第4章 变形岩石应变分析基础

第4章变形岩石应变分析基础徐海军地球科学学院第一节变形和位移地质体变形的基本方式当地壳中岩石体受到应力作用后，其内部各质点经受了一系列的位移，从而使岩石体的初始形状、方位或位置发生了改变，这种改变通常称为变形。变形的基本方式可分为四种：平移、转动、形变和体变。变形和位移平移：位置发生改变旋转：方位发生改变体变：体积发生改变形变：形状发生改变平移和旋转是物体整体空间位置的变化，而其内部各质点间相对位置不变，因此并不会改变物体的形态，仅引起物体的位移，称变位。体变和形变则使物体内部各质点间的相对位置发生了改变，从而改变了物体的大小和形状，即引起了物体的应变。第二节应变的度量应变（strain）应变与应力状态的含义不同，它是表示物体的变形程度。应力状态是指某一瞬间作用于物体上的应力情况，而应变是指与初始状态比较的物体变形后的状态。应变是物体受应力作用发生变形的产物，应力与应变之间的关系是一种因果关系。应变（strain）应变：是物体变形程度的度量，即物体形状和大小的改变量。线应变：物体内部质点间线段长度的变化量。剪应变：物体内部相交线段间的夹角大小的变化量（偏斜量）的正切。0001llllle伸长度2201)e1()ll(平方长度比tan剪应变剪变角线应变线应变e：变形前后长度的改变量。式中，l0、l1－变形前、后同一线段的长度。地质上，把伸长的e取正值，缩短时的e取负值。0001llllle线应变这种线应变表示的拉伸变形，伸长了60%，e变化范围从-1（强烈压缩）→0（长度没有变化）→∞（极度伸长）平方长度比λ是应变测量中常用量，为同一线段在变形前、后长度之比的平方。2201)1(ell6.0558001llle线应变计算的地质实例箭石原来长度（l0）82mm拉长箭石长度（l1）185mme=1.25伸长率125％λ=(1+e)2=5.06箭石化石不仅被拉长了125％，而且化石周围岩石也被拉长了125％剪应变（角应变）变形前相互垂直的两条直线，变形后其夹角偏离直角的量称为角应变（φ）或简称角剪应变，其正切称为剪应变（γ）：γ=tgφ剪应变的地质实例在右行剪切时为正，左行剪切时为负。三叶虫变形第三节均匀变形和非均匀变形均匀变形变形前后物体各部分的变形性质、方向和大小都相同的变形，即为均匀变形。其特征为：1.原来的直线或平面，变形后仍然是直线或平面，但方向可能改变。2.原来互相平行的直线或平面，变形后仍然平行，方向也可能改变。3.变形物体中同一方向的直线具有相同的伸缩量和角度的变化，如正方体-菱形体、圆-椭圆。非均匀变形变形前后物体各部分的变形性质、方向和大小都有变化的变形，即为非均匀变形。其特征为：1.原来的直线或平面，变形后为曲线或曲面。2.原来互相平行的直线或平面，变形后不再平行。3.变形物体中同一方向的直线，伸缩量和角度的变化是不同的。均匀变形的类型轴对称伸展axiallysymmetricextension轴对称缩短axiallysymmetricshortening平面应变planestrain一般应变generalstrain连续变形、不连续变形连续变形：物体内从一点到另一点的应变状态是逐渐改变的，称为连续变形。不连续变形：物体内从一点到另一点的应变状态是突然改变的，则应变是不连续的，称为不连续变形。第四节应变椭球体应变椭球体：以椭球体的形态和方位来表示岩石的应变状态，该椭球体称为应变椭球体。基本要素：三个主轴1、2、3、或X、Y、Z、或A、B、C三个主平面XY面，YZ面，XZ面两个圆切面应变椭球体（Strainellipsoid）1.应变主轴：应变椭球体有三个互相垂直的应变主轴，沿应变主轴方向只有线应变而没有剪应变。根据三个互相垂直的应变主轴的线应变的大小，可分为最大应变主轴、最小应变主轴和中间应变主轴。2.主平面（主变形面）：包含任意两个应变主轴的平面。其中：AB面垂直最小应变主轴C轴，为最大压缩面，即代表最大挤压变形面。BC面垂直最大应变主轴A轴，为最大拉伸面，即代表最大张裂变形面。3.圆截面：切过应变椭球体中心的切面一般为椭圆形，但其中有两个截面是圆形的，称圆截面。两个圆截面的交线是中间应变主轴B轴。两个圆截面与A轴的夹角一般小于45度。两个圆截面为最大剪切面，即代表最大剪破裂面。其同等发育时，则构成共扼剪切破裂面。非旋转变形（纯剪变形）/旋转变形（简单剪切应变）纯剪切应变（Pureshearstrain）是一种均匀的非旋转应变，其特征是平行于应变椭球的主轴的物质线在变形之后具有同一方位。简单剪切变形（Simpleshearstrain）是一种均匀的旋转应变，其特征是应变主轴是旋转的。大多数野外变形露头表明，简单剪切的旋转形变是天然构造形成的最重要的地质作用。纯剪切应变（Pureshearstrain）简单剪切应变（simpleshearstrain）褶皱形成过程中的应变变化第四节应变椭球体形态类型及其几何表示方法弗林图解（Flinndiagram）k=tanα=(a-1)/(b-1)其中：a=X/Y=(1+e1)/(1+e2)b=Y/Z=(1+e2)/(1+e3)1935年，Zings首次提出这种图解，1962年，Flinn把它应用于构造地质学。弗林图解（Flinndiagram）k=(1+e1)(1+e2)=(1+e3)轴对称伸长椭球体k=0(1+e1)=(1+e2)(1+e3)轴对称压扁椭球体k=1(1+e1)(1+e3)＝(1+e2)2＝0平面应变椭球体1k∞(1+e1)1(1+e2)(1+e3)长形椭球体1k0(1+e1)(1+e2)1(1+e3)扁形椭球体1935年，Zings首次提出这种图解，1962年，Flinn把它应用于构造地质学。岩石应变分析1、样品处理方法•观察在室内仔细观察石英、黑云母等矿物的排列方向或优选方位，确定面状和线状组构要素，确定应变主轴的方向。•测量磨制定向薄片，每标本切制三片，代表xy、yz、xz三个主应变面。三个薄片一组，利用显微镜横丝刻度测量出石英矿物颗粒的长短轴，每薄片测量45～50颗粒，记录数据。•处理数据采集完毕后，使用Robin法对数据进行处理，分别计算出Rsxz、Rsyz、Rsxy。以LnRsxy为纵坐标，LnRsyz为横坐标，投图，将各样品应变主轴方位赤平投影。双河岩体三维应变测量显微照片（视域直径5mm）sh－12xy面（左上）xz面（左下）yz面（右上）刘强提供2、测量结果样品xyyzxzKX轴产状Y轴产状Z轴产状SH-081.251.561.800.5095∠20212∠17285∠71SH-091.311.511.800.46263∠28190∠1498∠62SH-101.141.901.980.20129∠33213∠2326∠52SH-111.231.852.080.28149∠3049∠2321∠59SH-121.172.022.130.22269∠42185∠4495∠54SH-161.301.691.990.50135∠40225∠18331∠52SH-171.201.631.770.37134∠25228∠12338∠52SH-181.221.812.180.26217∠13124∠3023∠64SH-191.061.461.690.11237∠70111∠2735∠22SH-201.261.641.880.37200∠15102∠3215∠81SH-211.301.641.930.40126∠5350∠12332∠44SH-221.311.581.880.59113∠2512∠17316∠61SH-231.151.371.710.59212∠2120∠18300∠78SH-241.281.461.700.65141∠30214∠11315∠60SH-251.241.501.680.53147∠15204∠11325∠85刘强提供3、测量结果图解0.000.200.400.600.801.000.000.200.400.600.801.00Ln(Y/Z)Ln(X/Y)K=1双河岩体Flinn图解（左）和应变主轴投影（右）刘强提供第五节递进变形递进变形有限应变－－物体变形最终状态与初始状态对比发生变化，称为有限应变或总应变。无限小应变－－变形过程中某瞬间正在发生的小应变叫增量应变，如果取瞬间非常微小时，期间发生的微量应变称为无限小应变。递进变形－－是许多无限小应变逐渐累积过程的变形。在变形历史任何一个阶段：应变状态都由已经发生的有限应变＋正在发生的无限小应变（或增量应变）组成。递进变形用卡片模拟简单剪切的递进变形过程（Ragan,1973）带点象限标识每个应变椭圆中的伸长区，第5列描述了最终应变后各椭圆的形态，第5行代表增量应变椭圆的形态及其伸长区的范围。共轴\非共轴递进变形在递进变形过程中，如果各增量应变椭球体的主轴始终与有限应变椭球体的主轴一致，这种变形称为共轴递进变形。否则，即为非共轴递进变形。递进纯剪切变形，是共轴递进变形的典型实例，其关键特征是递进变形中，应变主轴的方向保持不变。如图所示：非共轴递进变形递进的简单剪切是非共轴递进变形的典型实例。这种变形特征：在递进变形过程中，其有限应变椭球体的主轴方位随着剪切应变量增加而改变，tan2θ＝2/γ非共轴递进变形的典型实例递进的简单剪切变形，是非共轴递进变形的典型实例。如图所示。tan2θ＝2/γ