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1、2 应力分析基础2 Fundamental of stress analysisStructural Geology1 构造地质学所研究的地质构造是组成地壳或岩石圈的岩层和岩体，在其自身重力作用配合下，由地壳运动所引起的应力作用发生的永久变形的结果。在力的作用下，岩石内部质点发生位移而引起变形。因此，有必要对地质构造有关的力学概念进行分析，为探讨各种地质构造的基本形态、组合型式、分布规律的力学成因机制奠定基础。2 应力分析基础2（1）力和应力（Force and Stress） 力（Force）力是物体相互间的一种机械作用，它趋向于引起物体的形状、大小或运动状态发生改变。Force is a
2、kind of mechanical action between different objects, it tends to change the shape, volume or movement state of the object with a force upon it.3（1）力和应力（Force and Stress）（1）力和应力（Force and Stress） 力（Force）力是一个矢量，有大小、方向。可以用箭头来表示，力的大小用箭头的长度表示，力的方向用箭头的方向表示。Force is a vector quantity, and thus possesses b
3、oth magnitude and direction; it can be represented by an arrow whose length specifies the magnitude and whose orientation specifies the orientation of the force.4力的合成和分解Resultant and resolution of forcesF1F2FF1F2FAB（1）力和应力（Force and Stress） 力（Force）A Force F resolved into two components F1 and F2B T
4、wo forces F1 and F2 represented by the resultant F5 外力和内力（External force and internal force）（1）力和应力（Force and Stress） 力（Force） 外力：外界作用于某一物体之上的力。 面力（Surface force）：通过某一界面的作用力，属于接触力 （Contact force）； 体力（Body force）：作用于物体内所有质点的力，属于非接触力（Non-contact force）。 内力：物体内部质点间的作用力。 固有内力（Natural internal force）：没有外
5、力作用时物体内质点间的相互作用力，它保持物体的形状和状态； 附加内力（Extraneous internal force）：由外力作用引起的内部各部分之间的相互作用力，通常称内力。6 外力和内力（External force and internal force）（1）力和应力（Force and Stress） 力（Force）不均匀力Non-uniform forces均匀力Uniform forces研究对象和范围不同，内力和外力之间可以相互转化7（1）力和应力（Force and Stress） 应力（Stress）假想面（Imaginary plane）均匀内力（Uniform In
6、ternal Forces ）=N/A=F/AA应力为作用在岩石内部任一截面上的单位面积上的内力。Stress is the internal forces acting on unit area of the given plane within the considering body.8（1）力和应力（Force and Stress）n界面n上m点处的应力为不均匀内力（Non-uniform Internal Forces ） 应力（Stress）9（1）力和应力（Force and Stress）应力的单位（Units of Stress）Stress = Force / Area1
7、 pascal = 1 newton per square meter应力=力/面积帕斯卡 = 牛顿 / 平方米常用的单位还有兆帕（Mpa）、巴（Bar）、大气压（atm）等。应力是一个张量，不仅有大小和方向，而且与所选的坐标系相关，是某点或面上所有方向的应力的集合。Tips：表示物体性质的量有三类：标量（Scalar）、矢量（Vector）和张量（Tensor） 应力（Stress）10Stress acting at a point m on a plane n is a vector, it can be resolved into two components and , is nor
8、mal to the plane, called normal stress, is tangential to the plane, called shear stress.正应力和剪应力（Normal stress and shear stress）（1）力和应力（Force and Stress）截面n上点m处的应力分解后，垂直于截面n的分量称过m点n截面上的正应力，用表示 ，相切于截面n的分量称过m点n截面上的剪应力，用 表示。 应力（Stress）11断层面（A）和挠褶滑动褶皱层面（B）上的正应力和剪应力Normal and shear stresses at a fault pla
9、ne (A) and a bedding plane during flexural slip folding (B)正应力和剪应力（Normal stress and shear stress）（1）力和应力（Force and Stress） 应力（Stress）12正应力和剪应力（Normal stress and shear stress）（1）力和应力（Force and Stress）压应力为正逆时针的剪应力为正张应力为负顺时针的剪应力为负 应力（Stress）13（2）应力场（Stress field）受力物体内的每一点都存在与之对应的应力状态。物体内各点的应力状态在物体占据的空
10、间内组成的总体称为应力场。To every point in any rock body there corresponds a state of stress, and this spatial array of states of stress at an instant is called a stress field.构造应力场：由构造作用引起的应力场；地应力：地壳岩石中存在的应力，如重力应力和构造应力、地形应力、负载应力等；古应力场：在地史时期作用的应力场，决定现存构造的形态、组合、分布；现今应力场：现今作用的应力场，现代地震预报、防震、抗震的主要依据。14（2）应力场（Stress
11、 field）应力场研究方法（Research methods of stress field）：古构造应力场 节理统计方法（Statistics of joints） 位错密度（Dislocation density） 亚颗粒粒径（Sub-grain diameter） X射线法（X-ray method） 矿物光性法（Optical property of minerals）现今应力场 应力解除法 （stress relaxation method） 水压致裂法 （hydraulic fracturing） 震源机制解法 （focal mechanism solution）15模拟技术（S
12、imulation technique）数学模拟法（matematical simulation）：有限元法（finite element method）（Common software：Ansys and Matlab ）物理模拟法（physical modeling）：光弹性法（Photoelasticity）（2）应力场（Stress field）应力场研究方法：（据许才军，2002）16（2）应力场（Stress field）应力场图示方法（Diagram of stress field）：主应力迹线图（principal stress trajectory diagram）：表示应力
13、主方向在场内的变化规律。主应力迹线上任一点的切线方向，代表该点的一个主应力方向。主应力等值线（contour map of principal stress）最大剪应力迹线（Greatest shear stress trajectory diagram）最大剪应力等值线（ contour map of Greatest shear stress ）As1s2s317 构造地震岩石脆性断裂 地震预报的基本任务之一是确定地壳中应力集中的区域 微裂隙处、断层端点、拐点、交叉点较容易造成应力集中应力扰动（Stress disturbance）（2）应力场（Stress field）不考虑体力作用，在
14、均匀的面力作用下，由于岩块或地块内部的局部不均匀性和不连续性等造成应力场的局部变化称应力扰动。断裂尖端圆孔附近183 应变分析基础3 Fundamental of strain analysisStructural Geology19 位移和变形（Displacement and deformation）3 应变分析基础位移指质点从一点到另一点的变化。In physical, displacement is the difference between the initial position and the final position of an object.当地壳中岩石体受到应力作用后
15、，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，这种改变称为变形。Deformation is the process by which the particles in the rock rearrange themselves from some initial position to the final position that we see today.20 刚性体变形（Rigid body deformation）:物体原始形状和大小不变（The original size and shape of a body are preserved）。 平移
16、（Translation）：位置的变化，物体不发生转动和变形（Difference in position, and the movement of a body without rotation or distortion）； 位移和变形（Displacement and deformation）3 应变分析基础位移矢量 转动（Rotation）：方位的变化，物体绕一个轴旋转（Difference in orientation, and Rigid body spin about one or more axes）;21 非刚性体变形（Non-rigid body deformation）
17、形变（Distortion）：形状的变化（Difference in shape）; 体变（Dilation）：体积的变化（Difference in volume）。 位移和变形（Displacement and deformation）3 应变分析基础22 形变（Distortion）3 应变分析基础 均匀形变（Homogeneous distortion）：物体每个质点变形方式相同（Each particle of material is distorted in the same way） 直线仍是直线（Straight lines remain straight）平行线仍然平行（Pa
18、rallel lines remain parallel）圆形变为椭圆形（Circles become ellipses）球体变为椭球体（Spheres become ellipsoids）任一个小单元体的应变状态可代表整个物体的应变状态。233 应变分析基础 非均匀形变（Heterogeneous strain）:物体质点的变形方式不同。 连续应变（continuous strain）：物体内从一点到另一点的应变状态是逐渐改变的，没有突然的变化（Strain properties vary smoothly throughout the body with no abrupt changes
19、） 非连续应变（discontinuous strain）：物体内从一点到另一点的应变状态是不连续的（Abrupt changes at surfaces or breaks in the rock）。 形变（Distortion）243 应变分析基础均匀应变区（H）和非均匀应变区（I）Domain of Homogeneous (H) and Inhomogeneous (I) Strain 形变（Distortion）25 应变的度量（Measurement of strain）3 应变分析基础 线应变（linear strain） 剪应变（shear strain） 体应变（volume
20、 strain）应变是度量质点之间的相对位移程度的单位，适用于描述非刚性体变形的变形程度。26 应变的度量（Measurement of strain）3 应变分析基础 线应变（Linear strain）伸长度（Extension）：指线段伸长量与原长之比或指变形前后单位长度的改变量。（The change in unit length of the line）e=(l1-l0)/ l0= l/ l0e 伸长度；l1 变形后长度；l0 变形后长度；l 伸长量。物体内部一点，在一定方向上的相邻质点排列成质线，质线上的相邻质点沿质线方向的位移，造成线变形。对线变形的度量称线应变。指变形前后物体中
21、线段长度的改变量。l0l1l27 应变的度量（Measurement of strain）3 应变分析基础 线应变（Linear strain）长度比（Stretch）：指线段变形后长度与变形前长度之比（Final length divided by original length）。S=l1/l0=1+ee 伸长度；l1 变形后长度；l0 变形后长度。平方长度比（Quadratic elongation）：长度比的平方。 = （l1/l0）2 =（1+e）2e 伸长度；l1 变形后长度；l0 变形后长度。28 应变的度量（Measurement of strain）3 应变分析基础 线应变（
22、Linear strain）自然应变（Natrual strain）： 将整个变形过程中的每一瞬时长度改变dl与前一瞬时线段的长度l相比，即得到自然应变增量：d=dl/l式中l为变量；d与dl均为无穷小量。 将所有这些自然应变增量加起来，得到整个变形过程中总的自然应变，即 =l0l1dl/l=lnl1/l0=ln(1+e)29 应变的度量（Measurement of strain）3 应变分析基础 剪应变（Shear strain）物体变形过程中，除了质线上质点之间相对靠近或相对疏远外，一点附近不同方向质线之间的夹角也可能发生改变，称作角变形。一般只考虑初始互相垂直正交的质线间的角度变化，称
23、为剪变角（Angular shear）。剪变角的正切或正弦成为剪应变（Shear strain）。 变形较大时（shear strain for large deformation） =tan 或 =sin 式中为剪应变，为剪变角。 变形较小时（shear strain for small deformation） =tan sin 。30 应变的度量（Measurement of strain）3 应变分析基础 体应变（Volume strain）体应变指体积变化量与初始体积的比值。均匀变形体： =（V1-V0）/V0 =V/V0 为体应变，V0为初始体积， V1为变形后体积, V为体积变化
24、量。非均匀变形体： V1和V0的测量局限于一点邻域。在构造变形中，如果体积保持不变，则称为等体积变形过程，=0。V1V0314 岩石力学性质4 Rock mechanical property（Rheology）Structural Geology324 岩石力学性质（1）基本概念（2）岩石变形的阶段性（3）影响岩石力学性质的因素（4）岩石的能干性（5）岩石变形的微观机制334 岩石力学性质 基本概念（Basic conceptions） 岩石力学实验简介 实验装置主要为可控制温度和围压的三轴压力机，圆柱状试样受到轴向压力或拉力及周围流体或固体介质施加的围压。 轴向应力与围压之差叫差应力（ 1
25、 3 ）。 多数实验机在1000MPa的压力范围内进行操作，温度可达800以上。34 泊松比（Poissons Ratio）实验证明，对同一均质的岩石试件来说，在单纯地压缩或拉伸中，不仅沿受力方向会有纵向线应变，而且在与受力的垂直方向上也会有横向线应变。当岩石纵向被压缩，则横向就会出现拉伸，当岩石纵向被拉伸，则横向又会出现压缩。在弹性变形范围内，横向线应变（伸长度）和纵向线应变（伸长度）的比值是个常数，该常数为岩石的泊松比（）。岩石的这种性质成为泊松效应（Poissons effect）。4 岩石力学性质 基本概念（Basic conception）横=纵式中，“”表示横向线应变与纵向线应变的
26、方向相反35 泊松比（Poissons Ratio）4 岩石力学性质 基本概念（Basic conception）每种岩石都有自己的泊松比，其值一般不超过0.5。364 岩石力学性质 粘性（Viscosity）流体内部各流层之间发生相对滑动时，层面之间存在的内摩擦效应。 基本概念（Basic conception） 粘度（Viscosity）粘性的大小用粘度表示在韧性变形过程中，剪应力与速度梯度成正比，与剪应变速率成正比374 岩石力学性质 岩石变形的阶段性（Episodes of rock deformation） 弹性变形（Elasticity）该阶段，应力与应变关系图上为一段较陡的直线，
27、说明应力与应变成正比。如果此时撤除应力，则岩石将立刻恢复原状。这种变形称弹性变形（Elasticity）。ABCD384 岩石力学性质 岩石变形的阶段性（Episodes of rock deformation） 弹性变形（Elasticity）岩石发生弹性变形的原因：从岩石本身性质来讲，当岩石没有受力变形之前，岩石各个质点都处于平衡状态。当岩石受力变形之后，就打破了岩石内部各个质点的原来平衡状态，各个质点发生了位移，吸收了一定量的位能，达到新的平衡。在短期内去掉外力作用后，岩石内部各个质点，又会在其吸收的位能作用下恢复到原来的位置，因而产生了弹性变形。394 岩石力学性质 岩石变形的阶段性（
28、Episodes of rock deformation） 塑性变形（Plasticity） 随着变形的继续，应力-应变曲线的斜率变小，这时如果撤去应力，曲线并不回到原点，而与e轴交于e1，试样由于超过弹性极限而永久变形，这个极限点的应力叫屈服应力y（Yield stress）。ABCD 当应力达到或超过屈服点后造成岩石永久应变的变形叫塑性变形（Plasticity）。40在屈服应力作用下，岩石以韧性方式连续地变形，其应力-应变曲线的斜率为零，这种岩石称为完全塑性材料（Perfect plastic）。在中、低温条件下，多数岩石的应力-应变曲线有一个小的正斜率，如果想继续进行塑性变形，必须使应
29、力增加到大于初始的屈服应力，称为应变硬化（Strain hardening）。4 岩石力学性质 岩石变形的阶段性（Episodes of rock deformation） 塑性变形（Plasticity）41 岩石变形的阶段性（Episodes of rock deformation） 断裂变形（Fracture）ABCD 当应力超过一定值时，岩石就会以某种方式而破坏，发生断裂变形，这个应力值称为岩石的极限强度（Limit strength）。常温常压下一些岩石的强度极限表4 岩石力学性质424 岩石力学性质 岩石变形的阶段性（Episodes of rock deformation） 在断
30、裂前的塑性变形的应变量小于5%的材料，称为脆性材料（Brittle material）； 在断裂前的塑性变形的应变量超过10%的材料称为韧性材料（Ductile material ）。 断裂变形43 影响岩石力学性质的因素4 岩石力学性质 各向异性（物质组成，结构构造） 围压 温度 孔隙流体 时间44 面构造对岩石抗压强度存在很大影响 层理、面理、破裂面、先存软弱面 影响岩石力学性质的因素4 岩石力学性质 各向异性（Anisotropy） 抗压强度与1与先存面理之间夹角的实验关系曲线，反映当 接近30时，岩石的抗压强度最低45 围压增大，岩石强度极限得到提高，韧性增强 影响岩石力学性质的因素4
31、 岩石力学性质围压（Peripheral pressure）46 温度升高，使岩石屈服极限降低，韧性增大。 温压关系密切 岩石圈环境中，温度和压力随着深度的增加而升高 脆性-韧性转换所需的围压与温度成反比 地壳中脆韧性转换带深度在挤压环境中位于3.5公里，在拉伸环境中深达公里 影响岩石力学性质的因素4 岩石力学性质 温度（Temperature）47 岩石中的流体有利于物质迁移，促进压溶、重结晶（塑性变形）作用进行，降低岩石强度 当孔隙流体压力大到几乎等于围压时，可以使岩石产生浮起效应 孔隙流体压力可抵消一部分围压，减小有效围压，从而降低岩石强度，易于脆性破坏发生 影响岩石力学性质的因素4 岩
32、石力学性质 孔隙流体（Pore fluid）48 应变速率应变速率大（快速施力），易于脆性变形应变速率小（缓慢施力），利于塑性变形。小应变速率降低岩石屈服极限，使脆性材料具有韧性特征。 影响岩石力学性质的因素4 岩石力学性质 时间（Time）49 影响岩石力学性质的因素4 岩石力学性质 时间（Time）蠕变（Creep）：在恒定应力作用下，应变随时间持续增长的变形松弛（Relaxation）：在恒定变形情况下，岩石中的应力可以随时间不断减小弹性蠕变稳态蠕变加速蠕变A-B：应力迅速减小.B-C：应力缓慢减小，50 “能干性”易于发生粘性流动的程度某种程度上，可以用岩石的粘度比表示岩石能干性的差异
33、 “韧性”岩石破坏前的塑性变形量。 岩石的韧性与能干性有联系，但不完全等同 岩石能干性取决于：岩石的矿物组成（例如长英质矿物与云母类矿物的区别）粒度岩石结构构造（片状，块状） 岩石的能干性（ Rock Competence ）4 岩石力学性质51 岩石的能干性（ Rock Competence ）4 岩石力学性质相同变形条件下，相对能干的岩石可以不发生内部变形而脆性断裂，或弹塑性弯曲而褶皱；相对不能干岩石可以发生很大的内部应变来调节总体的变形确定能干性差异的地质办法： 有限应变状态的对比 劈理折射的对比 香肠构造的对比 褶皱形态的对比52 岩石的能干性（ Rock Competence ）4
34、岩石力学性质有限应变状态的对比 同构造部位不同岩石的变形量的对比53 复成分砾岩中不同砾石的对比 岩石的能干性（ Rock Competence ）4 岩石力学性质有限应变状态的对比54 同一薄片中不同矿物变形行为的对比 岩石的能干性（ Rock Competence ）4 岩石力学性质有限应变状态的对比55 岩石的能干性（ Rock Competence ）4 岩石力学性质 劈理折射的对比劈理在两种不同的岩性界面上发生折射，在能干性较低的岩层中劈理与层面的夹角小，能干性较高的岩层中劈理与层面的夹角大56 岩石的能干性（ Rock Competence ）4 岩石力学性质 香肠构造的对比香肠构
35、造的出现说明构造变形时香肠体是较能干的，而基质的能干性较低；且在同一种基质中不同能干性香肠体的几何特征不同，矩形石香肠体岩石比相邻肿缩石香肠体的岩石能干性高57 岩石的能干性（ Rock Competence ）4 岩石力学性质 香肠构造的对比58 岩石的能干性（ Rock Competence ）4 岩石力学性质 褶皱形态的对比对同一基质中同一厚度的不同岩性的能干层来说，能干性高者具有较大的原始波长，能干性低着具有较小的初始波长；59两种不同能干性岩层界面往往形成尖-圆褶皱，尖圆褶皱的尖指向能干性高的岩层。 岩石的能干性（ Rock Competence ）4 岩石力学性质 褶皱形态的对比6
36、0 岩石变形的微观机制（ Micromechanism of Rock Deformation ）4 岩石力学性质岩石变形的微观机制脆性变形机制塑性变形机制微碎裂作用碎裂作用碎裂流动位错滑动位错蠕变扩散蠕变溶解蠕变颗粒边界滑动61 微碎裂作用是一种实现脆性变形的基本变形机制。岩石内在显微和超显微尺度上发生破碎和碎裂时，微破裂一旦形成，它就成为应力集中的场所，而扩展连接，成为宏观破裂，产生碎裂作用和碎裂流。它主要是地壳浅层次的现象，主要与压力作用有关。微碎裂作用、碎裂作用和碎裂流Micro-cataclasis，Cataclasis，Cataclastic flow4 岩石力学性质岩石变形的微观
37、机制（ Micromechanism of Rock Deformation ） 脆性变形机制62碎裂作用：微破裂形成后，通过连接、扩展、局部密集成带，使岩石沿断裂破裂成碎块，当应力继续增大，碎块进一步破裂和细粒化，产生高度破碎的碎块和粉晶集合体，这一过程称为碎裂作用。碎裂流：当应力继续增大，高度破碎的碎块和粉精重复破碎，粒径不断减小，相互之间产生摩擦滑动和刚体转动，能承受大的变形和相对运动，这种变形过程称为碎裂流。微碎裂作用、碎裂作用和碎裂流Micro-cataclasis，Cataclasis，Cataclastic flow4 岩石力学性质岩石变形的微观机制（ Micromechanis
38、m of Rock Deformation ） 脆性变形机制63 岩石的塑性变形机制远比脆性变形机制复杂 绝大部分塑性变形是通过矿物单晶晶内滑动或粒间滑动实现的 塑性变形机制有多种，包括晶内滑动和（低温）位错滑动、高温位错蠕变、动态重结晶和粒间滑动等4 岩石力学性质岩石变形的微观机制（ Micromechanism of Rock Deformation ）64晶内滑动：在微观尺度上，沿晶体内部一定的滑移系发生的，即沿某一滑移面的一定方向滑移。晶内滑移不仅使晶粒形状改变而发生塑性变形，还使结晶轴发生旋转，造成晶格优选方位。它主要发生于地壳较深层次，主要与温度有关。如果滑移面是石英晶体的（000
39、1）面，则缩短不仅使石英颗粒压扁，形成形态优选方位，而且使其结晶轴c轴向缩短方向接近，形成晶格优选方位。 晶内滑动和位错滑动Intracrystalline gliding and dislocation gliding4 岩石力学性质岩石变形的微观机制 塑性变形机制65 晶内滑动和位错滑动Intracrystalline gliding and dislocation gliding4 岩石力学性质岩石变形的微观机制 塑性变形机制变形以晶内滑动为主66位错：在超显微的原子尺度上，在一个晶体的整个滑移面上，并没有同时发生滑动，而只在应力集中区首先发生，然后扩张到整个滑移区，这种现象叫位错，滑移
40、区与未滑移区的界线叫位错线。4 岩石力学性质岩石变形的微观机制 晶内滑动和位错滑动Intracrystalline and dislocation gliding 塑性变形机制67地毯怎样移动才省力？ 晶内滑动和位错滑动Intracrystalline and dislocation gliding68 位错发育到一定程度，其传播受阻，形成网络和缠结，需增大应力才能继续传播应变硬化效应，使晶体变脆 位错受阻的原因：低温；晶体内部的杂质；不同方向不同滑移面上的位错相互制约 当应力大到一定量，晶体会发生破碎，因此单纯的位错滑动，不能形成大的塑性变形量4 岩石力学性质岩石变形的微观机制 位错蠕变（Dislocation creep） 塑性变形机制69 高温变形机制 当 0.3m时，恢复作用开始起重要作用4 岩石力学性质岩石变形的微观机制 塑性变形机制 位错蠕变 位错攀移使符号相反的位错互相抵消，“相同者”重新排列成位错壁，形成亚晶粒（Subgrain）。
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