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。     

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。      

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。     

印度西北部特提斯带下泥盆统Muth组共轭、碎裂变形带：前喜马拉雅变形构造证据

喜马拉雅构造演化研究主要集中在第三纪印-亚碰撞而产生的变形和运动。而前喜马拉雅变形幕却少有记载,主要是根据岩石地层的异常,如构造不整合和构造沉降速率的变化来推断。近年来,对可能的前喜马拉雅变形构造及其对喜马拉雅第三纪动力演化的影响的研究逐渐升温。新近研究了印度西北部斯匹提Pin谷的下泥盆统Muth组石英岩中的变形带及下伏上奥陶—下志留统Pin组白云岩中具同一方向的剪切节理。Muth组是高喜马拉雅构造单元的特提斯带的一部分,从巴基斯坦到不丹都能追索到。薄片分析表明,Muth组的变形带形成于成岩早期、孔隙消失之前。变形机…     

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。      

孔隙性砂岩中单条变形带与簇状变形带的特征与区别——以远安地堑上白垩统红花套组中变形带为例

孔隙性砂岩中的变形带研究近年来取得长足进展,但有关单条变形带与簇状变形带如何区分和界定仍是一个较模糊的问题。本文以远安地堑上白垩统红花套组高孔砂岩中发育的剪切增强压实带和压实剪切带为例,对单条及簇状变形带的特征和区别做出系统分析。研究表明,虽然单条变形带的长度、宽度、错断位移、凸起高度等均明显小于簇状变形带,但是不同运动学成因的变形带宏观特征、微观结构不同,因此不能单纯以规模大小区分二者,需要结合带密度将簇状变形带与变形带列、网格构造等相区分,还需要结合其微观结构特征进行准确鉴定。单条及簇状剪切增强压实带特征类似,均不具核心碎裂带,颗粒主要为中等破碎,多表现为多个不连续分布的碎裂核。簇状剪切增强压实带内部的非均质性更强。单条压实剪切带具有核心碎裂带,依剪切力大小不同,其核心碎裂带内颗粒粉碎程度及边缘过渡带宽度不同,常伴随微小剪切缝痕迹。簇状压实剪切带在镜下可清晰识别出不同的核心碎裂带、带间区域及微小剪切缝,可见S—C组构和断续分布的滑动面。单条及簇状变形带的发育会不同程度地改变储层的物性并可能会对油气运移和开采产生影响。     

孔隙性砂岩中单条变形带与簇状变形带的特征与区别——以远安地堑上白垩统红花套组中变形带为例

孔隙性砂岩中的变形带研究近年来取得长足进展,但有关单条变形带与簇状变形带如何区分和界定仍是一个较模糊的问题。本文以远安地堑上白垩统红花套组高孔砂岩中发育的剪切增强压实带和压实剪切带为例,对单条及簇状变形带的特征和区别做出系统分析。研究表明,虽然单条变形带的长度、宽度、错断位移、凸起高度等均明显小于簇状变形带,但是不同运动学成因的变形带宏观特征、微观结构不同,因此不能单纯以规模大小区分二者,需要结合带密度将簇状变形带与变形带列、网格构造等相区分,还需要结合其微观结构特征进行准确鉴定。单条及簇状剪切增强压实带特征类似,均不具核心碎裂带,颗粒主要为中等破碎,多表现为多个不连续分布的碎裂核。簇状剪切增强压实带内部的非均质性更强。单条压实剪切带具有核心碎裂带,依剪切力大小不同,其核心碎裂带内颗粒粉碎程度及边缘过渡带宽度不同,常伴随微小剪切缝痕迹。簇状压实剪切带在镜下可清晰识别出不同的核心碎裂带、带间区域及微小剪切缝,可见S—C组构和断续分布的滑动面。单条及簇状变形带的发育会不同程度地改变储层的物性并可能会对油气运移和开采产生影响。     

饱和砂土局部变形带模拟的有限元数值实现

基于有限变形理论,推导了Newton-Raphson 迭代算法在k+1步增量表达的矩阵形式,实现了饱和砂土变形局部化的有限元数值计算,得到了饱和砂土发生局部化变形的准则。基于Galerkin 方法,得到了位移场和应力场的空间离散化矩阵方程;由土体局部变形带的连续性条件,引入第1切线算子,推导出了砂土等颗粒状媒介发生局部化变形的必要条件。基于此核心算法,编制了有限元计算程序,模拟了饱和砂土在不排水条件下平面压缩过程中剪切带的形成与发展;通过比较分析,研究了有限元网格粗细对于土体局部变形带的影响,结果表明,网格粗细的病态依赖只是微小的,它只与变形条带的宽度有关,对于土体所表现出来的其他力学特性没有影响。     

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。     

新疆巴楚地区共轭膝折带的物理模拟研究

本文以塔里木地区巴楚隆起地层及构造为原型,设计了3层结构模型:底部为黄油层,作为滑脱层;中间为黏土层,模拟该地区膝折发育的地层;上部为细砂层,模拟上部松散沉积.研究了挤压速率、黄油层厚度、砂层厚度等因素对共轭膝折带形成的影响,对共轭膝折带的形成和演化阶段进行分析.结果表明:形成膝折带的有利条件是较厚的基底滑脱单元、上覆...     

关于构造带变形能的有限元法数学模拟

本文是在同一外力和边界及岩石力学性质条件下,用有限元数学模拟的方法研究不同构造变形带内部变形能的差别和分布问题。形状改变能（或称歪变能）ＵＷ比体积改变能（或称体变能）ＵＴ大将近一个数量级,ＵＷ、ＵＴ和构造变形能ＵＢ在挤压、剪切和引张变形岩带中总体依次逐步变小。ＵＷ和ＵＢ大致呈较大→大→小的变化,而ＵＴ却呈大→较大→小的趋势性变化。利用构造变形能这种规律,结合构造附加静水压力研究,进而探讨构造变形热及其影响流体运移等问题。     

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.      

新生地震构造带——马边地震构造带最新构造变形样式的初步研究

以雷波地区为例,通过野外地质地貌调查,结合探槽技术以及年代测试结果,获得了有关马边地震构造带最新构造变形样式及其性质的初步认识。研究结果表明：马边地震构造带内的雷波地区存在一条北东东向雷波断裂带,它断错的最新地层时代在40ka左右,属晚更新世活动断裂;在活动性质上,为一条以右旋走滑运动为主的断裂。北北西向玛瑙断裂在第四纪风化壳中存在两次突然位错事件,在剖面上的错距分别为0.5m和>0.7m;最新错动面产状陡立,存在水平左旋位错的构造地貌证据。马边地震构造带上北东东向断裂与北北西断裂不是一种从属关系,而是在现代构造应力场条件下两组呈共轭关系的剪切断裂,它们代表了马边地震构造带最新构造变形样式,具新生性。马边地震构造带的破坏性地震以中强地震为主,具有频度高、成带性差等特点,这符合共轭状构造变形样式可能引起的地震活动特征。马边地震构造带位于青藏高原东缘南部,初步分析表明：一种受重力作用控制的中下地壳塑性流展模型,可以对该地区包括大凉山断裂带、安宁河断裂带以及鲜水河断裂带在内的断裂构造的活动习性做出较合理的解释。伴随着高原内部中下地壳物质持续向外流展,高原边界向外扩张形成新的边界,并表现为一条新生地震构造带。     

内蒙古固阳县席麻塔一带共轭剪切带的地质特征及形成机制

通过区调填图在内蒙古固阳县北山新太古代石英闪长岩和中元古代英云闪长岩中发现了韧性剪切带.通过野外调查、应变测量及显微构造、电子探针等方法研究表明, 该韧性剪切带为两组呈共轭组合型式产出, 形成机制与西伯利亚板块和华北板块相互挤压作用有关, 为在地球较深层次、在压扁环境下的简单剪切, 形成时代为中元古代末期, 变质相为绿片岩相.      

辽宁省新宾县徐家堡子韧性变形变质带的特征及变形变质作用

徐家堡子地区以黑云英云闪长质片麻岩（２．４７Ｇａ）为围岩的上壳岩（＞２．９８Ｇａ）包体中,发育几条近东西走向的韧性变形变质带（２．７Ｇａ）。研究表明,该韧性变形变质带在平面和剖面上均呈舒缓波状,发育糜棱叶理、矿物线理和Ｓ－Ｃ组构。带内的糜棱片麻岩矿物成分复杂且多世代矿物共存。变形前以石榴石、黑云母、斜长石和石英矿物组合为代表,形成温度为５００～５２０℃,压力为０．４ＧＰａ;韧性变形同期以夕线石、石榴石、石墨、黑云母、斜长石和石英矿物组合为代表,形成温度为６３０～７００℃,压力０．５８～０．７２ＧＰａ;变形期后以十字石、石榴石、斜长石和石英矿物组合为代表,形成温度为５８６℃。形成了一条顺时针演化的ｐＴｔ轨迹。这种复杂的糜棱片麻岩是多期变形变质作用叠加的结果。     

鄂西白垩纪远安盆地的变形带构造

鄂西白垩纪远安盆地中大量发育变形带及其密切相关的断层,主要分为两期,早期为带有正断性质的北北东向组变形带及简单的正断层,形成在同沉积或早成岩阶段,而晚期为带走滑性质的北-南向组和北东向组变形带及复活断层,形成在白垩纪以后.根据实测的共轭变形带和断层滑动数据,古应力分析的结果表明,早期为北西西-南东东向拉张的伸展状态,而...     

山东仰口地区超高压变质岩混杂带的组成及其构造变形

从构造岩石角度将山东青岛仰口地区发育的超高压变质岩混杂带划分为构造整合单元和构造混杂单元两个组成部分,对不同单元的岩性组成及其超高压变质特征进行了描述。着重对不同构造单元中的构造变形期次进行了划分。总结了不同期次构造变形的宏观及微观特征。结合苏鲁超高压变质带在区域上构造变形期次的研究情况,初步提出形成仰口地区超高压变质岩中各种构造形迹的构造模式,并对它们所反映的仰口超高压带形成和折返的构造意义进行了探讨。     

韧性剪切带的变形分域现象——以辽东的丹东韧性剪切带为例

丹东韧性剪切带的实例表明:韧性剪切带的持续变形包含了共轴与非共轴两种应变线路或状态,由于分布的不均匀性,导致变形分域现象,形成平面的变形岩石分区。持续变形过程中,又存在应变线路的转换和叠加。微构造是确定变形体制的主要依据。野外观测与应变分析证实,变形分域存在于不同尺度,在总体剪切(非共轴)变形条件下,初始糜棱岩往往表现以共轴变形占优势,而糜棱岩和超糜棱岩则以非共轴变形为主。持续变形导致从共轴向非共轴转变,最后形成后者的主体地位。     

兴蒙造山带西南缘早古生代晚期变形带的变形特征与白云母Ar-Ar年龄

在内蒙古西部图古日格地区发现东西向延伸约20km、南北宽约2~4km的变形带,由奥陶纪白云山组石英片岩、白云母石英片岩、片理化大理岩和石英砂岩组成。片理稳定倾向南东,但透入性不均,从北向南可分为四个强和弱变形亚带。石英组构分析表明强变形带中发生了动态重结晶向静态重结晶的转变。据石英组构推测强变形亚带的变形温度范围约为350~500℃之间。这一温度区间高于或近于白云母的封闭温度,因此白云山组强变形带中白云母的年龄可以代表变形年代。采自强变形亚带白云母的Ar/Ar等时线年龄为440.3±7.2Ma。考虑到样品所在地构造位置为造山带的弧前或岛弧地区,是板块俯冲作用的高应变带,因此该年龄应代表与俯冲有关的挤压变形事件的发生时代,即反映早古生代末期造山作用的时代。这条变形带的发现为解释图古日格地区造山带格局提供了构造变形方面的证据。研究区变形带的形成时代与温都尔庙地区高压变质事件在误差范围内相同,表明两个地区都受到早古生代末期造山作用的影响,也表明兴蒙造山带的南造山带从西部图古日格地区向东沿延至温都尔庙地区。     

最大有效力矩准则约束下的广西罗阳山地震、地质与地貌效应

使用重新调查后的1936年灵山6?级地震的烈度资料,结合罗阳山西北麓和南麓的河流地貌与地质构造考察,参考该地区裂变径迹年代学资料,探讨了罗阳山地区的地质力学环境。重新调查后的极震区等烈度区有北北西和北东2个优势方向区域,这2个区域围绕北北西向的泗州断层和北东向的寨圩断层展布。在构造与地貌调查中发现:罗阳山山体有地貌隆升表现,并得到了裂变径迹证据支持;罗阳山西北麓山前冲沟具右旋活动表现;泗州断层内部破裂面的倾向以南西向为优势方向,并具顺时针旋转和高倾角特征。地震分布显示:寨圩断层和泗州断层交汇部位的东南侧有小地震密集展布现象。经分析后认为,以上构造地貌现象是最大有效力矩准则约束下的地震、地质和地貌效应。