岩石力学蔡美峰版-读书笔记++

岩石力学蔡美峰版读书笔记第一章绪论1.构造地质学的研究对象与内容构造地质学是地质学的一门分支学科，主要研究由内动力地质作用所形成的各种地质构造的形态、产状、规模、形成条件、形成机制，分布和组合规律及其演化历史，并进而探讨产生地质构造的地壳运动的方式、规律和动力来源。同时，地质构造学还要研究沉积岩在沉积过程和成岩过程中所形成的原生构造以及沉积岩岩层的产状和底层的基础关系等。地质构造指组成地壳的岩层和岩体在内、外动力地质作用下发生变形、从而形成的各种构造，如褶皱、节理、断层、劈理以及其他各种面状和线状构造等。构造地质学研究的范围大至几百、上千千米乃至全球规模，即整个地球的结构以及地壳的巨大单元，如大陆和大洋、山脉和盆地等的形成和发展；小到组成岩石圈内各种变形地质体的空间组合和分布规律及构造特征，即一定范围的露头上或手标本上；更小则到岩石或矿物的内部组构等，需要借助显微镜才能观察，在深度上，则涉及从地壳表层至地幔深部不同层次的构造现象。因此，对地质构造的观察研究，可以按规模大小划分为许多级别，称为“构造尺度”。构造尺度的划分是相对的，一般把构造尺度划分为巨、大、中、小、微以至超显微等级别。不同尺度的地质构造各有其不同的研究任务和研究方法，例如小尺度或中尺度的地质构造观察研究通常采用野外地质调查力法。构造地质学的主要任务是要对各种变形地质体即褶皱、断裂、面理和线理等构造现象进行识别、描述和成因解释。1.构造地质学主要以各种地质构造的产状、形态、规模、形成条件、形成机制、分布和组合及其演化历史为研究对象，进而探讨产生地质构造的地壳运动的方式、规律和动力来源。2.构造地质学还要研究沉积岩在沉积和成岩作用过程中所形成的原生构造以及沉积岩岩层的产状和地层的接触关系等。构造地质学研究的基本内容是阐述有关中、小尺度的地质构造的基本特征(形态、产状、分布和组合关系)及对各种构造的认识方法和分析方法。本课程的主要内容包括四大部分：沉积岩层的产状特点及有关力学分析基础；榴皱构造的特征及研究方法；断裂构造的基本类型以及它们的特点；大地构造的基本理论和研究方法。2.构造地质学的研究意义及发展：阐明地壳构造在空间上的相互关系和时间上的发育顺序，探讨地壳构造的演化和地壳运动规律及其动力来源。构造地质学的学科发展对整个地球科学的理论建设具有重大作用。：应用地质构造的客观规律指导生产实践，解决矿产分布、水文地质、工程地质、地震地质、石油地质及环境地质等方面有关的问题。3.构造地质学的特征及研究方法构造地质学研究对象是地壳或岩石圈的地质构造，而绝大多数地质构造又是漫长的地质历史过程中历次地壳运动的产物。所以，人们既不可能直接看到当初它们变形的环境和过程，也不可能在实验室中以同样的规模和时间过程来再造它们。对它们的研究，只能通过观察、研究它们的变形遗迹-----各种地质构造的形态、产状及它们之间的相互关系，并结合其他资料加以综合分析，推测它们的受力变形的情况，进而探讨其区域应力状况及其所反映的地壳运动的性质和特点。这种研究方法称为“反序法”，它是研究构造的一种最基本的方法。这种方法的主要任务有：1.对地质构造进行几何分析和空间分析---观察、测量、描述。2.对地质构造进行历史分析，即阐明各类地质构造的形成时代及其发育顺序。3.对地质构造进行力学分析和成因分析----鉴定构造的力学性质。构造尺度的定义构造地质学的研究对象理论意义：实际意义：第二章沉积岩的原生构造及原生产状沉积岩是地壳表层分布最广泛的岩石，其分布面积约占地球大陆面积的75%。大陆地壳表层的地质构造很多是沉积岩形成的。观测分析沉积岩层的原生构造、岩层产状和接触关系，是研究地质构造的一项基础工作。第一节.沉积岩层的原生构造1.岩层的概念由于先后沉积的物质在成分、粒度、颜色、形状等方面的差异，沉积岩显示出游明显的成层现象，称为层状构造。同一岩层的成分、结构和颜色大体上是一致的，并由两个相当清楚的界面将其与上覆岩层和下伏岩层分隔开。但在同一岩层内，沿垂直层面方向的剖面仔细观察，还会发现有颗粒粗细、颜色深浅甚至含有其他物质多少的变化。根据这些变化，岩层内还可以细分为若干更小的层。所以，层又是岩层的基本组成单位，一个岩层可以由一个或几个层组成。如图2-1：岩层的形成过程是内力地质作用和外力地质作用相互影响、相互制约的过程。如一个处于地壳不断下降过程中的接受沉积的坳陷盆地，在其边缘沉积了砾石，向盆地内部逐渐过渡为砂、细砂、粘土等物质，在离岸更远的地方为较稳定的化学沉积。这些沉积物成岩以后就分别形成了砾岩、砂岩、页岩、泥灰岩或石灰岩等（图2-2（a））。如果地壳继续下降，沉积区不断扩大，沉积区段发生变化，在原来砾石层上面又沉积了砂岩，原砂层上面又沉寂了细砂或粘土等，使水平方向和垂直方向均呈现出由粗到细逐渐过渡的关系（图2-2（b））。有时沉积下降速度明显变化，造成沉积环境的明显变化，使上、下两套沉积物在物质成分、结构和颜色等方面均有明显的差异（图2-2（c））。这种相互重叠并有明显差异的地质体，成岩以后再构造上的明显特征是具有层状构造。岩石：组成地壳的岩石种类繁多，按照生成原因，可以将岩石划分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类别。岩浆岩：是地球内部高温熔融状态的岩浆，沿地壳薄弱地带侵入地壳或喷出地表逐渐冷却、凝固而形成的岩石。岩浆岩中最主要的造岩矿物有：石英、正长石、斜长石、白云母、黑云母、角闪石、辉石及橄榄石等八种。变质岩：原有的岩浆岩、沉积岩或变质岩在地壳中受到高温、高压及化学性活泼的气体或液体的影响，岩石的物理和化学性质发生变化，变成一种新的岩石，称为变质岩。常见的变质岩有：由石灰岩、白云岩变质而成的大理岩，由石英砂岩变质而成的石英岩，以及由其他岩石变质而成的片麻岩、片岩、千枚岩、板岩等。沉积岩：沉积岩是在地壳表层环境中形成的岩石。是暴露于地表的原有岩浆岩、沉积岩、变质岩，经受外地地质作用风化、剥蚀成碎块或碎屑的物质和溶解物质，经搬运、沉积和固结成岩作用而形成的新的岩石。岩层沉积形成过程描述：主要讲原生构造岩层：由两个平行或近于平行的界面所限制的、岩性基本一致的层状岩体叫做岩层。由沉积作用形成的岩层叫做沉积岩层。岩层的上、下界面叫层面，上层面又称顶面，下层面又称低面。两个岩层的接触面，既是上覆岩层的地面，又是下覆岩层的顶面。同一岩层在形成过程中，由于气候条件，水流大小，物源供应等外力地质因素发生变化而显示出层理和层。因此，任何一个岩层都是一次地壳升降运动所造成的沉积单位，其性质受一定的时间、空间和自然地理环境所控制。同一岩层顶、底面之间的最短距离，就是岩层的厚度（真厚度）。由于沉积环境和条件的不同，岩层的厚度区域分布有变化，有的岩层在较大范围内厚度不变或基本一致，形成厚度稳定的板状岩层；有的岩层在较小范围内明显地向一个方向增厚，而向另一个方向变薄甚至灭尖，称作岩层的灭尖现象；有的岩层中间厚而向两侧灭尖，形成透镜状岩层如图2-3岩层厚度的这些变化，受当时堆积形成时地壳运动的升降速度和幅度以及古地理环境的影响。因此，常采用测定各个地点、同一时代的岩层厚度数据，制作该时代岩层的等厚图（即岩层厚度等值线图）。等厚图用来分析地壳运动的变化规律。确定出隆起区和坳陷区，对寻找石油和天然气有一定的实际意义。沉积岩原生构造不仅为研究和判断岩层形成时的古地理和地壳运动特征提供重要资料，而且有些原生构造（如层理、层面构造等）还是鉴别岩层顶、低面和确定岩层相对层序的重要依据。了解这些构造特征，对观察分析构造形态，其额定岩层产状和岩石变形特征具有一定的指导意义，在某些情况下这些构造特征还具有特殊的作用。2.层理及其识别3.利用沉积岩层原生构造确定岩层的顶面和低面沉积岩在沉积过程中和成岩作用过程中产生的非构造变动的构造特征称为沉积岩层的原生构造层理：层理：是沉积岩中最普遍的原生构造。它是通过岩石成分、结构和颜色等特征在剖面上的突变或渐变所显现出来的一种成层构造。依据层理的形态及其结构通常将其分为三种基本类型：水平层理、波状层理和斜层理。如下图：确定岩层的新老层序是野外观察研究地质构造的一个重要课题。这是因为岩层形成并经受构造变动，层序有的保持正常，有的产生倒转。确定岩层的地质时代和层序，主要是依据化石，但在某些情况下，尤其在缺乏化石的“哑地层”中，也可以根据岩层的原生构造或某些次生构造，通过判别岩层的顶、底面去确定其相对新老层序。1.斜层理：斜层理由一组或多组与主层面斜交的细层组成。不同类型的斜层理，细层的倾斜方向也不同，可以向同一方向倾斜，也可向不同方向倾斜。斜层理能用来确定岩层顶、底面的方向，其判别特征是：每组细层理与层系顶部主层面成截交关系，而与层系低部主层面呈收敛变缓而相切的关系，弧形层理凹向顶面。根据这个特点就可以确定岩层顶、低面。2.粒级层理：粒级层理又叫底边层理，它是由岩石颗粒的粒度大小变化显示出来的。正常情况下，颗粒分布为下粗上细，其特点是在单层中从底到顶由砾岩或粗砂岩开始，向上递变为细砂岩、粉砂岩以至泥岩。有的由砾至泥粒级递变完整；有的部完整只有砾—砂，或砂—泥；有的重复呈条带状出现，似间互层或韵律层。粒级层理在海、湖相碎屑岩中很普遍。它可以是水流机械搬运分级沉积的结果，也可以由浊流搬运形成的粒级浊积层。在相邻两粒级层之间，下层顶面常受过冲刷，因而两层在粒度上或成分上不是递变二十突变。根据粒级层理这种下粗上细递变的特征，可以确定岩层的顶、低面。3.波痕：波痕的成因和类型很多，能够用来指示岩层顶、底面的主要是对称型浪成波痕，它的波峰呈尖棱形，波谷呈圆弧形。这种波痕无论是原形还是印模，都是波峰尖端指向岩层的顶面，圆弧形波谷凸向底面。对称型浪成波痕主要发育在粉砂岩，砂岩及碳酸盐岩的表面，在细砾岩中叶可以看到。4.泥裂：泥裂也称干裂，是未固结的沉积物路出水面后经暴晒干涸时，因收缩而形成的与层面大至垂直的楔状裂缝。泥裂常使层面构成网状、放射状或不规则分差状的裂缝。剖面上则呈”V”形或“U”形裂口。这些裂缝被上覆沉积物填充时，使填充层的底面成脊形印模。无论是楔形裂缝或脊形印模，其尖端均指向岩层的地面，即指向较老岩层。泥裂常见于粘土岩、粉砂岩及细砂岩层面上，偶尔也见于碳酸盐岩层面上。5.雨痕、雹痕及其印模：雨痕、雹痕是雨点或冰雹落在湿润而柔软的泥质或粉砂质沉积物表面上，击打出边缘略高于沉积物表面的原型或椭圆形凹坑。凹坑总是分布在岩层的底面。6.冲刷面:固结或半固结的沉积岩层，在出露水面或在水下经水流冲刷，在沉积岩层顶面造成凹凸不平的冲刷面。此后，这些不平整的冲刷面上有堆积物质时，被冲刷下来的下伏岩层的碎块和砾石，有可能在原冲刷沟、槽、坑出有堆积下来，形成自上而下由粗变细的充填物。这种冲刷沟、槽、坑和下粗上细的充填物特征，可以作为判别岩层的顶、底面的标志。7.古生物化石的生长和埋藏状态：保存在岩层中的古生物化石，除了根据其种属确定地层的地质年代外，还可以根据某些化石在岩层内的埋藏保存状况和生长状态鉴定岩层的顶、底面。第二节.岩层的产状、厚度及出露特征1.水平岩层：岩层层面保持近水平状态，即同一层面上各点的海拔标高相同或基本相同的岩层称为水平岩层，即水平岩层的倾角不超过5度。在沉积盆地的中心部位或其他比较稳定的沉积环境中形成的沉积岩层，其原始产状一般都是水平或近似水平的。岩层形成以后，受构造运动影响轻微，其产状基本保持了原始水平状态，习惯上也叫水平岩层。水平岩层的分布规律：年轻的新岩层分布在地形高出，时代越新，分布出露的位置越高；时代老的岩层分布在地形的低处，时代越老，出露位置越低。水平岩层的产状是指岩层在地壳中的空间方位和产出状态。要正确认识和分析眼曾经受什么样的变形而产生这些构造形态，还需要了解岩层的原始产状。在广阔而平坦的沉积盆地（如海洋和大湖泊）中所形成的沉积岩层，其原始产状大都是水平或近于水平的。只有在沉积盆地的边缘、岛屿、水下隆起和火山锥周围边坡等局部地带，岩层才会出现一定程度的倾斜，这是原始倾斜。因此将岩层的原始产状理解为水平的，以水平面作为参考面，是认识和分析地质构造的一个基本前提。原始产状水平的岩层有些在地壳运