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构造演讲(3)-南京大学地球科学系

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构造地质学(南京大学地球科学系)
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第二篇成因构造地质学第四章岩石变形分析的力学基础第一节基 本 概 念1、 外力 — 物体受力而产生变形 , 这施加于物体上的力叫外力 。面力 — 通过接触面传递的力 。体力 — 相隔一定距离而相互作用的力 ,如引力 、 排斥力 。2、 内力 — 物体内部各部分之间的相互作用力叫内力 。a、 固有内力 — 物体内部各质点间的相互作用力 , 即使没有外界影响 , 也仍然存在 , 它是由质点间的吸引和排斥的机能来实现的 。 这种力也叫 自然状态粒子力 。b、 附加内力 — 当物体受外力作用时,其内部之间相互作用力就会发生变化,这种内力的变化叫 派生粒子力或附加内力 。它阻止物体继续变形并力图恢复其原始状态。当外力超过这种附加内力后,物体就会破裂。3、应力 — 作用于物体内任意面积上的附加内力叫应力。一般在外力作用下的物体,其任意截面内可以分出 正应力 (直应力)和 剪应力 。左图: 逆断层 活动擦痕和岩层拖曳 , 牵引构造是剪应力作用的结果 , 而岩层厚度变薄则应是垂直于逆断层面的压力作用的结果 。一般 在外力作用下物体的任一截面上有存在直应力和剪应力 , 但在受力物体的任一点上有三个, 而且 只有三个相互垂直的平面 ,在这些平面上没有剪应力 。这些面叫 主应力平面 。换言之,即在该物体的每个点上可以假设有一无限小的立方体 ,在其面上只有正应力作用,此即主应力。此正方体的边即主应力轴 (和应力面的法线平行)。三轴应力为: σ 1、 σ 2、 σ 3最大应力 ( σ 1) ,最小应力 ( σ 3) ,中间应力 ( σ 2) ,通常三值不等 ( σ 1>σ 2>σ 3) ,但特殊情况下相同 , 如静水压力 ,σ 1=σ 2=σ 3还有如下情况 , 即两向应力值相同 ,即 σ 1>σ 2=σ 3或 σ 1=σ 2>σ 3当两向主应力值等于并近于零时 ,称谓 一维应力状态 ( 单轴应力状态 ) 。当其中一个主应力值等于或接近于零时 , 称谓 平面应力状态 ( 双轴应力状态 ) 。在构造运动过程中的应力状态几乎都是 三维应力状态 ( 三轴应力状态 ) 。但是, 最大与最小应力( σ 1和 σ 3)在变形及破裂过程中具有决定性作用 ,而中间应力( σ 2) 值较小,常忽略这种应力的影响,而变形过程是在主应力 σ 1和σ 3作用的 平面内 进行讨论的。因此,实际研究构造地质时常分析双向应力状态。然而,并不排斥三维形式下研究构造的合理性,而且很多新资料表明 σ 2作用的重要性。第二节应力状态分析一 、 单轴应力状态( 应出现在仅受到本身自重作用的高地或丘陵条件下 )设作用于物体上的外力为 那么垂直于作用力的截面 — 1斜交的截面 正应力为 σ, 剪应力为 τ, 其合应力为:= —α与主平面 , 此角度等于截面的法线与合应力 σ 1相交的角度 。 该角按规定 从主应力轴 顺时针方向量到截面法线 为负 , 逆时针方向量取为正 。在 单轴应力状态下 , 包含 σ 2的任意截面上 , 主应力 σ 1与正应力 σ和剪应力 τ的关系如下:2221211S i nC o s )(此公式也适用于拉伸情况,只是压应力在公式中为正,张应力为负。2221211S i nC o s )(此关系式特点:从 σ式 可知1、 当 α=0° 时 , , 则 σ=σ 1;2、 当 0° 试用应力莫尔圆,分析任意截面上的应力情况。首先 , 设该物体只受 则截面 α和 τα可据前面 Ⅰ 、 Ⅱ 式求得:)(   212 1 C o s   22 1 S 次,当该物体又受到 力与截面 剪应力也可按 Ⅰ 、 Ⅱ 式求得:)(   212 2 C o s )(  218012 2  C o s)(  212 2 C o sσβ S )2180(22   S 222 S 在 σ1和 σ2共同作用下 , 垂直于截面 应力之和 为:  )21(2)21(2 21  C o sC o s  2222222211 C o sC o s  222 2121 C o s平行于截面上的 剪应力之和 为:   2222 21 S  22 21 S 将上述二式 平方后相加 得:221221212122122 )22()22(22)(222  S i nC o sC o s  )()()22()2(22)(222 222212121221  S i nC o sC o s  )()(2212121221 )2(22)(222  )()( C o : 222 2121 C o s 222 2121 C o s)( 22  221212122122 )2()2)(222  ()(2212212122 )2()2(22 22122212 )2()2( 2上述方程式为圆方程式,圆心 ,半径)0,2( 21  )2( 21  如上右图所示,在 σ轴上取 1, 2,以 C( ) 为圆心作出应力圆。可以看出, 单轴应力状态 ( 2=0, 点重合)是以 221  假设单元体某一截面的法线与主应力 σ1交角为 α , 在应力圆上自 α ,则圆上 α和剪应力 τα。 证明如下:22221    22 212 C o  222 21212 C o s 222 2121 C o s  22221 S S 上述证明和图解可知 , 物体或岩石在双轴应力状态下 , 过其内一点与 σ1、 σ2平面 垂直的任意截面上的正应力和剪应力值与两个相互垂直的主应力的大小和性质有关 , 也与这个截面和 主平面 的交角有关 。2、 从上图可知 , σ1) , σ2) , 两点均无剪应力 。 其它各点所代表的截面上既有正应力 , 又有剪应力 。3、 平分两个主应力方向的两个截面上剪应力值最大 ( α=45° 时等于 ) 。4、 当 σ1=σ2但符号不同时 ( 一压一张 ) , 在与 σ1方向呈 ± 45° 的截面上 , 剪应力 τ=± σ1,正应力 σ=0, 其应力圆是圆心为坐标原点 , 半径为 σ1的圆 , 称为 纯剪应力状态 。221  三、 三轴应力状态设想从物体中取出一单元体,在它的六面对应地作用着三个相互垂直的主应力 σ1、 σ2、 σ3,于是该单元体处于三轴应力状态之中。当σ1>σ2>σ3时,各截面上正应力和剪应力与相应主应力的关系,可以根据上述双轴应力状态的分别求得。与主应力轴 σ2平行 的各截面上的应力,仅与 σ1、 σ3有关,而与 σ2无关。如图 4面 Ⅰ ,仅与 σ1、 σ3所决定的莫尔圆上的点 点坐标即此截面上的应力。当截面 Ⅰ 和 σ1、 σ3成 45°时:23131 、23131 、同理, 与 σ3轴平行 的各截面上的应力,仅与 σ1、 σ2有关。平行于 σ3之截面 Ⅱ ,( 如图 4仅与 σ1、 σ2所决定的莫尔圆相对应。当截面 Ⅱ 与 σ1、 σ2成 45°时:22121 、22121 、与 σ1轴平行 的和 σ2、 σ3成45° 时 , 截面 Ⅲ (如图 4的正应力和剪应力分别为:23232 、23232 、由此可知,上莫尔应力圆 Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 圆周上各点,只分别代表与某一主应力轴平行的各截面上的应力情况, 当与三个主应力轴皆不平行的任意截面上的应力情况,则由阴影区表示。四、 应力集中及其意义根据材料力学研究 , 物质内部的缺陷 ( 孔洞 、 缺口 、 微裂隙等 ) 所在 , 会引起应力的集中 , 材料往往在应力集中处首先破裂 。自然界岩石中 , 应力集中现象存在 。岩体 , 岩层内断裂的端点 、 拐点 、 交汇点等都是应力易集中的地方 。当地应力积累达到岩石所能承受的极限时,即发生破裂而发出能量,引起地震,火山等。第三节 岩石变形分析一、变形与应变物体受到力的作用后 , 其内部各点间相互位置发生改变 — 变形 。 它可使原物体发生体积的改变或形状的改变 。物体变形的程度用应变来度量 。应变所涉及的物体形态的变化,总是与物体的两个状况有关,一是该物体 此时此刻的形态状况 ,另一是初始的 未变形的形态状况 。( 一 ) 线应变和剪应变线应变 — 即物体变形前后的相对伸长或缩短;剪应变 — 原来互呈直交的两条直线,变形后所改变的角度值 原件长为 拉伸后为 I, 杆件纵向绝对伸长 △ I=0纵向线应变为0除此这外 , 横向上还有缩短 。 设杆件横向厚度为 缩小后为 b, 横向缩短为 △ b=b- 横向线应变为在弹性变形范围内 , 一种材料的横向线应变与纵向线应变之比的绝对值为一常数 , 即, 此常数 υ称为 泊松比 。泊松比恒为正值 ,材料不同,泊松比也不同, 但不超过 述表明, 任何材料在单向拉伸或压缩条件下,既有平行于作用力方向的变形,又有垂直于作用力方向上的变形 , 此即泊松比效应。 物体的这一性质,对于解释岩石变形具有重要意义。 0通过变形物体内部任意点总是可以取这样一个立方体 , 在其 三个相互垂直的面上都只有线应变而无剪应变 , 即 仅有伸长与缩短 。 这三个相互垂直的平面称为 主应变面 , 三个主应变方向即 主应变轴 。规定:最大伸长方向为 最大缩短方向为 二者之间称为 但其量均不超过 轴 。( 二 ) 均匀变形和非均匀变形岩石基本变形方式有 5种: 1、 拉伸 2、挤压 3、 剪切 4、 弯曲 5、 扭转 。均匀变形 — 变形岩石各个部分的变形性质 、方向和大小都相同的变形 。特征 : 变形前为直线 , 变形后仍为直线 。( 1、 2、 3、 属此类 )非均匀变形 — 变形岩石各点变形方向、大小和性质都有变化的变形( 4、 5、 属此类)( 三 ) 旋转变形与非旋转变形非旋转变形 — 应变轴大小有变化 , 方位无变化的一种变形 ( 如压 、 拉 )旋转变形 — 应变轴大小 、 方位均有变化的一种变形 ( 如剪切 , 左行 、 右行 )二、岩石变形的阶段固体物质 的变形一般可分四个阶段,即 弹性变形阶段 、 流动变形阶段、强化变形阶段和破坏变形阶段 。以低碳钢的 拉伸实验为例,将其在逐渐加载至材料发生破坏的整个过程中 应力 ( σ ) 和 应变 ( ε )的关系用坐标来表示如图所示。(一)弹性变形阶段在逐渐加载至材料发生破坏的整个过程中 应力( σ ) 和 应变 ( ε ) 的关系应力与应变呈线性关系 , 过了 线开始略为弯曲,但不明显;至 一般材料的 A、 在 性变形阶段 ,应力消除,变形也消失,其变形是可逆的。( 二 ) 流动变形阶段 :过了 如应力继续增加 , 试件的伸长速度明显加快 , 当越过 D, 这种 荷载基本不变而试件却不断伸长的阶段 称为 流动变形阶段 。此时若把试件抛光 , 则在试件抛光面上可见 吕德氏线 。 这个阶段的 该点的应力 σ 因此亦可称 屈服应变阶段 。过 力继续增加,试件伸长速度明显加快,过 荷载基本不变而试件却不断伸长的阶段, 称为 流动变形阶段 。 三 ) 强化变形阶段 :试件经过流动变形阶段后 , 若要使其 继续变形 , 则需要克服其中 不断增长 的 抵抗力 , 材料在塑性变形过程中不断发生强化 , 因此这一阶段称为强化变形阶段 。 由于在 强化阶段 中试件的变化主要是 塑性变形 , 所以要比弹性阶段内的变形大得多 。 若在此阶段 则应力 — 应变曲线下落至 即保留了 ε ε , 因此塑性变形是不可逆的永久变形 。经过流动变形阶段后,要使其 继续变形 ,则需要克服其中 不断增长 的 抵抗力 , 材料在塑性变形过程中不断发生强化, 化变形阶段 。在 强化阶段 中主要是 塑性变形 , 所以要比弹性阶段内的变形大得多。 若在 应力 — 应变曲线下落至 保留了 ε 此 塑性变形是不可逆的永久变形。( 四 ) 破坏变形阶段:塑性变形后 , 材料的抵抗能力有所恢复 ,但应力增加与应变增加的比例远小于弹性极限以前的阶段 , 曲线上凸 , 斜率较小 。 当达到 外力达到最大值 , 称为强度极限( σ B) 即材料破坏前能够承受的最大应力 。在此阶段试件伸长到一定程度后 , 其内某一段的横截面会产生收缩 , 出现 “ 颈缩 ” 现象 。随后载荷读数逐渐降低 , 当过了 曲线开始下降 , 至 塑性变形后,应力增加与应变增加的比例远小于弹性极限以前的阶段,曲线上凸,斜率较小。 当达到 外力达到最大值,称为强度极限( σ B)达到强度极限,试件伸长到一定程度后,其内某一段的横截面会产生“颈缩”现象。随后载荷读数逐渐降低,当过了 线开始下降,至 性变形 — 当外力持续增加 , 超过岩石的弹性极限后再取消外力 , 岩石不能完全恢复原态的变形 ( 剩余变形 、 永久变形 ) 。 当外力增加使变形达 即使外力拆除 , 变形仍继续进行 , 称为 屈服或塑性流变 , ( 岩石塑性变形的本质是质点的滑移 ) 遭受塑性变形后的岩石 , 其岩石内部的结合力未变 ,因此 , 岩石的弹 、 塑性变形特征 , 是形成褶皱构造的重要因素 。断裂变形 — 当应力超过岩石的强度极限时 , 达 岩石内部的结合力遭破坏 , 失去完整连续性的变形 。强度 — 岩石在外力作用下抵抗破坏的能力 , 各种岩石不同 ( 表 4 5通常:抗压强度 >抗剪强度 >抗张强度常温常压下各类岩石的强度极限 (单位 石 抗压强度 抗剪强度 抗张强度花岗岩 150( 3720( 155 75( 1110( 516( 617( 10300( 318( 5350( 15015( 10 50( 202( 当张应力达到或超过抗张强度时,在垂直于张应力或平行于主压应力轴方向上产生断裂。断裂变形两种方式 : 张裂 和 剪裂剪裂—当剪应力达到或超过抗剪强度时,沿与σ1、σ3均斜交的面上发生剪切破裂。岩石性质不同 , 破裂方式也不一样 。 韧性材料当张应力达到强度 开始出现 细颈化 , 此时外力不增加 , 变形仍继续 , 曲线达 即破裂于细颈处 。 但 脆性材料 在拉伸状态下破裂不出现细颈化 , 直接为张裂 。韧性材料 出现 细颈化 ,破裂于细颈处 ;脆性材料 在拉伸状态下破裂不出现细颈化, 直接为张裂 。第 四 节应变椭球及其在构造分析中之应用设想物体内有一均质圆球 , 在其受力作用后变形成椭球 , 即称 应变椭球 。应变椭球三轴不等长 , 有三个相互垂直的对称面 , 这些面相交于椭球体的三个主直径 λ1、 λ2、 λ3。规定: λ1为最大应变方向λ2为中间应变方向λ3为最小应变方向椭球在 λ1方向上半径为椭球在 λ2方向上半径为椭球在 λ3方向上半径为123平行于 λ1、λ2、 λ3的坐标轴分别为X、 Y、 Z, 则应变椭球上各点坐标与主应变关系为:( x、 y、 λ1、λ2、 λ3分别为主应变量)1322212  、 X)( B、 Y)( C、 Z)应变椭球可截出 与中间应变方向彼此相交的 两个圆截面 , 在 此圆截面上应是均匀变形 。均匀变形之岩石 ,若有主应变方向和相对大小,则可知应变椭球之形态,即可知:主应变 λ1、 λ2、 λ3方向相当于应变轴 A、 B、 C( 即上述 X、 Y、 Z) 三个方向。A 轴 — 最大伸长轴 中间轴 最大缩短轴(A、 X)( B、 Y)( C、 Z)1、 张节理平行于 ;2、 褶皱轴面 , 片理 ,流劈理平行于 ;3、 共轭剪面的交线平行于 剪节理、逆断层、平移断层)(A、 X)( B、 Y)( C、 Z)第五节 递进变形递进变形 — 外力持续作用 , 无数微量应变及相应的应变状态不断积累的过程 。岩石应变可分两部分:有限应变 — 已经发生的应变总和 。无限小应变 — 正在发生的瞬时应变。递进变形过程中 , 有限应变的主应变轴和无限小应变的主应变轴的方位始终相同者 , 为 共轴递进变形 ( 纯剪应变 )有限应变的三根主轴 X、 Y、 1、σ 2、 σ 3始终平行有限应变主应变轴在递进应变过程中不断改变其方位,则为 非共轴递进变形 (单剪应变)。主应力轴不变,而应变轴方位则不断在改变 。第六节 破裂理论概述
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