)巖的成層性及其構(gòu)造特點(diǎn)將分別在本章第五節(jié)、第

六節(jié)討論。