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。     

结构面力学性质的定量鉴定

变形带力学性质的鉴定是地质力学研究中的先行基础步骤.近来出现一些新的概念和方法,可用以定量表征变形带的力学性质.天然变形带通常是一般剪切作用的产物,是纯剪切(共轴缩短或伸展)和简单剪切的组合.为了定量说明两者间的相对贡献,提出了运动学涡度(W_k)这一物理量,并简单地定义为cos υ.υ是主变形面内两特征方向间的夹角.纯剪切的υ=90°,W_k=0;简单剪切的υ=0°,W_k=1.一般剪切的υ介于0°和90°之间,W_k为0到1.运动学涡度符号的正负分别代表变形带的减薄和增厚.υ可通过极摩尔圆法求出.主压应力(σ₁)方向与W_k的关系为W_k=sin2ξ.ξ是σ₁与变形带法线间的夹角.因此,可用以确定变形带的W_k和力学性质.根据最大有效力矩准则,韧性变形带与主压应力(σ₁)方向间的夹角为55°,可用以确定古应力轴的方向,并可能确定变形时差应力的大小.      

最大有效力矩准则的理论拓展

在分析"导致变形带内先存面理或层理发生转动的最大有效力矩与先存面理或层理方向有关"的基础上, 对最大有效力矩准则(M_eff=0.5(σ₁-σ₃) Lsin2αsinα)进行理论上的拓展, 提出了可以判定任意方向先存面理最大有效力矩的准则——泛最大有效力矩准则(M_G-eff=0.5(σ₁-σ₃)Lsin2αsin(α-θ)), 其中当先存面理与最大主压应力(σ₁)平行时, 则成为最大有效力矩准则。该准则的理论分析表明:①当先存面理与σ₁平行时, 在σ₁左右两侧±54.7°方向出现2个有效力矩的最大值, 形成共轭的变形带, 钝角(109.4°)对着σ₁方向; ②当先存面理与σ₁斜交时, 在σ₁的另一侧出现1个有效力矩的最大值, 从而只出现一个方向的变形带, 并随着先存面理偏离σ₁方向, 变形带与σ₁的夹角逐渐减小(从θ=0°时的54.7°, 减小到θ=90°时的35.3°), 而与先存面理之间的夹角逐渐增大(从θ=0°时的54.7°, 增加到θ=90°时的125.3°); ③当先存面理与σ₁垂直时, 在σ₁左右两侧± 35.3°方向出现2个有效力矩的最大值, 也形成共轭的变形带, 但锐角(70.6°)对着σ₁方向。在主应变平面上变形带与先存面理方向及变形带剪切方向(左旋或右旋)已知的情况下, 可以确定最大主压应力方向。泛最大有效力矩准则克服了最大有效力矩准则与滑移线理论不相容的问题, 可以解释大多膝褶带非共轭发育等多种现象, 预期在韧性变形域中具有广阔的应用前景。      

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.     

肃北县德勒诺尔铁矿区构造应力场分析

本文以德勒诺尔铁矿区发育的节理为研究对象,在约20ｋｍ²的研究区内布置了93个观测点,在野外共观测三百余组节理,采用数学统计方法,对节理进行分期配套,确定区内主要发育3组高倾角平面X剪节理,通过节理之间相互错断、限制关系对节理期次进行配套分析,并对不同期次构造应力场形成的共轭剪节理进行了研究,利用吴氏网绘制各观察点的主应力图解,获得各点应力轴（σ₁,σ²,σ₃）的产状。研究得出本区第1次构造应力场最大主压应力轴（σ₁）的优选产状为181°∠8°,中间应力轴（σ²）为141°∠81°,最小主应力轴（σ₃）为89°∠5°,可能是区内的主体构造格架的动力来源,在区内形成了近ＥＷ向的复式背斜及叠瓦状逆冲断裂。第２期构造应力场最大主压应力轴呈NE—SW向,最大主压应力轴（σ₁）的优选产状为250°∠12°,中间应力轴（σ²）为56°∠78°,最小主应力轴（σ₃）为143°∠11°,为区内形成NW—NWW向展布的逆冲断裂的主要动力来源。第３期构造应力场最大主压应力轴呈NNW—SSE向,最大主压应力轴（σ₁）的优选产状为344°∠3°,中间应力轴（σ²）为79°∠80°,最小主应力轴（σ₃）为252°∠13°,可能为区内ＮＷ、ＮＥ向展布的张性断裂的主要动力来源。研究总结了区内不同期次构造应力场的特征,并对动力来源进行了初步探讨。     

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。     

大兴安岭呼中火山岩区中生代古构造应力场初探

大兴安岭火山岩带北段呼中火山岩区,在中-晚侏罗世时期,最大主压应力轴方向为NW266°~316°,早白垩世最大主压应力轴为NE12°~50°,显示侏罗纪与白垩纪应力场的应力状态是截然不同的,但都处于拉张环境下。中-晚侏罗世由于NNE-SSW向的拉伸应力场的作用,在本区北部发生构造岩浆活动,形成了上黑龙江断陷盆地如NWW向展布的劲涛-蒙克山中基性火山喷发带,派生的NEE向张扭性应力使前中生代基底构造重新活动,形成大面积火山喷发。而早白垩世在NE-SW向拉伸应力场作用下,"额尔古纳地块"东部形成拗陷带,火山基底构造为NE-NNE向。      

哀牢山韧性平移剪切带的特征

标志冈瓦纳古陆向华夏古陆俯冲的云南中西部哀牢山古俯冲带,在始新世—渐新世、中新世—上新世时转化为右旋韧性平移剪切带。计算的剪切带的最大应变值(γ)为12.6,角应变(φ)为85.5°,获得的塑性应变的应力场有两期:第一期,主压应力(σ_1)方位为3°/49°,应力张量为-1.575;第二期,主任应力(σ_1)方位为252°/1°,应力张量为-0.876,流动应力值最高达389MPa。     

山东蒙阴常马走滑式韧性剪切带控矿研究

山东省蒙阴县常马韧性剪切带构造岩具有明显的分带 ,由中心向两侧依次为超糜棱岩带、糜棱岩带、初糜棱岩带和糜棱岩化片麻岩带。构造岩中的韧性变形显微组构极为发育。糜棱叶理产状为 2 0 8°∠ 74°,线理产状为 115°∠ 2°,显示了该韧性剪切带具走滑剪切的特征。该韧性剪切带形成时 ,差应力值为 5 2 .6 7MPa ,形成时古应力方位为σ1=73°∠ 2°。位于该韧性剪切带中心的超糜棱岩带 ,金元素明显富集 ,构成金矿体。综合研究表明 ,韧性剪切作用控制了金矿体的形成与分布 ,因此常马金矿床是一同韧性剪切带型金矿床     

宁夏中西部香山—天景山地区逆冲推覆构造的特征及演化

宁夏香山-天景山地区逆冲推覆构造由天景山北麓断裂带(主滑脱断裂)和香山-天景山冲断席(可分为9个次级逆冲推覆岩席)组成,推覆岩席前端为一系列形态相似的铲式叠瓦状逆冲推覆断层,构造变形强烈;岩席内部构造变形相对较弱.整个推覆构造带主要遭受了燕山期和喜马拉雅期挤压逆冲推覆作用,燕山期主压应力σ1方向为44°,由南西往北东推覆,总位移量26.6km;喜马拉雅期主压应力σ1方向为75°,由南西西往北东东逆冲推覆,晚更新世以来还兼有左行走滑,总位移量大于4km.     

哈达门沟金矿床构造应力场演化及控矿规律分析

以矿区构造节理统计分析为基础,结合矿区地质特征及区域构造演化,分析了哈达门沟金矿区构造控矿特征及应力场演化。认为山前"钾化带"与矿体就位直接相关,它沟通了复式褶皱核部的隐伏岩体与浅部节理,并成为流体运移的主要通道。与成矿控矿有关的构造应力场可分为四期:第一期变形在新太古代的乌拉山旋回,最大主应力σ1方位15°～195°,共轭节理为NNW和NE向;在成岩、变质作用同时进行下除形成了区内透入性的强塑性叠加小褶皱外还有整体上的大型复背斜。第二期构造应力场作用时间在晚古生代,σ1方位约在160°～340°,形成近SN和NE向共轭节理和西侧的大桦背岩体,这一期有局部的矿化现象;前两期应力场形成了轴向近EW向的叠加褶皱、断裂和两期共轭剪节理等成矿前主要构造。第三期应力场处于主成矿期,变形为燕山运动中、晚期构造,σ1在290°方位近水平扭压,形成EW和NW向共轭剪节理;张扭性应力场使近EW向的节理弯曲变形,并形成追踪张节理,这两类裂隙成为主要的矿液通道及容矿空间。第四期构造应力场应在晚燕山运动及以后,为成矿后构造变形,σ1近直立,整体抬升使矿脉遭受剥蚀而出露地表。     

胶南隆起北缘中段左行正滑韧性剪切带研究

在详细的野外地质填图的基础上,通过各种尺度的构造研究和系统的应变测量,确定了胶南隆起北缘中段的大型左行正滑韧性剪切带的存在及其延展范围,并提出了确定韧性剪切带边界的构造几何学准则。研究了该韧性剪切带的几何学和运动学特征及变形机制,估算了其剪切位移量(大于7557m)及形成时的差异应力(σ_1-σ_3=94.6～114.4MPa)。该韧性剪切带可以作为胶南隆起的北部边界,但不是重要的板块碰撞边界。     

云开地块西北缘三堡韧性剪切带变形特征及~(40)Ar-~(39)Ar年代学研究

博白-岑溪断裂带位于云开地块西侧,本文通过野外地质调查、有限应变测量、运动学涡度分析及~(40)Ar-~(39)Ar年代学研究定量查明了其北东段岑溪市三堡镇一带的韧性变形特征。研究表明三堡韧性剪切带付林指数K为0.07～0.60,罗德参数ν为0.25～0.86,变形强度Es为0.34～0.73,属平面压扁型应变;运动学涡度值Wk为0.75～0.95,属以简单剪切为主的一般剪切;古差应力值σ为16.7～122.0 MPa;是在印支早期(231.9±2.2 Ma)造山环境,绿片岩相条件下形成的具右行走滑-逆冲性质的剪切带。这一成果为研究云开地区构造演化过程提供了新证据。     

准噶尔盆地南缘褶皱-冲断带变形特征及成因机制模拟

准噶尔盆地南缘褶皱-冲断带发育于北天山和博格达山北侧的准噶尔盆地南部的山前地区,构造变形具有明显的横向分带、纵向分段、垂向分层特征,其主控因素在于挤压应力的作用方式和滑脱层的空间分布规律。西段受北天山斜向挤压应力作用影响,发育北西西向四排雁列式褶皱-冲断带,构造变形样式为基底卷入式厚皮构造和盖层滑脱式薄皮构造,变形过程受侏罗系煤层和白垩系、古近系高塑性泥岩层等多滑脱层控制。滑脱层及其上覆岩层厚度决定变形的强度和应力向前传递的远近程度,厚度越大,褶皱变形强度越大。东段受博格达山正向楔冲挤压应力作用影响,发育近东西向向北凸出的弧形基底卷入式褶皱-冲断带,滑脱构造不发育。根据构造变形特征和相似理论,利用沙箱模拟实验分别对正向挤压和15°、30°、45°等斜向挤压平面变形进行了模拟,结果表明正向挤压和15°斜向挤压是形成东段和西段变形特征的主控应力条件,并设计了斜向和正向挤压组合边界平面模拟实验进行了验证,合理地解释了东、西段构造变形的差异。利用双滑脱层剖面模型实验对西段四排褶皱-冲断带的演化过程进行了模拟再现。     

云南大坪金矿床控矿断裂受力机制分析

本文通过断裂带构造形迹和结构面力学性质分析、节理统计以及定向薄片显微分析,采用岩组分析法和石英变形纹费氏台测量,测得成矿前期i应力σ_1的产状为NE45°±5°,侧伏角为40°±5°;成矿期主压应力为NW70°±5°,侧伏角35°±5°;成矿期后主压应力转变为SE20°左右,侧伏角约45°。研究表明,成矿期NW向断裂具张扭性,为最佳容矿构造     

新世纪构造地质学两大支柱理论: 最大有效力矩准则与变位形分解

传统构造地质学用摩尔-库伦准则和贝克尔的应变椭球体理念分别解释地壳中的脆性断层和塑性变形,将变形局部化的韧性剪切带形成解释为平行应变椭球体的圆切面,却无法解释变形局部化的共轭剪切带稳定夹角~110°面对应缩短方向。变形局部化是独立于脆性和塑性变形外的变形领域,受最大有效力矩准则控制。20世纪末提出的变位形分解理念,摆脱连续介质力学的束缚,合理地说明广泛存在的走滑断层平行俯冲带或逆冲断层带。非均匀变形和非连续介质力学理念的建立,为地质学与力学的结合开辟了新的前景。文章试用上述两理念概略分析中国和邻区中新生代构造格局,以期引发讨论。      

碧口地块东南缘韧性剪切带构造特征浅析

碧口地块东南缘发育多条倾向不同、呈NEE走向逆冲平行展布的韧性剪切带,地质信息丰富,对碧口地块构造特征解析意义重大.为探讨地块东南缘韧性剪切带的地质构造特征,对剪切带中发育的糜棱岩化绿泥石英片岩、糜棱岩进行了野外观测、显微组构和石英c轴组构分析,估算了剪切带变形温度、差应力、应变速率及运动学涡度.结果显示,韧性剪切带变形温度介于300～500℃C之间,形成环境大致为高绿片岩相到低绿片岩相;差应力值大多集中于100～350 MPa,较一般韧性剪切带的差应力值(20～200 MPa)略高;应变速率介于4.12×10-21～4.33×10-14 s-1,符合一般韧性剪切带的应变速率.越接近青川断裂,不同韧性剪切带的变形温度、差应力值及应变速率值越大,显示碧口地块东南缘韧性剪切带的剪切中心为青川断裂带.利用石英c轴组构结合斜交面理法及石英c轴组构结合有限应变法所计算的韧性剪切带运动学涡度值绝大多数大于0.75,显示剪切带变形类型主要以简单剪切为主.地块东南缘韧性剪切带呈左行剪切的运动特征,反映了印支期造山作用下华南和华北板块碰撞后华南板块继续顺时针旋转、碧口地块呈楔形与扬子陆块区及秦—祁—昆造山系汇聚碰撞的地质过程.     

三轴不等应力场下剪切破裂趋势面方向探析

文章在弹性力学和库仑-摩尔破裂理论基础上,用数学解析方法剖析三轴不等应力状态,以及三轴全拉、三轴全压和最大最小主应力一拉一压三种情况下,斜截面上剪应力与抗剪阻力之差——"剪切差函数"的极值。进而探讨了剪切破裂趋势面方向与三主应力轴,及岩石(体)内摩擦角φ和内聚力C的关系。给出了不同应力状态下发生剪切破裂面的可能方向。在全压状态下,剪切破裂趋势面与最大主压应力轴夹角γ=±(45°-φ/2),即共轭角χ=±(90°-φ)。在一拉一压状态下,±(45°-φ/2)≤γ≤±45°,具体数值视拉主应力与压主应力比值确定。以上三种不等主应力下的剪切破裂面都是平面,且平行于中间主应力轴。构造拉张力的存在是无可争议事实,通过一拉一压状态下剪切破裂面趋势面分析,给出了构造地质实践中为什么有时剪切面共轭角χ>±(90°-φ),甚至接近90°的理论分析。