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岩石变形与地质构造

(2011-01-04 21:13:26)
标签:

胡克

英国

岩石变形

塑性变形

空间形态

教育

分类: 基础地质

岩石变形与地质构造

岩石变形及岩石空间形态的确定

岩石变形

力(force)是物体间的相互作用。地球是各种力的对立统一,力无处不在、无处不有。前已述及,与其他类地行星相似,地球内部有静岩压力,各向相等,随深度加大,使深部岩石承受巨大压力,发生体积缩小、密度增加、矿物晶格改变等变化。但与其他类地行星不同的是,地球充满活力,构造运动接连不断,究其原因,还存在着各向不等的压力或差异应力,使岩石位移变位、弯曲褶皱、破裂变形,甚至隆起造山、下沉成海,沧海桑田、潜移默化。强烈的地震,顷刻间会摧毁整个城市,使人们为地球的力量所震撼!新挖的隧道,会发生平衡破坏后的扭曲变形,使人们能够“目睹”应力的存在和作用。为了描述力和力的作用,本节涉及应力、形变和应变等基本概念。


一、应力与应变


1.应力与应变的含义


    单位面积上所受到的力称为应力(stress)。在应力作用下,岩石会发生形态或(和)大小的变化,这种变化称为变形(或形变)(deformation),变形程度用应变(strain)来量度,即变形前后长度、体积或形态变化的百分比,为无量刚数。


2.应力与应变的类型


    应力是矢量,有方向和大小。如果应力与受力面垂直,称为正应力(normal stress);如果应力与受力面平行,成为剪应力(或切应力、剪切应力)(shear stress)(图)。正应力又分为压应力(compressional stress)和张应力(tensional stress)两种,前者使物体受压,后者使物体受拉(图)。


    正应力会使物体长度在平行受力方向发生改变,收缩(变短)变形称为挤压变形(compressional deformation),膨胀(增长)变形称为拉张(拉伸)变形(tensional deformation)。剪应力会使物体发生形态(或角度)改变,称为剪切变形(shear deformation)(图)。


    相应地,有挤压应变(compressional strain)、拉伸应变(tensional strain)和剪切应变(shear strain)三类,挤压应变和拉伸应变统称为线应变(line strain)(图)。

 

岩石变形与地质构造--岩石变形及岩石空间形态的确定

 

 

 

二、岩石变形的阶段


    岩石在应力的作用下,一般都经历弹性变形、塑性变形和断裂变形等三个阶段(图)。三个阶段依次发生、相互过渡,但如果岩石的物理性质不同,三个变形阶段的长短和特点也就有异。


    弹性变形(elastic deformation):岩石在应力作用下发生变形,当应力取消后,岩石能够完全恢复到变形前的状态,称为弹性变形。岩石发生弹性变形时,应力和应变之间成正比关系,符合胡克定律(图a)。

 

岩石变形与地质构造--岩石变形及岩石空间形态的确定 

    塑性变形(ductile deformation):如果应力继续增加,超过岩石的弹性极限时,即便取消应力,变形后的物体不能完全恢复原来的形状,称为塑性变形。在塑性变形阶段,应力与应变之间不成线性关系,不符合胡克定律(图a)。


    断裂(脆性)变形(fracture or brittle deformation):当应力超过物体的强度极限时,物体内部的结合力遭到破坏,形成破裂,物体失去完整性和连续性(图a)。


    岩石的抗压强度大于抗剪强度和抗张强度。一般而言,抗压强度约为抗张强度的30倍,抗剪强度的10倍,所以岩石总是先张裂或剪裂,而不发生压裂。


三、岩石变形的影响因素


    如果塑性变形阶段短,岩石表现出弹脆性(图b);反之,塑性变形阶段长,岩石表现出塑性(图c)。下列各种因素会影响着岩石变形:


1.岩性。

    岩性是影响岩石形变特征的基本因素,石英砂岩、石英岩、花岗岩、玄武岩、片麻岩等岩石硬度大,弹性变形的屈服强度大,往往表现出脆性变形;而石灰岩、片岩、各种岩盐类岩石则往往表现出塑性变形。


2.含水量

   孔隙裂隙水可以削弱矿物晶体的化学键强,减少裂隙内的摩擦力,所以含水量大的岩石趋向于塑性变形。


3.围压

    围压增高,岩石难于破裂,倾向于塑性变形。


4.温度

    温度升高,弹性极限降低,岩石很快进入塑性阶段(图c),表现为塑性变形。香口胶是塑性的,但如果放入冰箱冷冻室使温度降低,则会变为脆性。地表所见到的各种岩石形变一般都发生于地壳深部高温高压的环境下,按照目前3℃/100m的地温梯度,12-20km下的地壳深处岩石即表现为塑性,所以地震多发生于该深度之上。


5.时间

    岩石的脆、韧性因施力长短不同而不同,如果应力作用时间长,岩石应变率低,即便是坚硬的岩石,也可以转化为塑性变形。地质作用往往长期和缓慢,即便是脆性的岩石,也可以发生塑性变形。玻璃在常温常压下为脆性,但英国古老教堂的窗户玻璃,因经受几百年的重力作用,造成上薄下厚,表明发生了塑性变形。


岩石空间形态的确定

    岩层受力变形,形成褶皱断裂,但无论形态多么复杂,某一局部都可以看成是三维空间中的平面,用产状来表示,这是Werner提出至今200多年一直在使用的基本方法。


一、定义

    产状(attitude)就是岩层空间中产出的状态和方位的总称,用走向、倾向和倾角表示(图a)。

    走向(strike):所测量的面与水平面的交线方向。

    倾向(dip):所测量的面的倾斜方向。

    倾角(真倾角)(a)(dip angle)(true dip angle):所测量的面与水平面的最大夹角。其它夹角称为视倾角(b)(apparent angle),真倾角和视倾角的关系如为:

tg b =cos w tg a

w为倾向线和视倾向线的夹角(图b),当w=0时,视倾角变为真倾角。

 

岩石变形与地质构造--岩石变形及岩石空间形态的确定 

二、讨论

    表示方法:极坐标法(图)。东(E)、南(S)、西(W)、北(N)分别为90°、180°、270°、0°,而45°、135°、225°、315°分别称为北东(NE)、南东(SE)、南西(SW)、北西(NW),小于45°称为北北东(NNE),大于45°称为北东东(NEE),小于315°称为北西西(NWW),大于315°称为北北西(NNW),以此类推。由于走向有带个方向,例如走向35°,即可以称北北东,也可以称南南西,但习惯用极坐标的第一、四象限(0-90°和270-360°两个象限),如果地层走向290°,称走向北西西,而不称走向南东东。


    走向有两个方向,倾向只有一个方向。走向和倾向的关系:①90°关系;②只能由倾向推断走向,反之不行。

    水平岩层倾角为零,无走向和倾向。

    直立岩层倾角为90°,有走向无倾向。

    其它地质体(岩脉、断层面、节理面)的表示方法相同。

    产状的记录方式为:倾向∠倾角,例如,45°∠60°,315°∠45°,等等。

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