最大有效力矩准则及相关地质构造

摩尔-库伦准则广泛用以说明断裂构造的形成,然而却不能解释自然界广泛分布的大变形。最近提出的岩石变形新理论——最大有效力矩准则,其数学表达式为Meff=0.5(σ1-σ3)L.sin2α.sinα。式中,σ1-σ3代表变形岩石的屈服强度,L为单位长度,α为σ1与变形带间的角度。该准则证明最大有效力矩出现在σ1轴左右54.7°方向,55°±10°区间力矩无显著变化,天然和实验的全部观测值全部位于该区间内。相关地质构造包括:膝褶带、伸展褶劈理、膏盐层中的屈服带、低角正断层、高角逆断层、结晶基底中的菱网状剪切带、地震反射剖面中的鳄鱼嘴构造和前陆盆地中的拆离褶皱等。据该准则可确定有关构造形成时的应力状态和运动学涡度,并扩展说明深俯冲超高压岩石的折返-出露机制。     

最大有效力矩准则及其构造地质学意义

摩尔-库伦准则广泛用于解释断裂的形成。然而却不能说明自然界广泛存在的大变形。一新的变形理论——最大有效力矩准则(MEMC),其数学表达式为:Meff=0.5(σ1-σ3)Lsin2αsinα,式中σ1-σ3为相关岩石的屈服强度,L为单位长度,α是最大主压应力轴(σ1)与变形带间的夹角。该准则证明有效力矩的最大值出现在σ1轴两侧54.7°方向上,其大小在55°±10°区间内无显著变化、覆盖全部自然和实验数据。最大有效力矩准则的主要构造意义为:1可用以确定相关变形构造形成时的应力状态;2在涡度与应变速率保持恒定的条件下,确定相关韧性剪切带运动学涡度(…     

实践中发展的最大有效力矩准则

最大有效力矩准则发表以来, 不断得到新的野外观察和实验结果的验证, 正在得到国内外同行的支持。岩石的变形行为取决于自身力学性质、构造层次(包括温度、压力、流体压力等因素)和应变速率。浅构造层次中平面菱网状构造和剖面共轭膝褶带, 钝角面对缩短方向, 受最大有效力矩准则控制, 是对慢应变速率的构造响应。证明应变速率对变形行为的控制程度不亚于构造层次。韧、脆性构造的共存意味着构造演化过程为快、慢应变速率的交替。      

不同构造层次岩石变形准则的融合与发展

岩石变形准则对于构造地质学、工程安全等方面均具有重要的理论价值与实践意义。经典的岩石脆性变形(破裂)准则包括屈特加准则(水平直线型包络线)、库伦准则(斜直线型和抛物线型包络线)、格里菲斯准则(抛物线型包络线)等。近年来最大有效力矩准则在野外韧性剪切带观测与理论计算中都得到了广泛应用,逐渐成为岩石韧性变形的重要准则。然而,这些变形准则在应用过程中还存在一些问题,如有些准则在理论上无法解释、彼此不相协调,最大有效力矩准则在摩尔图解中尚无对应的包络线,部分准则边界条件和应用范围不清等。本文针对这些问题,结合野外实际情况和理论分析,取得了如下认识:(1)水平直线型屈特加准则在地质过程中无法实现。(2)提出了最大有效力矩准则的包络线方程为τ=-0.35(σ_n-σ_d),在摩尔图解中为一条反倾斜直线型包络线;进而将脆性变形的格里菲斯准则和库伦准则与韧性变形的最大有效力矩准则统一表述于应力摩尔图解中,使各准则彼此协调和融合。(3)初步明确了各变形准则的适用条件及所对应的构造层次:张性应力存在的构造环境(包括地壳浅表层次、水力压裂等人为张性应力环境),格里菲斯准则比较合适,以张性破裂(θ=～0°)和张剪性破裂(θ=0°～30°)为主;上地壳在一般情况下(3个主应力均为挤压应力),斜直线型库伦准则更为合适,以锐夹角共轭剪破裂(θ=～30°)为主;随着深度的增加,在中地壳,抛物线型库伦准则较合适,以锐夹角脆韧性剪切变形带(θ=30°～45°)为主;进入下地壳及以下,最大有效力矩准则更合适,以钝夹角韧性剪切变形带(θ=～55°)为主。实际地质作用过程中影响岩石变形的因素更为复杂多样,应具体问题具体分析,不能简单地对号入座。     

神秘的109.4°——共轭变形带的夹角

塑性力学的滑移线理论、Watterson零伸长度理论和最大有效力矩准则均获得共轭变形带的夹角为109.4°。该值与黄金规则相容,然而,滑移线理论的预测值面对伸长方向,与实际不符。零伸长度理论所预测的109.4°,不能解释实际观察到的平面共轭剪切带。根据最大有效力矩准则理论,预测韧性变形域共轭变形带面对主压应力方向或瞬时最小伸长度方向的夹角为109.4°。迄今获得的全部野外观测值和岩石力学实验结果均位于该预测值的±20°范围内,证明最大有效力矩准则的有效性。最大有效力矩准则可解释或求解:1)折劈理的形成,2)大型低角度正断层和高角度逆冲断层的形成,3)地震反射剖面中的鳄鱼嘴构造,4)变质结晶基底的基本构造型式——菱网状韧性剪切带,5)拆离褶皱的形成,6)古主应力和相关的运动学涡度。     

神秘的109.4°——共轭变形带的夹角

塑性力学的滑移线理论、Watterson零伸长度理论和最大有效力矩准则均获得共轭变形带的夹角为109.4°.该值与黄金规则相容,然而,滑移线理论的预测值面对伸长方向,与实际不符.零伸长度理论所预测的109.4°,不能解释实际观察到的平面共轭剪切带.根据最大有效力矩准则理论,预测韧性变形域共轭变形带面对主压应力方向或瞬时最小伸长度方向的夹角为109.4°.迄今获得的全部野外观测值和岩石力学实验结果均位于该预测值的±20°范围内,证明最大有效力矩准则的有效性.最大有效力矩准则可解释或求解:1)折劈理的形成,2)大型低角度正断层和高角度逆冲断层的形成,3)地震反射剖面中的鳄鱼嘴构造,4)变质结晶基底的基本构造型式--菱网状韧性剪切带,5)拆离褶皱的形成,6)古主应力和相关的运动学涡度.     

大巴山陆内造山带构造流体及其形成条件研究

构造脉体作为构造流体的宏观标志记录了与构造运动有关的流体来源、形成环境条件和动力学等信息。大巴山构造带是一个典型的陆内造山带,发育了代表构造前、同构造期和构造后3期构造流体的方解石脉(V1、V2和V3)。本文在对构造后伸展背景下形成的方解石脉(V3)野外产状、几何特征和围岩力学性质统计分析基础上,通过其形成古应力场恢复和同位素地球化学分析,研究V3脉体形成环境条件及其流体来源。结果表明,V3脉体走向以NE SW向为主,脉体倾角较陡,大多近于直立,其形成的主应力轴σ1,σ2和σ3方位分别为67°∠76°、200°∠13°和293°∠10°,形成时的应力场为NW SE向拉张。V3脉体形成时流体压力pf<σ2<σ1,流体超压Δsi在92～167 MPa,形成最大深度为1.8～7.2 km。δ13C δ18O反映V3方解石脉形成与围岩碳酸盐岩脱CO2作用有关,V3方解石脉流体包裹体水的δD δ18O同位素分析表明其为盆地内部变质建造水向浅部迁移并有浅部表生水的参与。结合大巴山前陆构造广泛存在的异常高压流体,认为大巴山前陆在晚白垩世-古近纪时期处于伸展构造背景下,原来封存在深部的异常高压流体超压Δsi突破围岩形成裂缝,并上升到浅部与表生流体混合沉淀形成了V3脉体。     

柴北缘二郎洞地区L 构造岩变形特征及其地质意义

柴北缘二郎洞地区出露包含早古生代岩石组合的达肯大坂岩群,其构造变形期次和变形时代研究接近空白, 本文首次在其中发现了面理微弱, 而拉伸线理十分发育的L 构造岩,对其详细的构造解析对认识柴北缘构造演化具有重要意义。二郎洞达肯大坂岩群存在两期构造变形作用（D₁、D₂）,D₁ 期变形表现为兼具逆冲分量的左旋走滑剪切,D₂ 期变形表现为兼具正断性质的右旋走滑剪切。D₁ 期变形产生LS 构造岩和L 构造岩。其中L 构造岩中矿物拉伸线理的倾伏向约为142°,与柴北缘造山带延伸方向一致,倾伏角一般在2°～54°。对L 构造岩以及侵入其中的未变形次安山岩进行LA-ICP-MS 锆石U-Pb定年,获得它们的结晶时间分别为457 Ma 和406 Ma,L 构造的变形时代可能介于457～406 Ma 之间。根据长石、石英等矿物的变形形式,估计L 构造岩的变形温度在380 ℃～420 ℃之间, 应形成于地下13～14 km 深处。在构造特征分析和岩相学研究的基础上,结合柴北缘早古生代岩浆活动时代构架,我们认为二郎洞地区L 和LS 构造岩的原岩可能是原特提斯洋向北俯冲增生过程中形成的早古生代弧花岗岩,由于柴达木-东昆仑板块和祁连陆块之间的斜向碰撞,导致局部地区出现挤压并沿造山带延伸方向走滑活动。在走滑剪切作用下使地壳流变层中的弧岩浆岩体向地表挤出,局部成分相对均匀的花岗质岩石,因具有较强的岩石力学性能而形成了L构造岩。     

桐柏-大别南缘殷店-马垅韧性剪切带的变形及年代学分析

殷店-马垅（简称殷马）韧性剪切带是桐柏-大别造山带南缘的一条重要的边界断裂,对其精细的构造变形研究将有助于进一步认识桐柏-大别造山带的演化方式和过程。本文主要对殷店和马垅两个地区进行了详细的剖面观测,利用有限应变测量,计算出殷马剪切带中岩石应变椭球长短轴的平均轴率为1.69,靠近剪切带的岩石应变量大,向北远离剪切带,应变量减小;通过构造应力场分析查明剪切带的古应力状态,最大压应力σ₁为北北东-南南西向,对应最大拉应力σ₃为北西西-南东东向。岩石的有限应变分析和应力场状态,反映出板块间的碰撞挤压作用力在平行剪切带和垂直剪切带方向上存在应力分解。剪切带内糜棱岩中的锆石U-Pb定年结果显示,其年龄为172～137 Ma,据此得出殷马剪切活动时代主要为中侏罗世-早白垩世。     

北京西山流动变形碳酸盐岩的微构造分析

本文提供一个可以与岩石力学变形试验相比较的碳酸盐岩天然流变实例。根据对变形岩石的构造微貌、应变特征、微构造相的系统分析,得出以下主要结论:（1）流动变形期的环境参数分别是:温度为250°～450℃C;压力为200—400MPa;差异应力为60—90MPa;在剪切带内可达110MPa;低应变速率(10^-13量级);（2）流变碳酸盐岩的典型组构是小圆环带的单斜对称型式。在剪切带内,可以无优选方位。岩石经受平面应变,略偏向拉伸应变,主压扁面与新生构造面理近于平行;（3）在中低温—中压,低应变速率的变形环境中,扩散作用是碳酸盐岩变形的重要机制之一。在强剪切带内,岩石进入第三蠕变阶段;（4）在褶叠层内部,应力、应变强度及应变速率的差异表明,分层差异剪切流动作为褶叠层的一种成因模型是可信的。     

论粗粒料的E-μ模型

本文在大三轴试验成果基础上,对在我国广泛采用的粗粒材料的E-μ模型存在的问题进行了分析。指出,模型中采用（σ1-σ3）f=R（σ1-σ3）ul的关系是多余的,反而给计算带来误差,模型中μi和σ3成半对数关系也不是唯一的。为了完善这个模型,作者建议了更适用的关系式。     

The Maximum Effective Moment Criterion （MEMC） and Its Implications in Structural Geology

1 Introduction A high-level generalization of structures in the earth crust has been given by Ramsay (1980): low-angle thrusts in the brittle upper crust and high-angle reverse shear zones in the ductile middle-lower crust are formed in contractional regimes; high-angle normal faults in the brittle upper crust and low-angle normal shear zones in the ductile middle- lower crust are formed in extensional regimes. The formation of low-angle thrusts and high-angle normal faults in brittle domains …     

某地区白垩系中的冲积相

整个白垩系为砂泥岩互层,M段、W段、L段下部及D段下部为砂岩及砂砾岩。前人对W段及L段曾提出湖相及河湖交替相的看法。遵照毛主席关于“实践、认识、再实践、再认识”的教导,我们对W段和L段进行了研究,确定其为冲积相。本文是对该二段冲积相特征的讨论。     

北京郊区农田土壤中HCH残留调查及评价

北京郊区农田分析区的土壤样品中,均有不同程度的各种HCH异构体检出.在所测样品中,HCH异构体平均含量由高到低排序为σ-HCH、β-HCH、γ-HCH、α-HCH,而且在各个样品中γ-HCH都没有占据主导地位,说明在土壤中没有新的HCH进入.与商品HCH进行比较,w(α-HCH)和w(γ-HCH)明显下降,w(β-HCH)和w(σ-HCH)却相对上升了,分析得出异构体之间的降解转化速率由大到小排序为α-HCH、γ-HCH、σ-HCH、β-HCH.初步评价近年没有新的HCH来源污染本区,但仍有一定风险.     

基于Hoek-Brown准则的隧道围岩屈服接近度分析

为了建立Hoek-Brown准则围岩稳定性评判标准,通过理论分析,推导了Hoek-Brown准则和Mohr-Coulomb准则的关系以及Hoek-Brown准则参数表征的屈服接近度(YAI)函数;通过FLAC3D建立隧道三维数值模型,编制相应Hoek-Brown屈服接近度YAIhb的程序,分析了材料参数和应力变化的影响。结果表明：①自编程序计算的YAIhb=1区域与FLAC3D计算的塑性区分布范围相同,验证了程序的正确性,并且屈服接近度能够表征各单元的屈服程度,优于塑性区判定标准。②随着地质强度指标GSI的增大,YAIhb逐渐减小,两者之间的关系采用3次多项式进行拟合的精度较高;YAIhb随岩石单轴压缩强度σci的增大而减小,采用指数方程对两者的关系进行拟合,能得到较高的相关系数;随着单元损伤的加剧,其屈服接近度逐渐增大,表征单元破坏程度增大,YAIhb和岩体损伤指标D之间符合双曲线分布规律。③最大主应力σ1增大引起YAIhb减小,两者表现出显著的线性关系;中间主应力σ2增大引起YAIhb呈现先增大后减小的趋势,可用3次多项式曲线对其关系进行拟合;YAIhb随着最小主应力σ3的增大而线性增大。     

梯度塑性理论及其在地质灾害预测研究中的应用

岩石结构稳定性问题是岩土工程实践中迫切需要解决的重要课题之一。文章以地震为例，讨论了地质灾害的局部化特征，介绍了经典弹、塑性理论的某些缺陷及梯度塑性理论的几点优越性：(1)控制方程总是适定的；(2)病态网格依赖性消失；(3)局部化带宽度由材料的内部长度完全确定；(4)可对岩石结构的尺寸效应及失稳回跳进行合理解释和预测；(5)对预测宏观及微观问题均比较有效。介绍了基于梯度塑性理论的岩石变形、破坏及稳定性研究进展。梯度塑性理论可用于研究单轴压缩条件下，岩石试件发生剪切破坏时全程应力一应变曲线、尺寸效应、剪切带倾角尺寸效应及失稳回跳等问题。它们对土木工程及岩土工程均十分重要。若将单轴压缩岩样比拟为矿柱，则该失稳判据即为矿柱岩爆准则。梯度塑性理论可用于研究韧性断层带内部应变、应变率分布规律、断层带错动位移及带内孔隙度分布规律，为韧性断层带定量分析提供了新的手段。此外，该理论还可对直剪试验机——岩样系统不稳定性进行分析，系统失稳可比拟为断层岩爆。发展基于梯度塑性理论尺度律及失稳判据等解析解一方面可加深对岩石变形、破坏的理解；另一方面。还可用来检验数值结果的正确性。     

The Mid-Late Jurassic Kinematic Model and Mechanical Mechanism of the Ductile Shear Zones in the South Qinling Structural Belt

The South Qinling structural belt, as a part of the Qinling orogen, is bounded by the Shang-Dan suture to the north. Previous studies show the two regional conjugate ductile shear zones developed in the Mid-Late Jurassic epoch, e.g., Ningshan ductile shear zone characteristic of ENE-striking, sinistral shearing, Ankang ductile shear zone typical of NW-direction, dextral shearing, whose shear deformation age respectively is 169~162 Ma and 178~163 Ma respectively. The lineations collected from the two ductile shear zones suggest the maximum principal stress (σ1) is characterized by the direction of NE trending consistent with their obtuse angle bisector, which is corresponded with maximum effective moment criterion. Thus, our work suggests the blocks delimited by the conjugate ductile shear zones (e.g., ENE-striking and NW-trending) in the interior of the Qinling orogen, dominated by NE-SW compression, pinned by the Hannan-Micangshan massif, laterally extruded in the Mid-Late Jurassic time, which is featured by westward escaping in western Qinling belt and eastward in the eastern Qinling belt. This kinematical model probably marks the dominated activity of the Qinling orogen in the Mid-Late Jurassic time.     

Mechanical Properties of Weak Porous Sandstone Under General Triaxial Stress States

The mechanical properties of weak porous sandstone with uniaxial compressive strength of about 300kg/cm2 , porosity as high as 27% and bulk density 1.85 g/cm3 , were investigated experimentally by using Mogil’s true triaxial compressive apparatus. The properties of deformation and failure, in the whole process from brittleness to ductility, were observed by bringing confining pressure up to 500 kg/cm2 under room temperature . The intermediate principal stress was successfully brought up from the lowest limit. σ2=σ3 to the highest limit , σ2=σ1 under constant confining pressure, 50 and 100 kg/cm2 respectively. The whole process that the strength increases gradually to a maximum and then decreases gradually with increasing of intermediate principal stress under constant σ3 was observed . Failure and flow were effecfed not due to volume dilatancy but rather du to compression of volume under constant confining stress of 100 kg/cm 2 and a general triaxial stress state of σ3 =100 kg/cm2 , σ2=295kg/cm2 . For hard rocks , this behavior can be observed possibly only under higher temperatures and pressures. The experimental result shows that the ductility and coefficient of strain hardening are increased in proportion to the intermediate stress σ2 under constant σ3 . This is different from the behavior of hard rocks.