4变形岩石应变分析基础
构造地质学复习资料
构造地质学复习资料1．绪论1.构造变形的场的基本类型：伸展构造，压缩构造，升降构造，走滑构造，滑动构造，旋转构造。
（伸、缩、升降、减、滑、旋）。
2.朱志澄将构造层次分为：表构造层次、浅构造层次、中构造层次、深构造层次。
其中表、浅构造层次为脆性破裂域，中深构造层次为塑形流变域。
2．沉积岩岩层构造1.构造的类型、成因、规模、和形态千差万别，但是从几何学看，基本可以归纳为：面状构造和线状构造。
2.面状构造的三大产状要素：走向、倾向、倾角。
（1）走向：1.走向线：倾斜平面与水平面的交线.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：倾斜平面与水平面的交角。
（4）视倾斜线：当剖面与岩层的走向斜交时，岩层与该剖面的交迹线。
（5）视倾角（假倾角）：视倾斜线与其在水面上的投影线间的夹角。
（真倾角总是大于假倾角）3.沉积岩层的原生构造（1）原生构造：沉积、成岩过程中所形成的构造。
（2）次生构造：成岩之后，遭受地质作用变化后的构造。
（3）层理：由于岩石成分、构造和颜色的突变或者渐变所显示出来的一种成层构造。
4.原生构造鉴定岩层的顶低面（1）递变层理（韵律层理、粒序层理）递变层理的特点是：在一个单层中，从底面到顶面粒度由粗到细。
（下粗上细）（2）层面暴露标志：泥裂、雨痕泥裂：在剖面上呈“V”字型，开口示顶、尖端示底。
雨痕：凹面示顶，凸面示底。
5.倾斜岩层倾斜岩层露头界线复杂，表现为与地形等高线交切关系，并显示出一定的规律性，即在经过山脊和河谷时，均呈“V”字形态展布，即“V”字形法则。
相反相同（岩层倾向与地面坡向相反，露头线与等高线同向弯曲）相同相反（岩层倾向与地面坡向一致，岩层倾角＞地面坡角，露头线与等高线反向弯曲。
）相同相同（岩层倾向与地面坡向一致，岩层倾角＜地面坡角，露头线与等高线同向弯曲。
4应变分析基础
2. 非均匀应变：
（1）定义： 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； 变形前的圆，变形后不再是圆或椭圆； 变形前的圆球，变形后不再是椭球。
非均匀变形 A.变形前；B.变形后； C.不连续变形
弯曲变形
• 连续形变：物体内从一点到另一点的应变状态 是逐渐变化的（如弯曲）
L0
L1
2.长度比（s）：
1
s—线段变形后长度与变形前长度之比。
e 2 3. 平方长度比（ λ ）： λ l1/l0 2 1 ε
λ—变形前、后同一线段的长度比的平方。
L0
L1
4.自然应变（对数应变或真应变）：
l —— 变量；de与dl均为无穷小量。
L0
L1
二、剪应变：
（1）定义： 剪变角(Angular shear) ： L 变形前相互垂直的两条直线， 变形后其夹角偏离直角的量（） 剪应变(Shear strain)： 剪变角的正切或正弦（γ） 。 （2）应变量计算：γ= tan ， γ= sin
递进变形：共轴递进变形、非共轴递进变形 一、 共轴递进变形 在递进变形过程中，如果各增量应变椭 球的主轴始终与有限应变椭球的主轴一致， 这种变形叫共轴递进变形。否则就叫非共轴 递进变形。
在变形的整个过程之中，应变主轴的方 位和性质始终保持不变，但非应变主轴的方 位、性质可出现变化的变形。
共轴递进变形中，不同方向线条的长度变化史 上图中的百分比表示缩短量，下图L1、L2、L3分别表示上图中三条线的变化史
3．圆截面： 切过椭球中心的面一般呈椭圆，但其中有两个保 持圆形的面，叫做应变椭球的圆截面；该二面的交 迹——中间应变轴。
构造地质学第四章
第五节 应变椭球体形态类型及几何表示
弗林（ Flinn ）图解
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+e1）/（1-e2） b = Y / Z = （1+e2）/（1+e3）
讨论：k值相当于p点与原点（1，1）的斜率
C. 长度比
D. 自然应变
2. 剪应变
L0
L1
变形前相互垂直
的两条物质线，变
形后其夹角偏离直
角的改变量称为角
剪应变() ，其正切
称为剪应变 。
L
=tan
第三节 均匀形变和非均匀形变
1. 均匀应变： （1）定义： 物体内各质点的应变特征相同的变形 （2）特征： 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 变形前的圆，变形后成为椭圆 变形前的圆球，变形后成为椭球
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）
第六节 有旋变形和无旋变形
1. 无旋变形： 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
2. 非均匀应变： （1）定义： 物体内各质点的应变特征发生变化的变形 （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 圆变形后不再是圆或椭圆
2.1. 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）
岩石应力应变的各个阶段
岩石的变形特性岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之二)一、内容提要：本讲主要讲述岩石的变形特性、强度理论二、重点、难点：岩石的应力-应变曲线分析及岩石的各种强度理论。
三、讲解内容：四、岩石的变形特性与岩石的强度特性一样，岩石的变形特性也是岩石的重要力学特性。
只有对岩石的变形特性的变化规律有了足够的了解，才能应用某些数学表达式描述岩石的变形特性，进而运用这些表达式计算岩石在外荷载作用下所产生的变形特性，并评价其稳定性。
在实际的工程中，经常遇到岩石在单轴和三轴压缩状态下的变形问题。
(一)岩石在单向压缩应力作用下的变形特性1. 岩石在普通试验机中进行单向压缩试验时的变形特性岩石的变形特性通常可从试验时所记录下来的应力-应变曲线中获得。
岩石的应力-应变曲线反映了各种不同应力水平下所对应的应变(变形)规律。
以下先介绍具有代表性的典型的应力-应变曲线。
1)典型的岩石应力-应变曲线分析图15-1-17例示了典型的应力-应变曲线。
根据应力-应变曲线的变化，可将其分成OA，AB，BC 三个阶段。
三个阶段各自显示了不同的变形特性。
(1)OA阶段，通常被称为压密阶段。
其特征是应力-应变曲线呈上凹型，即应变随应力的增加而减少。
形成这一特性的主要原因是存在于岩石内的微裂隙在外力作用下发生闭合所致。
(2)AB阶段，也就是弹性阶段。
从图15-1-17可知，这一阶段的应力-应变曲线基本呈直线。
若在这一阶段卸荷的话，其应变可以恢复，由此可称为弹性阶段。
这一阶段常用两个弹性常数来描述其变形特性。
即弹性模量E和泊松比。
所谓弹性模量，是指应力—应变曲线中呈直线阶段的应力与应变之比值(或者是该曲线在直线段的斜率)被称作平均模量。
就模量的概念而言，岩石的模量还有初始模量、切线模量、割线模量等。
在岩石力学中比较常用的是平均弹性模量E和割线模量E50，E50是指岩石峰值应力一半的应力、应变之比值，其实质代表了岩石的变形模量。
所谓泊松比，是指在弹性阶段中，岩石的横向应变与纵向应变比之值。
地质构造之力学基础(应变分析)
§2 应变分析
（三） 岩石变形的阶段
有关岩石在应力作用下的变形行为的多数资料是通过岩石变形实验得来的, 岩石在 外力的作用下, 一般都会经历弹性变形、塑性变形、断裂变形等三个阶段。这三个阶段依 次发生, 但不是截然分开的, 而是彼此过度的。 1. 弹性变形:
(1) 弹性变形:岩石在外力作用下变形, 当外力解除后, 岩石又恢复到变形前的状态, 这种变形行为叫弹性变形
2.线应变:物体内某方向上单位长度的改变量叫线应变.
一杆件受纵向拉伸变形, 设杆件原长为l0, 拉伸变形后的长度为l, 那么, 杆件绝对
伸长为:
△l=l－l0 纵向线应变定义为: ε =(l－l0)/ l0 即 ε = △l / l0
实验证明, 杆件拉伸变形, 不但有纵向伸长变形, 同时还有横向缩短变形。设杆
韧性: 岩石在断裂前的 塑性变形量超过10%
§2 应变分析
（四） 剪裂角分析 在岩石变形实验中发现, 岩石受到挤压力的作用, 会在与挤压力方向成
一定交角的位置形成一对剪切破裂, 由于这一对剪切破裂是受同一作用力而形成 的, 构造地质学中称这一对剪切破裂为共轭剪切破裂。
当岩石发生共轭剪切破裂时, 包含最大主应力σ1象限的共轭剪切破裂 面中间的夹角称为共轭剪切破裂角（2θ）
最大主应力轴σ1作用方向与剪切破裂面的夹角称为 剪裂角（θ）.
§2 应变分析
二维应力状态的应力分析可知, 两组最大剪应力作用面与最大主应力轴σ1或最小主 应力轴的夹角均为45°, 二剪裂面之间的夹角为90°, 二剪裂面的交线是中间应力轴s2的作 用方向。
但从野外实地观察和室内岩石实验来看, 岩石内两组共轭剪裂面的交角常以锐角指 向最大主应力σ1方向, 即包含σ1的共轭剪切破裂角常常小于90°, 通常在60°左右, 而共轭 剪切破裂的剪裂角则小于45°, 也就是说, 两组共轭剪裂面并不沿理论分析的最大剪应力 作用面的方位发育, 这个现象可用库伦、莫尔强度理论来解释。
岩石应变率效应测试方法与分析
岩石应变率效应测试方法与分析引言岩石是地质学中重要的研究对象，其物理力学性质对于地下工程和地质灾害研究具有重要意义。
了解岩石的应变率效应能够帮助我们更好地理解岩石的力学行为和变形特性。
本文将介绍岩石应变率效应的测试方法与分析。
一、应变率效应的定义应变率效应是指岩石在受到应力加载时，其变形特性随着加载速率不同而发生的改变。
这种效应与岩石内部的应力传递机制和变形机制密切相关。
二、岩石应变率效应的测试方法1. 恒定加载速率测试法这种方法是最常用的岩石应变率效应测试方法之一。
通过在岩石样本上施加一定的加载速率，观察岩石样本的应力-应变关系曲线，从而得出其应变率效应。
根据不同的加载速率，可以得到不同的应变率效应曲线。
2. 应变速率增减测试法此方法通过控制加载速率的变化，观察岩石样本的响应，以得出不同加载速率下的应变率效应。
这种方法可以更直观地展示岩石的变形特性，尤其在高速加载和减速加载过程中。
3. 脉冲加载测试法这种方法主要用于测试岩石样本在瞬间加载下的应变率效应。
通过施加瞬态冲击载荷或脉冲波形载荷，观察岩石样本的变形响应，从而得出其应变率效应。
三、岩石应变率效应的分析1. 强度与应变率效应的关系分析岩石的应变率效应与其强度存在密切的关系。
通常情况下，随着加载速率的增加，岩石的强度也会增加。
这是因为加载速率增加会导致岩石内部的应力传递机制发生变化，从而增加强度。
2. 岩石类型与应变率效应的关系分析不同类型的岩石具有不同的强度和变形特性，因此它们的应变率效应也会有所差异。
例如，脆性岩石在高速加载下表现出更明显的应变率效应，而韧性岩石则相对较低。
3. 温度与应变率效应的关系分析温度对岩石的应变率效应也有一定的影响。
通常情况下，高温会导致岩石的强度下降，同时也会降低其应变率效应的大小。
结论岩石应变率效应测试方法的选择应根据具体需求和研究目的来确定。
了解岩石的应变率效应对于地下工程、地质灾害预测和地质资源开发具有重要的意义。
2.4岩石的变形特性
（2）应力—应变全过程曲线形态
在刚性机下，峰值前后的全部应力—应变曲线分5个阶段：1-3阶段
同普通试验机。
CD阶段（应变软化阶段）：
①该阶段试件变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移；
②试件仍具有一定的承载力，承载力随应变的增大而减小，但
并不降到零，具有明显的软化现象。
D点以后（摩擦阶段）：反映断裂面的摩擦所具有的抵抗外力的能力。
P
C
B
A O
D
峰后曲线特点： ① 第5阶段岩石的原生和新生裂隙贯穿，到达D点后，靠碎
块间的摩擦力承载，故 D —称为残余应力。 ② 承载力随着应变增加而减少，有明显的软化现象。
（3）全应力—应变曲线的补充性质
① 曲线呈近似对称性； ② C点后卸载有残余应变， ③ 每次加载与卸载曲线都不重合，且围成一环形面积，称 为塑性滞环， ④ 加载曲线不过原卸载点，但在邻近处和原曲线光滑衔接。
⑤弹性后效特性：
由蠕变方程看出，应力保持一定时，模型应变由弹簧的瞬时应变和粘 壶的蠕变应变组成。如果在某一时刻卸除载荷，弹簧应变将立即恢复，而 粘壶的蠕变应变将残留保持不变，即该模型无弹性后效，存在永久应变。
分3个阶段： （1）原生微裂隙压密阶段（OA级）
特点：① 1 1 曲线 ，曲线斜率↑，应变率随应力增 加而减小；
②变形：塑性，非线性（变形不可恢复） 原因：微裂隙闭合（压密）。裂隙岩石明显，坚 硬少裂隙岩石不明显，甚至不出现本段。
（2）弹性变形阶段（AB段） 特点：① 1 1 曲线是直线； ② 弹性模量E为常数（卸载，变形可恢复） 原因：岩石固体部分变形，B点开始屈服，B点对应的应 力为屈服极限 B 。
岩石刚度：k s
与
k
s
《构造地质学》讲义解析
《构造地质学》第一章绪论一、地质构造与构造地质学二、构造尺度与构造层次的概念地壳或岩石圈不同深度的物理化学条件所导致的地质构造在垂向上的分带性。
不同的构造层次分别显示不同的主导变形机制。
三、构造解析的思想1.对不同岩石类型地区和不同尺度的地质构造采取不同的研究方法野外观察和地质填图始终是研究地质构造的基本方法。
2.构造解析分析和解释地质构造要素的空间关系和形成规律的方法学，内容包括对构造的几何学、运动学和动目的：了解地质构造的发生条件、形成机制和演化过程。
四、学习构造地质学的意义1.理论意义阐明地壳构造在空间上的相互关系和时间上的发育顺序，探讨地壳构造的演化和地壳运动规模及其动力来源。
2.实践意义应用地质构造的客观规律指导生产实践，解决矿产分布、水文地质、工程地质、地震地质及环境地质等方面有关的问题。
由角度不整合限定。
思考题1. 构造尺度与构造层次的概念。
2. 对地质构造主要从哪几个方面进行研究？各有什么主要内容？3. 学习构造地质学有什么意义？第二章沉积岩层和岩浆岩的原生构造及其产状一、倾斜岩层与直线的产状要素1. 岩层的产状要素走向、倾向和倾角。
(图中直线MON)，走向线两端延伸的方向即为该岩层的走向，有两个数值。
倾斜线下倾方向在水平面上的投影线所指的方位就是该岩倾角：岩层的倾斜线与它在水平面上投影线之间的锐夹角就是该岩层的（真）倾角。
注意：规定：水平岩层的倾角为0°；直立岩层的倾角为90°，走向有两个数值。
当观察剖面与岩层的走向斜交时，岩层与该剖面的交迹线叫视倾斜线，视倾斜线与其在水平面上的投影线间的夹角称视倾角，也叫假倾角。
视倾角的值比倾角值小，两者之间的关系为： tanβ=tanα·cosω2. 倾斜岩层产状表示法（1）方位角表示法：“倾向∠倾角”如：213︒∠54︒、0︒∠ 25︒、60︒∠ 60︒地质学上一般采用方位角表示法。
以正北为0°，正东90°，正南180°，正西270°。
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本章主要内容
• 变形、位移和应变的概念 • 旋转应变与非旋转应变 • 递进变形、全量应变与增量应变 • 岩石的变形阶段 • 影响岩石力学性质的外部因素
一、变形和位移
1．变形：岩石的初始状态、方位和位 置的改变就是变形。
拉伸
挤压
中和面
剪切
弯曲
扭转
岩石变形的五种方式：按变形后的状态可分为均匀变形与非均匀变形
变形前相互垂直的两条直线变形后直角的 改变量（）称为角剪切应变，或简称角剪应 变，其正切值称为剪应变，即＝tg.
边长为单位长度的正方形 相邻两边发生的剪应变
3．主应变和应变主方向
在均匀变形条件下，通过变形物体内部任意
点总是可以截取一个体积微小的立方体，其
三对相互垂直的表面上都只有线应变而无剪
典型实例。
l3 l2
在非共轴递进变形中，
l1
各增量应变椭球体的主 缩短量0% 20%
轴与有限应变椭球体的
0
30% 40% 50%
主轴不一致。递进的简 单剪切是非共轴递进变 形的典型实例。
(%)
Hale Waihona Puke 203040
50
l1 的变形史
l3的变形史 l2的变形史
共轴递进变形中变形椭圆
内射线的应变历史
五、岩石的变形阶段
大理岩在挤压应力作用下的变形实验结果
脆性和韧性岩石的变形一般都经历弹性变形、塑性 变形和破裂变形三个阶段。
由于受到岩石自身的力学性质、边界条件、物理化 学条件、外力的性质等因素的影响，不同岩石的这三个 阶段各不相同。
岩石变形的应力－应变曲线
（1）弹性变形
（2）塑性变形
（3）破裂变形
根据材料在破裂前 塑性变形的应变量 可以把材料分为脆 性材料（<5%）、 韧性材料（>10%)、 韧－脆性材料（5~ 7.5%）和脆－韧性 材料（7.5~10%)。
应变，这三对相互垂直的截面就是该点的主
应变面，其上的线应变称为主应变，其方向
称为应变主方向或主应变轴，平行于最大伸
长方向者称为最大应变主方向1或最大主应 变轴A，平行于最大压缩方向者称为最小应 变主方向3或最小主应变轴C，介于其间的 为中间应变主方向2或中间主应变轴B。
三、应变椭球体
（1 A或X）
在应力不增加的情况下，应变随着时间的增长缓慢增加的 现象就是蠕变，反映了岩石的流动性。
在应变恒定的情况下，所需应力可以随时间增长不断减 小的现象就是松弛。
岩石中各种地质构造主要是岩石蠕变的产物。
思考题
1. 什么是变形、位移和应变？ 2. 简单剪切与纯剪有什么不同？ 3. 全量应变与增量应变之间是什么关系？ 4. 岩石变形一般经历哪几个阶段？ 5. 影响岩石变形特征的外部因素主要有
2．位移
平移
P1
变形岩石
内部质点初
P0
始位置到终
止位置之间 ( 虚线为可能的路径）
的移动距离
就是位移。 平移、旋转、
P0 P1
形变和体变
形变
旋转
P0
P1
P0 P1
体变
岩石发生位移的四种方式
二、变形的度量－－应变
物体的变形程度用应变来度量，物体在某一时 刻的形态与早先的形态（一般指初始状态或未变形 的状态）之间的差别就是物体在该时刻的应变。
全量应变又叫有限 应变、总应变，是 变形历史中某一瞬 时之前已经发生的
应变总和。
增量应变又叫瞬时 应变、无限小应变， 是变形历史中某一 瞬间正在发生的无 限小应变。
压缩区 拉伸区
1 2 3 4
5
用卡片模拟简单剪切的 递进变形过程
2．共轴递进变形与非共轴递进变形
在共轴递进变形中，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，递进纯剪 变形是共轴递进变形的
纯剪切的力学条件是：1=-2，张应力与压应力大小相等，符号相反， 在与主应力呈45º夹角的斜截面上，仅作用有纯粹的剪切应力，因而 称为纯剪切。
如果从与边界上剪切力方向相平行的截面上仅作用有剪应力的意义上来 说，纯剪切与简单剪切并无实质上的区别。
三、应变椭球体
伸展盆地的两种动 力学模型
a. 纯剪切模型 （Mckenzie模型）；
哪些？它们如何影响岩石的变形？
温度与深度和构造环境有关。
3．孔隙流体－－影响岩石的强度和质点 迁移能力 （异常孔隙流体）
六、影响岩石力学性质的外界因素 4．时间
4．时间 （1）时间对应变速率的影响
长时间受力时质点有充足的时间固定下来，易于产生永久 变形; 快速受力时质点来不及重新排列就破裂了，表现出脆性 特征。
（2）蠕变与松弛－－长时间地缓慢变形会降低弹性 极限
弹性变形区
y' 塑性变形区P
破裂
y
e1 e2
e
岩石变形的
一般化应力－应变曲线
六、影响岩石力学性质的外界因素
1．围压－－影响岩石的极限强度和韧性
使固体物质的质点彼此接近，增强了质点的内聚力， 从而使晶格不易破坏，因而不易破裂。
围压与深度和构造环境有关。
2．温度－－影响岩石的韧性和屈服极限
温度升高时岩石质点的热运动增强，减弱了它们之 间的联系能力，使物质质点更容易位移。
旋转应变的1和
3质点线方向将
会改变。
A
C 56 20'
简单剪切 （单a 剪） c 33 40'
最典型的情况是
O B
40
O'
b
单剪应变，是由
D
d
c
物质中质点沿着 彼此平行的方向 相对滑动而成。
刚体旋转＝ ＝22 40'
A
O' 纯剪
b
单剪与纯剪应变
三、应变椭球体
2
1
1
2
变形体力学中定义的纯剪切和简单剪切
实际上，杆件在纵向被拉长的同时，
还有横向变形，其横向线应变e0 为
e0
b b0 b0
b b0
泊松比：在弹性变形内，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，
该常数就是该材
料的泊松比（），P 即
e0 e
或e0
e
泊松效应
b b0
P
l0 l
杆件的简单拉伸变形
2．剪应变
原始状态
原始状态
原始状态
挤压
拉伸
剪切
应变的一般情况
1．线应变
线应变是物体内某方向单位长度的改变量。
设一原始长度为l0的杆件变形后长度为l，
则其线应变e为
l e
l0
l
l0
l0
线应变可用百
分数表示。
0
P
b b
P
一般把伸长时
的线应变取正 值，缩短时的 线应变取负值。
l0 l
杆件的简单拉伸变形
b. 简单剪切模型 （Wernicke模型）
纯剪盆地从形态上看是对称的，下地壳和上地幔中没有剪切 滑脱面。而简单剪切伸展模式则以一条穿透上地幔或下地壳 的滑脱面为特征，盆地的构造形态不对称，软流圈物质的上 涌不像纯剪模式那样位于盆地的正下方，而是偏移到了盆地 的一侧。
四、递进变形
1．全量应变与 增量应变
设想在变形前
岩石中有一个半径
为1的单位球体，该 球体变形而成的椭
3
（C或Z）
球体可以用来描述 2 岩石的应变状态， （B或Y）
这个椭球就是应变
椭球体。
应变椭球体
三、应变椭球体
旋转应变与非旋转应变
根据应变主轴方向的物质线在变形前后平行与否，可把 应变分为旋转应变与非旋转应变。
非旋转变形又称无旋转变形， 1和3质点线方向在变形前后 保持不变。如果体积不变而且2=0，则称为纯剪应变。