实验构造地质学_实习指导书
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《实验构造地质学》 实习指导书
刘立林 曾佐勋 编
（中国地质大学 武汉）
2006 年 5 月
一、 陈氏网格法
1．实验目的及要求
通过该实验，使学生掌握以下内容： 1） 学会使用构造模拟实验机； 2） 能独立进行陈氏网格法实验； 3） 会对实验数据进行计算机处理。
2．实验仪器、工具及材料
实验仪器为液压多功能构造模拟实验机，工具有照相机、幻灯机、游标卡尺、计时器、 温度计等；材料有坐标纸、铅笔、记录纸、透明胶纸、高分子流变材料等。
7．实验报告
1）根据实验照片绘制主应变迹线图。 2）根据不同阶段的变形照片绘制几个气泡的位移轨迹图。 3）对某个阶段的部分气泡进行测量和计算，并填入表 2-1 中。 4）对实验结果进行分析。 表 2-1 单核型旋扭构造气泡法实验测量数据及计算结果 气 泡 号 变形前 2a0 2b0 2r 变形后 2a 2b
3．实验步骤
1）设计模型几何形状及尺寸； 2）将高分子流变材料置于构造模拟实验机加载装置上并压实，以免产生不必要的滑动； 3）将网格印到或画到模型表面，并在不产生变形的地方做出明显标志； 4）用照相机记录变形前网格形状及周边环境； 5）加载，并用照相机记录变形后的网格位形，同时记录当时的温度及载荷； 6）冲洗胶卷，必要时冲冼照片； 7）用幻灯机将变形前及各变形阶段的网格放大（注意对准不变形标志） ； 8）分别读取并记录变形前、后网格角点坐标； 9）将数据输入计算机进行处理； 10）对计算结果进行分析。
6 气泡法有限应变计算Baidu Nhomakorabea式
主长度比 1+e1 与 1+e3 分别为 1+e1=a/r, 1+e3=b/r 式中 r 为变形前球形气泡的半径。对数主应变为 ε1=ln (1+e1)=ln(a/r) ε3=ln (1+e3)=ln(b/r) 真应变差为 ε1—ε3 =ln (q/b)=ln (1+e1)/( 1+e3) 气泡在平面上的面积变化为 2 Δs=ab/r －1 主方向和刚性转动，由投影仪读取。 (2.1) (2.2a) (2.2b) (2.3) (2.4)
本室采用的台式投影仪及其基本能数见《构造模拟》P56。
4 明胶模型的配制
明胶模型的西方可参考这样的比例，明胶：甘油：水=21：19：60。按模型几何尺寸估算 出所需明胶的数量。用物理天平称出所需明胶的量，用量杯量出所需的甘油和水，水温要达 到 100℃。将开水倒入坩埚，置于待用的恒温箱中，再将明胶颗粒缓慢倒入开水中，边倒边 用玻璃棒搅拌，待明胶颗粒基本融化后即可加入甘油，继续搅拌均匀，恒温 80℃待用。 将配制好的液态模型材料倒入加载装置中，边倒边搅拌，即在明胶液中形成气泡。在只 考虑平面问题时，铸模温度可稍高，以便气泡上浮集中在上表面：若要进行三维研究。可待 明胶液适当降温后再俦模，这样气泡不容易上浮，而分散在整个模型中。
二、 气泡法
1 实验目的及要求
通过该实验，使学生掌握如下几方面的知识： 1） 常气泡法实验较理想模型材料——明胶冻的配方及模型制做； 2） 学会使用台式投影仪； 3） 学会气泡法应变测量及计算； 4） 对实验结果进行分析、处理及成图。
2 实验仪器、工具及材料
1） 采用的恒温箱、台式投影仪、照相机、物理天平、铸模架； 2） 电炉、坩埚、玻璃棒、量杯、洗像盘； 3） 胶卷、明胶、甘油、水
5 实验步骤
1）设计实验模型几何形状、尺寸及加载装置。 2）将配制好的液态模型材料倒入加载装置中，当明胶液处于粘弹性状态，气泡已不能 随意流动，固定在一定的位置，即可加载。 3）用照相机记录加载过程——采用透时光场，光源与模型之间隔以毛玻璃或透明纸。 为了考察变形史，对加载前及每一加载阶段的气泡进行拍照记录。 4）将拍摄的胶片拿到投影仪上对气泡变参数进行测量。为了避免出错，需要在相应的 放大照片上，或在根据照片描绘的气泡变形图上，对准备进行测量的气泡编号（参见《构造 模拟》P57） 。 5）气泡参数测量。将拍摄有气泡的胶片置于投影仪圆工作台玻璃板上，转动工作台升 降手轮，调焦至影象清晰，并将胶片上的某一固定方向选为 X 轴，使其与投影屏上的横标 线平行。转动工作台，使要测量的气泡有投影屏上影象的椭圆长轴与横标平行，工作台转动 角度的读数，即为参考 X 轴的主方向（1+e1 方向)。用横向测微轮移动气泡，使气泡的左边 缘，右边缘分别与投影屏纵标线相切，测微轮上的读数差即为 2a 值（a 为椭圆长半轴） 。用 纵向测微轮使气泡投影上、下移动，可得到 2b 值（b 为椭圆短半轴） 。
4．条纹级数的判断
将经过无隆升和凹陷的点或区域的云纹定为零级云纹；由零级至隆升顶点，云纹级数依 次上升，为 1，2，3，4……级；由零级至凹陷底部，云纹级数依次负向下降，—1，—2， —3，—4……级。
5．离面位移的计算
W=±(Ph/l)N (3.1) 式中，W 是离面位移，P 最栅线节距，N 是条纹级数，单位都是 mm。正值表示隆升， 负值表示凹陷。
6．实验报告
做一个离面云纹实验，在离面云纹照片上注明栅线节距、标明条纹级数并在下表中填上 每条云纹所代表的位移值。 表 3-1 泥模纵向挤压条纹—位移关系表 N（条纹级数） W（离面位移） N（条纹级数） W（离面位移） N（条纹级数） W（离面位移）
四、 光测弹性法
1．实验目的及要求
通过该实验，使学生掌握以下知识： 1） 了解光弹仪的结构及各部件的名称和作用； 2） 二维光弹性基本原理； 3） 等色线、等倾线的观测和绘制。
2．实验仪器及其操作简介 1）仪器简介
目前国内使用最普遍的二维光测弹性仪是北京科学仪器厂生产的 409—II 型光弹仪，它 主要由三部分组成，即光学部分、加载部分、传动部分。 光学部分： （参见图 4.1）光源由光源箱提供（有白光、汞光和钠光三种） ，经过隔热玻 璃、滤色镜、准直镜、起偏镜、四分一波片到达加载模型，光线从模型出来，经过第二个四 分之一波片、检偏镜、视场镜最后到达记录装置（相机或屏幕） 。 加载部分：给实验模型加载的装置。 传动部分：使起偏镜和检偏镜产生同步转动。
3 仪器简介
1） 恒温箱简介 恒温箱最大功率 6000 瓦（功率控制开关选 II 档） 。功率控制开关选 I 档时，其工作功率 为 3000 瓦。恒温箱的风机打开，能使箱内温度均匀。接通电源前须将恒温开关置零，功率 控制开关选 I 档。 开机步骤：插上总电源——打开电源开关——功率控制开关旋至 II 档——将恒温开关旋 至 80℃——待用。 2） 台式投影仪简介
2．实验仪器、工具及材料
自己动手布置实验环境。一是要布置实验光场，二是要选择加载装置。所需工具及材料 有：照相机、光源、尺、栅板、记录用纸和笔、泥料、泥工抹等。
3．实验步骤
1） 光场布置 进行离面云纹法实验有几种光场可供选择。在此采用最常用的点——点光场，参见《构 造模拟》P79 图 7-23。 2） 模型材料准备 模拟地质体的隆升与凹陷，采用泥料作为试件比较好。本室有北京西山的红土，还有瓷 土和滑石粉等。泥料应和均匀、揉“熟”后才能放到加载装置上，再用湿而清洁的泥工抹将 试件表面仔细抹平待用。 3） 加载、拍照、记录
PRINT #3 “ X Y U V” FOR i=1 TO m INPUT #1, x0(i), y0(i): INPUT #2, x(i), y(i) LET u(i)= x(i)- x0(i): LET v(i)= y(i)-y0(i) PRINT #3 x0(i), y0(i), u(i), v(i) NEXT i CLOSE #3： CLOSE #2： CLOSE #1 OPEN “ lwg” FOR OUTPUT AS #4 : OPEN “ lzj”FOR OUTPUT AS #5 OPEN “ lex” FOR OUTPUT AS #6 : OPEN “ ley”FOR OUTPUT AS #7 OPEN “ lexy” FOR OUTPUT AS #8 PRINT $4, “NO. XO YO X1 Y1 U ”; PRINT #4 “ v zj Exx Eyy Exy” FOR j=2 TO p FOR j=(i-1)*k+1 TO i*k -1 LET sxx=x(j+1)-x1(j): LET syy=y(j+1)-yl(j) LET syy=y(j-1)-y1(j): LET syx=y(j-k)-xl(j) LET dsx=SQR (sxx*sxx+sxy*sxy) LET dsy=SQR (syy*syy+syx*syx) LET szj={[v(j+1)- v(j)]/ dsx-[(j-k)- u(j)]/ dsy}/2 LET czj=SQR[ABS(1-szj*szj)]: LET b=ATN(szj/czj) LET zj(j)=b*180/(3.41529#) : LET a =1-czj LET exx(j)=[ u(j+1)-u(j)]/dsx+a LET eyy(j)=[v(j-k)-v(j)]/dxy+a LET eyy(j)={[ v(j+1)-v(j)]/ dsx+[u(j-k)-u (j) ]/dsx}2 LET no(j)=j PRINT #4 USING “### ### ## ### ## ” no(j)；x0(j)；y0(j) PRINT #4 USING “### ## ### ## ### ## ” x(j)；y(j)；u(j) PRINT #4 USING “### ## ### ##### ### ##### ” v(j)；zj(j)；exx(j) PRINT #4 USING “### ##### ### ##### ” eyy(j)；exy(j) PRINT #5 x(j)；y(j)；zj(j): RINT #6 x(j)；y(j)；exx(j) PRINT #7 x(j)；y(j)；eyy(j): RINT #8 x(j)；y(j)；exy(j) NRXT j NRXT i CLOSE #4: CLOSE #5: CLOSE #6: CLOSE #7: CLOSE #8 END 2)数据准备 I 控制信息 m（总的网格角点数） ，p （网线总行数） ，k（网线总列数） II 变形前各角点的坐标 x0(1), y0(1)……x0(i), y0(i) III 变形后各角点的坐标 x(1),y(1)………x(i),y(i)
对数主 对数主 应数 应数
真应 变差
主 方向
面积 变化 Δs
刚性 转动 ω （°）
ε1
ε3
ε 1— α1 ε3 （°）
三、 面外云纹法
1．实验目的及要求
通过该实验，使学生掌握以下内容： 1） 会布置面外云纹法实验光场； 2） 会测量物体的三维外形； 3） 会测量实验模型的离面位移； 4） 会计算实验模型的离面位移场； 5） 会分析离面云纹图。
3)计算结果输出 I 各角点 x、y 方向位移，保存在文件 uv 中 II 所有输入、输出信息存在文件 lwg 中 III 整旋角保存在文件 lzj 中 IV 三个应变分量分别保存在文件 lex, ley, lexy 中 4）由输出结果作出所需等值线图
5．实习报告
做一个韧性剪切带大变形网格法实验，且用计算机处理，做出三个应变分量的等值线图， 并对韧性剪切带变形特征进行分析。
4．计算机处理
1）陈氏网格法计算机源程序 REM THE PROGRAM OF CHEN‘S GRID METHOD INPUT“please input m,p,k”; m,p,k DIM x0(m), y0(m), x(m), y(m), u(m), v(m), zj(m), no(m), exx(m), exy(m), eyy(m) INPUT “ Input datafile of coordinate at underformed state:” n1$ INPUT “ Input datafile of coordinate at derformed state:” n2$ OPEN n1$ FOR INPUT AS #1 OPEN n1$ FOR INPUT AS #2 OPEN “ uv”FOR INPUT AS #3
刘立林 曾佐勋 编
（中国地质大学 武汉）
2006 年 5 月
一、 陈氏网格法
1．实验目的及要求
通过该实验，使学生掌握以下内容： 1） 学会使用构造模拟实验机； 2） 能独立进行陈氏网格法实验； 3） 会对实验数据进行计算机处理。
2．实验仪器、工具及材料
实验仪器为液压多功能构造模拟实验机，工具有照相机、幻灯机、游标卡尺、计时器、 温度计等；材料有坐标纸、铅笔、记录纸、透明胶纸、高分子流变材料等。
7．实验报告
1）根据实验照片绘制主应变迹线图。 2）根据不同阶段的变形照片绘制几个气泡的位移轨迹图。 3）对某个阶段的部分气泡进行测量和计算，并填入表 2-1 中。 4）对实验结果进行分析。 表 2-1 单核型旋扭构造气泡法实验测量数据及计算结果 气 泡 号 变形前 2a0 2b0 2r 变形后 2a 2b
3．实验步骤
1）设计模型几何形状及尺寸； 2）将高分子流变材料置于构造模拟实验机加载装置上并压实，以免产生不必要的滑动； 3）将网格印到或画到模型表面，并在不产生变形的地方做出明显标志； 4）用照相机记录变形前网格形状及周边环境； 5）加载，并用照相机记录变形后的网格位形，同时记录当时的温度及载荷； 6）冲洗胶卷，必要时冲冼照片； 7）用幻灯机将变形前及各变形阶段的网格放大（注意对准不变形标志） ； 8）分别读取并记录变形前、后网格角点坐标； 9）将数据输入计算机进行处理； 10）对计算结果进行分析。
6 气泡法有限应变计算Baidu Nhomakorabea式
主长度比 1+e1 与 1+e3 分别为 1+e1=a/r, 1+e3=b/r 式中 r 为变形前球形气泡的半径。对数主应变为 ε1=ln (1+e1)=ln(a/r) ε3=ln (1+e3)=ln(b/r) 真应变差为 ε1—ε3 =ln (q/b)=ln (1+e1)/( 1+e3) 气泡在平面上的面积变化为 2 Δs=ab/r －1 主方向和刚性转动，由投影仪读取。 (2.1) (2.2a) (2.2b) (2.3) (2.4)
本室采用的台式投影仪及其基本能数见《构造模拟》P56。
4 明胶模型的配制
明胶模型的西方可参考这样的比例，明胶：甘油：水=21：19：60。按模型几何尺寸估算 出所需明胶的数量。用物理天平称出所需明胶的量，用量杯量出所需的甘油和水，水温要达 到 100℃。将开水倒入坩埚，置于待用的恒温箱中，再将明胶颗粒缓慢倒入开水中，边倒边 用玻璃棒搅拌，待明胶颗粒基本融化后即可加入甘油，继续搅拌均匀，恒温 80℃待用。 将配制好的液态模型材料倒入加载装置中，边倒边搅拌，即在明胶液中形成气泡。在只 考虑平面问题时，铸模温度可稍高，以便气泡上浮集中在上表面：若要进行三维研究。可待 明胶液适当降温后再俦模，这样气泡不容易上浮，而分散在整个模型中。
二、 气泡法
1 实验目的及要求
通过该实验，使学生掌握如下几方面的知识： 1） 常气泡法实验较理想模型材料——明胶冻的配方及模型制做； 2） 学会使用台式投影仪； 3） 学会气泡法应变测量及计算； 4） 对实验结果进行分析、处理及成图。
2 实验仪器、工具及材料
1） 采用的恒温箱、台式投影仪、照相机、物理天平、铸模架； 2） 电炉、坩埚、玻璃棒、量杯、洗像盘； 3） 胶卷、明胶、甘油、水
5 实验步骤
1）设计实验模型几何形状、尺寸及加载装置。 2）将配制好的液态模型材料倒入加载装置中，当明胶液处于粘弹性状态，气泡已不能 随意流动，固定在一定的位置，即可加载。 3）用照相机记录加载过程——采用透时光场，光源与模型之间隔以毛玻璃或透明纸。 为了考察变形史，对加载前及每一加载阶段的气泡进行拍照记录。 4）将拍摄的胶片拿到投影仪上对气泡变参数进行测量。为了避免出错，需要在相应的 放大照片上，或在根据照片描绘的气泡变形图上，对准备进行测量的气泡编号（参见《构造 模拟》P57） 。 5）气泡参数测量。将拍摄有气泡的胶片置于投影仪圆工作台玻璃板上，转动工作台升 降手轮，调焦至影象清晰，并将胶片上的某一固定方向选为 X 轴，使其与投影屏上的横标 线平行。转动工作台，使要测量的气泡有投影屏上影象的椭圆长轴与横标平行，工作台转动 角度的读数，即为参考 X 轴的主方向（1+e1 方向)。用横向测微轮移动气泡，使气泡的左边 缘，右边缘分别与投影屏纵标线相切，测微轮上的读数差即为 2a 值（a 为椭圆长半轴） 。用 纵向测微轮使气泡投影上、下移动，可得到 2b 值（b 为椭圆短半轴） 。
4．条纹级数的判断
将经过无隆升和凹陷的点或区域的云纹定为零级云纹；由零级至隆升顶点，云纹级数依 次上升，为 1，2，3，4……级；由零级至凹陷底部，云纹级数依次负向下降，—1，—2， —3，—4……级。
5．离面位移的计算
W=±(Ph/l)N (3.1) 式中，W 是离面位移，P 最栅线节距，N 是条纹级数，单位都是 mm。正值表示隆升， 负值表示凹陷。
6．实验报告
做一个离面云纹实验，在离面云纹照片上注明栅线节距、标明条纹级数并在下表中填上 每条云纹所代表的位移值。 表 3-1 泥模纵向挤压条纹—位移关系表 N（条纹级数） W（离面位移） N（条纹级数） W（离面位移） N（条纹级数） W（离面位移）
四、 光测弹性法
1．实验目的及要求
通过该实验，使学生掌握以下知识： 1） 了解光弹仪的结构及各部件的名称和作用； 2） 二维光弹性基本原理； 3） 等色线、等倾线的观测和绘制。
2．实验仪器及其操作简介 1）仪器简介
目前国内使用最普遍的二维光测弹性仪是北京科学仪器厂生产的 409—II 型光弹仪，它 主要由三部分组成，即光学部分、加载部分、传动部分。 光学部分： （参见图 4.1）光源由光源箱提供（有白光、汞光和钠光三种） ，经过隔热玻 璃、滤色镜、准直镜、起偏镜、四分一波片到达加载模型，光线从模型出来，经过第二个四 分之一波片、检偏镜、视场镜最后到达记录装置（相机或屏幕） 。 加载部分：给实验模型加载的装置。 传动部分：使起偏镜和检偏镜产生同步转动。
3 仪器简介
1） 恒温箱简介 恒温箱最大功率 6000 瓦（功率控制开关选 II 档） 。功率控制开关选 I 档时，其工作功率 为 3000 瓦。恒温箱的风机打开，能使箱内温度均匀。接通电源前须将恒温开关置零，功率 控制开关选 I 档。 开机步骤：插上总电源——打开电源开关——功率控制开关旋至 II 档——将恒温开关旋 至 80℃——待用。 2） 台式投影仪简介
2．实验仪器、工具及材料
自己动手布置实验环境。一是要布置实验光场，二是要选择加载装置。所需工具及材料 有：照相机、光源、尺、栅板、记录用纸和笔、泥料、泥工抹等。
3．实验步骤
1） 光场布置 进行离面云纹法实验有几种光场可供选择。在此采用最常用的点——点光场，参见《构 造模拟》P79 图 7-23。 2） 模型材料准备 模拟地质体的隆升与凹陷，采用泥料作为试件比较好。本室有北京西山的红土，还有瓷 土和滑石粉等。泥料应和均匀、揉“熟”后才能放到加载装置上，再用湿而清洁的泥工抹将 试件表面仔细抹平待用。 3） 加载、拍照、记录
PRINT #3 “ X Y U V” FOR i=1 TO m INPUT #1, x0(i), y0(i): INPUT #2, x(i), y(i) LET u(i)= x(i)- x0(i): LET v(i)= y(i)-y0(i) PRINT #3 x0(i), y0(i), u(i), v(i) NEXT i CLOSE #3： CLOSE #2： CLOSE #1 OPEN “ lwg” FOR OUTPUT AS #4 : OPEN “ lzj”FOR OUTPUT AS #5 OPEN “ lex” FOR OUTPUT AS #6 : OPEN “ ley”FOR OUTPUT AS #7 OPEN “ lexy” FOR OUTPUT AS #8 PRINT $4, “NO. XO YO X1 Y1 U ”; PRINT #4 “ v zj Exx Eyy Exy” FOR j=2 TO p FOR j=(i-1)*k+1 TO i*k -1 LET sxx=x(j+1)-x1(j): LET syy=y(j+1)-yl(j) LET syy=y(j-1)-y1(j): LET syx=y(j-k)-xl(j) LET dsx=SQR (sxx*sxx+sxy*sxy) LET dsy=SQR (syy*syy+syx*syx) LET szj={[v(j+1)- v(j)]/ dsx-[(j-k)- u(j)]/ dsy}/2 LET czj=SQR[ABS(1-szj*szj)]: LET b=ATN(szj/czj) LET zj(j)=b*180/(3.41529#) : LET a =1-czj LET exx(j)=[ u(j+1)-u(j)]/dsx+a LET eyy(j)=[v(j-k)-v(j)]/dxy+a LET eyy(j)={[ v(j+1)-v(j)]/ dsx+[u(j-k)-u (j) ]/dsx}2 LET no(j)=j PRINT #4 USING “### ### ## ### ## ” no(j)；x0(j)；y0(j) PRINT #4 USING “### ## ### ## ### ## ” x(j)；y(j)；u(j) PRINT #4 USING “### ## ### ##### ### ##### ” v(j)；zj(j)；exx(j) PRINT #4 USING “### ##### ### ##### ” eyy(j)；exy(j) PRINT #5 x(j)；y(j)；zj(j): RINT #6 x(j)；y(j)；exx(j) PRINT #7 x(j)；y(j)；eyy(j): RINT #8 x(j)；y(j)；exy(j) NRXT j NRXT i CLOSE #4: CLOSE #5: CLOSE #6: CLOSE #7: CLOSE #8 END 2)数据准备 I 控制信息 m（总的网格角点数） ，p （网线总行数） ，k（网线总列数） II 变形前各角点的坐标 x0(1), y0(1)……x0(i), y0(i) III 变形后各角点的坐标 x(1),y(1)………x(i),y(i)
对数主 对数主 应数 应数
真应 变差
主 方向
面积 变化 Δs
刚性 转动 ω （°）
ε1
ε3
ε 1— α1 ε3 （°）
三、 面外云纹法
1．实验目的及要求
通过该实验，使学生掌握以下内容： 1） 会布置面外云纹法实验光场； 2） 会测量物体的三维外形； 3） 会测量实验模型的离面位移； 4） 会计算实验模型的离面位移场； 5） 会分析离面云纹图。
3)计算结果输出 I 各角点 x、y 方向位移，保存在文件 uv 中 II 所有输入、输出信息存在文件 lwg 中 III 整旋角保存在文件 lzj 中 IV 三个应变分量分别保存在文件 lex, ley, lexy 中 4）由输出结果作出所需等值线图
5．实习报告
做一个韧性剪切带大变形网格法实验，且用计算机处理，做出三个应变分量的等值线图， 并对韧性剪切带变形特征进行分析。
4．计算机处理
1）陈氏网格法计算机源程序 REM THE PROGRAM OF CHEN‘S GRID METHOD INPUT“please input m,p,k”; m,p,k DIM x0(m), y0(m), x(m), y(m), u(m), v(m), zj(m), no(m), exx(m), exy(m), eyy(m) INPUT “ Input datafile of coordinate at underformed state:” n1$ INPUT “ Input datafile of coordinate at derformed state:” n2$ OPEN n1$ FOR INPUT AS #1 OPEN n1$ FOR INPUT AS #2 OPEN “ uv”FOR INPUT AS #3