《构造地质学》

构造地质学第一章绪论第一节概述一、构造地质学构造地质学是地质学的基础学科之一，研究对象是组成地壳的岩石、岩层和岩体在岩石圈中力的作用下变形形成的各种现象（构造）；研究内容是这些构造的几何学、组合形式、形成机制和演化过程，探讨产生这些构造的作用力的方向、方式和性质。二、构造尺度大至全球性，小至纳米级本教材分六级：1.巨型构造：山系、区域性地貌的构造单元。如喜马拉雅山造山带、秦岭—大别造山带2.大型构造：区域性构造单元中的次级构造单元如背斜、向斜、大型断裂等3.中型构造：一个地段上的褶皱、断层；(1：5万比例尺的图上，可见全貌，本课程研究的重点)4.小型构造：露头上、手标本上的构造(小褶皱、断层、节理、面理、线理，本课程研究的重点)5.微型构造（显微构造）：手标本、显微镜下可见的构造6.超显微构造：电子显微镜下研究的构造（位错）一般分三级：1.大构造-区域构造、大地构造(1：20万比例尺图幅的范围)2.小构造：露头上、手标本上的构造3.显微构造：显微镜下可见的构造构造尺度不同，研究目的不同，手段与方法不同，侧重的内容不同，解决的问题不同。三、构造变形场1.构造应力场：物体内各点的应力状态在物体占据空间内组成的总和(挤压应力场、拉张应立场、剪切应立场)2.构造变形场：主导构造应力均匀作用的空间及其形成的构造域（1）伸展构造：水平拉伸应力或垂向隆升导致的水平拉伸应力下形成的构造。（裂谷、盆地、地堑-地垒、盆-岭构造等）（2）压缩构造：水平挤压应力下形成的构造(褶皱、逆冲断层)（3）升降构造：岩石圈地幔垂向运动，导致地壳的上升和下降，区域性的隆起和坳陷(山系、高原、盆地)（4）走滑构造：顺直立剪切面水平方向（走向）滑动或位移形成的构造（5）滑动构造：重力滑动构造（6）旋转构造：陆块绕轴转动形成的构造第二节圈层结构和构造层一、地壳-岩石圈的层圈式结构(物质组分不同导致岩石力学性质的分层性)1.岩石圈：地壳和上地幔的总和；分大陆岩石圈和大洋岩石圈(1)地壳：上地壳—沉积岩、火山岩、花岗岩、浅变质岩中地壳—闪长岩类岩石、片岩、片麻岩下地壳—玄武岩、辉长岩、深变质岩(2)上地幔：超基性岩类（莫霍面之下）2.大陆岩石圈：垂向成层，横向不均一，厚度、密度、强度、地壳物理状态，均有差异。3.“三明治”结构：上地壳—脆性（硬）中地壳—塑性（软流层、壳内软层）下地壳—刚性（硬）二、构造层次温度递增引起岩石力学性质变化导致变形的分层性1.构造层次：同一次构造活动，在不同的深度形成不同类型的构造变形(物质与温度均为变量时，变形的分层性更复杂)。2.构造层次的划分：(1)表层构造：＜1km的地表，剪切作用，脆性变形(断层、褶皱)(2)浅层构造：1-8km，褶皱作用，脆性变形(褶皱、断层、节理)(3)中层构造：8-15km，强褶皱作用，塑性变形(紧密褶皱、韧性剪切带)(4)深层构造：＞15km，流变作用、熔融作用(柔流、韧性剪切带、混合岩化)脆性破裂域——塑性流变域第二章地质体的基本产状及沉积岩层构造第一节面状结构和线状结构的产状一、面状结构的产状要素1.走向：(1)走向线：倾斜平面与水平面的交线(同一倾斜平面上有无数条，高程不同，相互平行)(2)走向：走向线两端所指的方向（相差180°）2.倾向：(1)倾斜线：倾斜平面上与走向线垂直的线(2)倾向：倾斜线(下端)在水平面上的投影所指的方向3.倾角：倾斜线与水平面的交角（最大交角）表示方法：倾向∠倾角，如：66º∠50º（常用）走向/倾向∠倾角，如：156º/66º∠50º方向定量：规定N为0（或360º）；E为90º；S为180º；W为270º倾斜平面的产状要素二、线状结构的产状要素1.倾伏向：某直线（下端）在水平面上的投影所指的方向2.倾伏角：某直线与水平面的交角（最大交角）表示方法：倾伏向∠倾伏角，如：45º∠51º3.侧伏角：直线在倾斜平面上时，该线与该平面走向线的锐夹角4.侧伏向：锐夹角所在的走向线那一端的方向表示方法：侧伏角侧伏向，如：15E线理的倾伏角与侧伏角第二节水平岩层未经变动的新岩层水平岩层的主要特征：1.岩层界线与等高线平行或重合2.老岩层在下(谷底），新岩层在上（山顶）3.岩层顶、底之间的高差为岩层的厚度4.出露宽度是顶、底面露头线的水平距离，取决于岩层厚度、地面坡度倾斜岩层—“V”形法则1.岩层倾向与地面坡向相反：露头线与等高线同向弯曲露头线曲率＜等高线曲率2.岩层倾向与地面坡向一致：(1)岩层倾角＜地面坡角：露头线与等高线同向弯曲露头线曲率＞等高线曲率(2)岩层倾角＞地面坡角：露头线与等高线反向弯曲第三节地层接触关系一、整合和不整合1.整合接触：（1）特点：两套地层产状一致，沉积连续，生物连续，无构造运动（2）过程：下降、沉积—再下降、再沉积2.假整合（平行不整合）接触：（1）特点：两套地层产状一致，地层缺失，生物间断，有升降运动，但不强烈缺：无沉积，因地壳上升；失：有沉积，被剥蚀（2）过程：下降、沉积—上升、沉积间断、剥蚀—下降、沉积1.整合接触2.角度不整合接触3.假整合接触3.不整合（角度不整合）接触：（1）特点：两套地层产状不一致，地层缺失，生物间断，有强烈构造运动（褶皱、断层、变质、岩浆活动）（2）过程：下降、沉积—强烈构造运动—下降、再沉积角度不整合二、不整合的观察和研究1.研究意义：（1）研究地质发展历史；（2）鉴定地壳运动特征；（3）确定构造变形时期；（4）划分地层、构造单元；（5）了解古地理特征和古构造状态；（6）寻找沉积、热液性矿床和石油、天然气田2.研究内容：（1）确定不整合：（其标志）①古生物：上下两套地层中化石代表的时代有大的间断②沉积侵蚀：有古侵蚀面、古风化壳、古土壤、底砾岩、残积矿床（铁帽、铝土矿、磷矿、沙金）等③构造变形：上下两套地层产状不同，构造线变化，褶皱样式、断层类型、变形程度差异，下部地层中的断层被上覆地层截切④岩浆活动：上下两套地层中岩浆岩系列的成分、产状、规模、强度积热液矿床差异⑤变质程度：上下两套地层变质程度差异（2）不整合时代的确定：①缺失地层的年代②下伏最新地层之后；上覆最老地层之前③侵入的岩浆时代之前；剥蚀的岩浆时代之后④被截切断层之后；贯穿上下两套地层的断层之前⑤古风化壳的年代（3）不整合的空间展布和变化不同地段、不同部位强度、性质均有变化，综合考虑区域多种因素第三章应力分析基础一、面力和体力1.力：物体相互间的一种机械作用2.接触力：物体与物体间的作用力3.面力：作用在物体表面的接触力4.应力集中：接触面积与物体边界面积比量级很小时，即集中5.体力：非接触力作用在物体内部每一支点上时，为体力二、外力和内力1.外力：外界物体向研究物体施加的作用力2.内力：外力作用引起的物体内部各点之间的相互作用力三、截面上的应力、正应力、剪应力1.应力：在外力作用下，物体内任一截面单位面积上的受力大小2.正应力：垂直截面的应力，以σ表示3.剪应力：平行截面的应力，以τ表示四、主应力、主方向、主平面1.主应力：某一截面上只有正应力，没有剪应力时的正应力2.主方向：主应力的方向3.主平面：垂直于主应力的平面五、应力椭球体和应变椭球体1.应力椭球体：σ1—最大压（最小拉）应力轴；σ2—中间应力轴；σ3—最小压（最小拉）应力轴故：σ1＞σ2＞σ32.应变椭球体：A(X)—最大应变轴；B(Y)—中间应变轴；C(Z)—最小应变轴。应力椭球体六、应力分析简介1.常见的应力状态：单轴应力状态：一个主应力不为零，其余两个均为零双轴应力状态：一个主应力为零，其余两个均不为零三轴应力状态：三个主应力均不为零，且σ1＞σ2＞σ32.二维应力状态分析（平面应力状态分析）若：有两轴主应力(σ1，σ2)作用在斜截面(AB)上，且σ1＞σ2，σ3=0；求分析斜面(AB面)上的应力状态。规定：α—AB法线与σ1的夹角AB线—AB面的截线，单位长度(=1)∵AB=1，∴OA=sinα,OB=cosα又∵σ=P/A,P=σA∴在OA面上的正应力P2=σ2OA=σ2sinα,在OB面上的正应力P1=σ1OB=σ1cosα（1）在垂直AB面上的力：为P1和P2的分力之和：即：Pn=P1n+P2n=P1cosα+P2sinαAB面上的正应力：σα=P1cosα+P2sinα=σ1cosαcosα+σ2sinαsinα=σ1cos2α+σ2sin2α=(1)（2）在平行AB面上的力：Pt=P1sinα+P2cosαAB面上的剪应力：τα=σ1cosαsinα+σ2sinαcosα=(2)cos2α2σσ2σσ2121sin2α2σσ21讨论：由(1)：当α=0时，cos2α=1；σα=σ1（最大）；σ2不起作用说明：垂直该面的应力对该面作用最大平行该面的应力对该面无作用由(2)：当α=0º时，τα=0当α=90º时，τα=0（2α=180º）当α=45º时，τα达最大值（2α=90º）即：说明：与主应力呈45º的面上剪应力最大易产生剪切面sin2α2σστ21α第四章应变分析基础一、变形与变位1.变形（strain）：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，使岩石体的初始形状、方位或位置发生了改变。2.位移：物体内各质点的位置在变形前后的相对变化。（平移、旋转、体变、形变）平移、旋转：改变坐标，不改变形态（内部各质点相对位置不变）体变、形变：改变形态和体积（内部各质点相对位置改变）A.平移；B.旋转；C.形变；D.体变二、应变的度量（应变测量）应力状态：某一瞬间作用于物体上的应力情况应变状态：物体变形后的状态1.线应变：（1）定义：变形前后线段长度的变化（ε）（2）应变量计算：A.单位长度比：式中：ε—线应变量；l0、l1—变形前、后同一线段的长度比（伸长为正；缩短为负）B.平方长度比：式中：λ—变形前、后同一线段的长度比的平方001lllε2201ε1/llλ2.剪应变：（1）定义：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（ψ）剪应变：角应变的正切（γ）（2）应变量计算：γ=tgψ（右偏为正；左偏为负）三、均匀应变与非均匀应变1.均匀应变：（1）定义：物体内各质点的应变特点相同的变形（2）特点：变形前的直线，变形后仍是直线；变形前的平行线，变形后仍是平行线2.非均匀应变：（1）定义：物体内各质点的应变特点发生变化的变形（2）特点：变形前的直线，变形后为曲线或折线；变形前的平行线，变形后不在保持平行3.连续变形：物体内从一点到另一点的应变状态是逐渐变化的（如弯曲）4.不连续变形：物体内从一点到另一点的应变状态是突然变化（如断开）褶皱是一种非均匀连续变形非均匀变形A.变形前；B.变形后；C.不连续变形弯曲变形四、应变椭球体1.定义：用来表示应变状态的椭球2.特征：(1)变形前是球，均匀变形后为一椭球(2)有三个相互垂直的主轴（X、Y、Z），分别代表最大、中间、最小应变轴（或λ1、λ2、λ3；A、B、C）(3)有三个相互垂直的主平面（YZ、XZ、XY），分别垂直X、Y、Z轴(4)应力与应变有密切关系：最大应变轴平行最小压应力轴和最大张应力轴最小应变轴平行最大压应力轴和最小张应力轴五、弗林（Flinn）指数表示应变椭球体的形态—应变强度k=tanα=(a-1)/(b-1)式中：a=X/Y=（1+ε1）/（1-ε2）b=Y/Z=（1+ε2）/（1+ε3）讨论：k值相当于p点与原点（1，1）的斜率k=0单轴旋转扁球体（轴对称缩短）1＞k＞0扁形椭球体（压扁型）k=1平面应变椭球体∞＞k＞1长型椭球体（收缩型）k=∞单轴旋转长球体（轴对称伸长）六、旋转变形与非旋转变形1.非旋转变形：代表应变主轴方向的物质线在变形前后不发生方位的改变2.旋转变形：代表应变主轴方向的物质线在变形前后发生了方位的改变七、递进变形1.有限应变（总应变）：物体变形的最终状态与初始状态对比发生的变化2.递进变形：变形的发展过程（许多微量应变逐次叠加的过程）递进变形第六章劈理（cleavage）第一节劈理的结构、分类1.面理：面状构造，矿物成分、粒度、定向