地壳深部“重力-构造力复合压力状态”研究和大别——苏鲁超高压变质形成深度的测算

讨论了地壳深部岩石处于"重力-构造力复合的静水压力模型"。此模型的基本认识为,地壳深部压力是由重力应力和构造应力引起的两部分各向等应力合成的,构造应力场的静水压力部分被称为"构造附加静水压力"。遵循这一认识,需要从总静水压力中先去掉构造附加静水压力,进而用构造校正[深度=重力引起压力/(总压力-构造附加的压力)]的方法,进行形成深度的测算。考虑岩石作为黏弹性体的应力-应变关系,作者用黏弹性本构方程,获得大别地区英山县含柯石英榴辉岩的成岩深度≥30km,安徽岳西碧溪岭地区含柯石英榴辉岩深度为23~53km,河南新县地区的含柯石英榴辉岩成岩深度为36~40km。再进一步用变质深度的流变学公式,在黏性系数0.2×10~(23)条件下,推算出超高压变质岩形成深度约50~55km。可见,大别超高压变质岩形成深度介于23~55km,而不是前人认为的超过100km甚至更深,由此,"深俯冲-折返"模式需要科学的论证。本研究为高压-超高压变质的"构造增压壳内成因"提供了一些依据。     

重力和构造力在地壳中的作用

本文对于“上覆岩石重力数值等同于静水压力数值”的认识提出了新的看法，地壳中应力场Ｔ可以看成是一个静水压力Ｐ和一个差应力σ的复合、则静水压力Ｐ是由重力附加静水压力ＰＲ和构造力附加静水压力ＰＳ两者叠合而成，而不仅仅是来自上覆岩石的总重量，有限元模型计算表明，在同样外力条件下，从挤压变形带，剪切变形带到引张变形带中的各带构造附加静水压力值呈降低变化，即ＰＣ〉ＰＺｈ〉Ｐｔ，因而构造附加静水压力得造成局部静     

一种构造应力与重力复合作用下的表生构造十字星构造

研究表明 ,十字星构造是构造应力和岩体重力复合作用的产物 ,是一种发生在陡倾岩层临空部位的表生构造。同时 ,文章给出了这种小型构造规模大小的计算公式。     

地壳的应力状态、构造附加静压力和岩石矿床形成深度的研究

本文对深度计算公式：D=P/d（式中D为深度,P为压力,d为密度）的应用提出质疑。该公式源自一个流体力学原理,即描述静流体中压力与深度关系的帕斯卡原理,所以只适用于流体。如果物质是一种固体,而不是液体或气体,它可以承受剪应力或差应力,则这一公式就不能应用。所有岩石,从出露地表深至核幔边界,都是固体。当外力作用于固体单元上时,固体的应力场存在两部分：均应力和差应力,不论外力是构造力还是重力。而当外力作用于液态物质时,在这个液体应力场中则总是只有均应力而无差应力。地应力测量结果表明,作用于垂直截面上的水平应力通常大于作用于水平截面上的垂直应力,而且越靠近造山带或剪切带,水平应力越大,显示构造力在地壳应力场中起某种主导作用。事实上推动板块运动的力主要是水平的,而非垂直的。地壳中某处的总静压力至少由两部分合成：由构造引起的压力和由重力引起的压力,前者称构造附加静压力。合理计算成岩成矿深度的方法,应该是从总压力中减去构造附加静压力,再除以岩石比重,即D=（P-Pt）/d,式中Pt为构造附加静压力。     

影响地下应力状态的构造作用

成岩成矿的外部条件中压力是很重要的因素.地下岩石所受的压力不仅来自上覆岩石的重力,而且来自构造力和热力及其它力.这些力合成一个三轴不等的应力状态,相当一个以最短轴为半径的球状应力迭加一个差应力.前者影响成岩成矿和变质作用,后者控制岩石变形和组构的变化.通过三维应变应力测量,这两部分力通过计算是可以区分开的,因而这将是建立地下深度测算新方法的一个基础.     

大别——苏鲁高压-超高压变质带的“构造增压壳内成因”研究

研究发现,高压-超高压变质岩基本都发育于全球或区域规模的大型构造带,产于强烈构造变形带中相对较弱应变的部位。苏鲁—大别超高压变质岩具有明显的构造变形,这成为追索构造应力-应变作用和探讨形成构造环境与演化过程的重要线索。本研究用成岩成矿深度的"构造校正测算方法",进行野外观察、岩石变形-应力测算及构造校正测算。其结果显示,超高压变质岩形成深度在23~55km之间。大别—苏鲁超高压变质岩的锆石SHRIMP年龄显示,具有环带的内核高压矿物年龄大于680 Ma,而其含柯石英幔圈里超高压变质矿物在(231±4)Ma形成,角闪岩相等退变质矿物形成在(211±4)Ma,可见超高压变质发生在陆缘和陆内的地质环境。综合研究其岩石矿物的Sr-Nd、O和He同位素含量,有力证明了岩石的壳内成因特征。深钻孔岩心的岩石矿物学系统显示,超高压变质岩及其几公里宽范围里的各类围岩普遍含有柯石英等高压-超高压矿物包体。上述实际资料,用超高压变质的"深俯冲-折返"模式已经不能得到科学的解释。本文提出大别—苏鲁超高压变质岩"构造增压壳内成因模式",认为这些超高压变质作用可能发育在陆内地块之间的强烈构造挤压环境。在230Ma左右,由于构造压力与重力压力叠加致使局部达到超高压及相应温度等条件,特别是当p≥2.8GPa时,变质的物理化学条件得到满足,可以在23~55km深处发生超高压变质作用,之后经应力松弛和拆离构造,岩石又逐步抬升并发生退变质作用。也可以说,该超高压变质岩具有构造物理化学成因。     

大别-苏鲁构造带三叠纪碰撞缝合线的位置

大别－苏鲁构造带内超高压（UHP）和高压（HP）变质岩石的分布和不同构造岩石单位间的关系表明, 三叠纪中朝与扬子克拉通碰撞及超高压和高压变质岩石形成时的古缝合线, 位于大别地块的北缘, 沿八里畈－磨子潭－晓天一线展布, 在苏鲁地区, 五莲－烟台断裂代表被强烈改造了的古缝合线的位置.大别山北部霍山县与岳西县交界地区以及舒城、桐城和潜山县交界地区UHP和HP单位岩石的大面积分布, 说明水吼－五河断裂不是UHP和HP榴辉岩相岩石的北限, 因而, 不代表缝合线位置, “南大别”与“北大别”地体的划分地质意义是不明确的.同时, 大别山北部的镁铁质及超镁铁质岩石块体群, 包括变形的方辉橄榄岩、纯橄榄岩组合及未变形的辉石岩、角闪辉石岩和辉长岩组合, 前者与榴辉岩相岩石有相同的变形变质及几何学特征, 后者是燕山期侵入体（123~130Ma）, 因此, 不是“变质蛇绿混杂岩”, 也不代表三叠纪陆－陆碰撞时期古缝合线.强调指出, 准确地鉴别三叠纪碰撞缝合线位置, 是正确理解UHP和HP岩石形成及折返动力学过程的关键.      

地质学中的压力与深度关系讨论:颗粒尺度压力差到岩石圈构造超压研究新进展

地质学中普遍采用的压力与深度转化方法是基于阿基米德定律,该定律适用于重力场中的静流体压力条件下的压力与深度关系。然而,由于岩石圈的高黏度与各向异性特性和构造差应力作用,决定了岩石圈内的压力分布和应力分布受多种因素影响。基于近期新发表的研究成果,介绍了从颗粒尺度压力差到岩石圈构造超压研究新进展,讨论了地质学中的压力与深度关系问题。近期研究表明,与静压状态下获得的压力分布与深度关系相比,在差应力条件下获得的变质反应压力和相变压力要复杂得多。在差应力条件下,从微观尺度的变质反应和岩石颗粒间尺度到不同地质体之间、地壳内部构造带和岩石圈尺度都存在局部压力非均匀分布(构造超压)。在强烈隆升的高原地区,在高程差的重力势作用下也可以出现构造超压。这种压力非均匀的存在决定了变质反应压力和矿物相变压力不等同于静岩压力。热-力学耦合数值模拟结果显示,由于偏应力作用,在大陆碰撞造山带42km深度,构造超压达到2.2GPa,局部压力达到3.4GPa,远高于平均静岩压力。由此推测,在40~50km深度,就有可能出现高压-超高压变质作用。因此,根据变质反应和矿物相变确定的压力不能直接换算成岩石圈深度。     

含柯石英榴辉岩形成深度的构造校正测算

应用透射电子显微镜(TEM)对大别地区英山县含柯石英榴辉岩、石英榴辉岩及石榴角闪岩中石榴子石进行研究,结果表明在强塑性变形的三类岩石中,石榴子石的超微构造特征存在明显差异。在含柯石英榴辉岩中的石榴子石位错密度比角闪岩中的低。修正石榴子石材料系数α为0.25,用石榴子石位错密度估算了相对差异应力值,并讨论了在超高压榴辉岩形成和退变质过程中各阶段的变质条件。根据石榴子石位错密度测定的差异应力,结合石榴子石的变形测量,恢复构造三维主应力及构造附加静水压力值P_S,从柯石英相的转变压力P中减去构造附加静水压力值P_S后,利用单纯由重力引起的静水压力值P_G换算上覆岩石的重力和厚度,获得大别超高压变质带含柯石英榴辉岩形成深度仅为 ≥ 32.09~32.11km.因此提出,该含柯石英榴辉岩是在这一地壳深处(或稍深一些)受强烈构造作用形成的新认识。同位素资料分析表明,大别地区榴辉岩系地壳成因,这对于榴辉岩是壳内产物的认识提供了进一步证据。      

油气形成的力化学作用--油气地质理论思考之一

传统油气地质学认为构造作用主要控制含油气盆地的沉积和油气的运移聚集,而烃类形成演化的能量主要是热能。近年来,越来越多的地质和地球化学资料显示,构造活动对有机质直接成烃的力化学作用在成烃过程中举足轻重,从而引起高度重视。在地质和地球化学资料基础上,结合高分子力化学分析,阐述了力化学作用的基本特点,沉积盆地中应力分布、成烃力化学作用方式、反应类型、影响因素和实验证据以及力化学作用与油气分布,以推进油气     

洞室开挖卸荷作用下岩体裂纹动态应力强度因子分析

在线弹性变形假设的情况下,以龙滩水电站地下厂房开挖为例和以ANSYS数值计算软件为平台,计算了在爆破荷载和初始地应力卸荷荷载作用下岩体裂纹的动态应力强度因子。计算表明,在中高地应力地区的爆破破岩过程中,虽然炮孔附近的裂纹扩展和岩体损伤主要由爆破荷载引起的,但岩体初始地应力的动态卸荷可能是引起保留岩体中远区松动及原有裂纹扩展的重要因素之一。     

SRC rock mass classification of tunnels under high tectonic stress excavated in weak rocks

This paper describes the application of the SRC rockmass classification system to tunnels under high horizontal tectonic stress excavated in weak rocks. The analysis was performed on 25 tunnels in Spain and Italy, for which it was found that much heavier supports than those estimated by the RMR index were required. SRC and RMR indices and other relevant geomechanical data were obtained during the site investigation and construction stages. Data corresponding to in situ stress measurements, analysis of tectonic structures and instability problems arising during construction were used to asses the state of stress.

The relationship between tunnel section convergence and the SRC and RMR indices was also analysed. Support measurements based on SRC and RMR classification were compared with those actually used during construction. These analyses indicate that for most of the tunnels examined, supports estimated using the SRC were much closer to those actually installed than those predicted by the RMR index.

Based on the case histories presented, the factors mainly contributing to deformability and consequently to assessing support measurements were: high horizontal tectonic stress, low strength of rocks, overburden thickness and structural anisotropy related to tunnel axis orientation. According to these factors, the tunnels investigated were classified as three types. Tunnels classed as type I were those of low overburden thickness under high horizontal tectonic stress excavated in low strength rocks. The supports installed for these tunnels were much heavier than those predicted by the RMR index, being more in line with those indicated by the SRC index. The type II tunnels had thick overburdens and showed similar stress and strength conditions to the former. The supports installed were practically those foreseen by the SRC index, appreciably differing with respect to the RMR index. Finally, tunnels included in the type III class were those under low to moderate tectonics stress, irrespective of overburden thickness. These tunnels gave rise to RMR and SRC indices that provided acceptable results.     

复杂应力条件下围岩破坏的细观特征研究

在地质环境下,岩石表现出众多复杂的工程特性和现象,且都与其内部微细结构的形态和变化有关。定量给出岩石细观结构特征参数并研究其与宏观力学作用之间的关系,能够进一步了解岩石的力学变形特性。对某水电站引水隧洞围岩大理岩试样破坏断裂断口采用电镜扫描,得到断口处的SEM大量信息,然后利用计算机图像处理分析技术,借助模式识别理论,以微细结构要素的信息提取和量化为主要的研究内容,探讨了岩石微细结构与宏观力学行为的关系。通过定量的岩石细观结构试验研究,从细观尺度了解岩石破坏机制具有重要意义,对分析和评价岩石的工程性质及其对工程建设的适应性也有着明显的现实性。     

爆炸荷载作用下中隔墩应力场的影响因素分析

针对影响中隔墩动应力分布的各种因素，包括中隔墩的宽度，力学参数，两侧岩体的爆破开挖顺序等，分别建立不同的有限元计算模型，利用ANSYS5．5．2有限元分析软件对中隔墩在爆炸荷载作用下的应力分布情况进行了计算,分析，还对沿中隔墩高程分布质点振速的放大效应进行了讨论，结果表明中隔墩的宽度，力学参数，两侧岩体的爆破开挖顺序对中隔墩的应力分布均有很大的影响，实际施工中应对这些因素进行严格控制，以确保中隔的安全与稳定。     

非均衡河道高程剖面及其蕴含的构造活动信息

活动造山带的河流水系深受区域构造活动影响,记录了丰富的构造活动信息。水力侵蚀方程将构造抬升、河流侵蚀与地形变化相结合,使得可以从河流高程剖面中恢复区域的隆升历史。传统的研究主要利用稳态方程计算河道陡峭系数来表征区域隆升的空间分布特征。随着数学物理方法和计算机技术的发展,越来越多的学者开展了对非稳态方程的研究。这些研究主要包括：1）依据裂点溯源迁移模型,计算裂点迁移速率（包括垂直和水平分量）,以此估算流域的地貌响应时间;2）对于满足线性条件（河流侵蚀速率与河道坡度呈线性关系）的流域,求得线性非稳态方程的解析解,以此模拟区域隆升历史;3）对于非线性的情况,一般假设区域隆升速率不随空间变化,计算非线性方程的解析解,并据此判别不同时期的构造活动的信号是否可以被全部保留在河道上,即判断是否存在构造信息丢失。对于隆升速率随时间和空间均存在变化的情况,如何求解这一类方程,是一大难点,也是水力侵蚀模型今后的发展方向。

     

山西大同同忻井田岩体应力状态分析及其应用

为了分析同忻井田岩体应力空间分布特征及其与矿压显现的关系,利用地质动力区划方法对井田范围内的活动断裂进行识别和划分,以所划分的活动断块为构架,通过岩体应力状态分析系统计算确定了井田岩体应力状态,划定了高应力区、低应力区和高应力梯度区。结合矿压观测数据分析了矿压显现与岩体应力状态之间的关系,确定同忻井田矿压显现主要受到由活动断裂产生的高应力控制。研究结果可为同忻井田矿压显现预测及其控制提供指导。     

Instability of layered media under gravity stress

It is proposed to consider data both on the deep density distribution (gravity instability) and the bulk modulus of elasticity on estimation of the stability of layered mountain ranges. It is shown that an increase in bulk elastic rigidity with depth is the stable state of layered media in terms of energy in the field of gravity stress. In the tectonosphere, in which the moduli of elasticity are inverted (decrease) with depth, excess energy of elastic strain of volume change is generated by body forces, and it will determine the instability of the geologic medium.     

大型硬岩地下硐室围岩二次应力场特征弹脆塑性分析

结合某水电站硬岩地下厂房开挖,运用FLAC3D软件,对不同地应力环境中大型地下硐室开挖围岩的二次应力场的大小变化、分布特征及其对围岩稳定性的影响进行了三维弹脆塑性数值模拟分析.分析结果表明:①在低地应力环境中,顶拱浅部围岩σ1随开挖逐渐增大,σ2基本不变,σ3在顶拱开挖时迅速降低.而在较高地应力环境中,在顶拱开挖时,应力处于三向迅速卸荷状态;②无论在较高还是低应力环境中,边墙和底板浅部围岩的应力变化路径基本一致,开挖出露时,均处于三向卸荷应力状态;③较高地应力环境中的应力松弛区、集中区及围岩塑性区的分布范围和深度均比较低地应力环境中开挖要大(深);④开挖结束后,围岩的σ1平行于硐室轮廓线,而σ3指向开挖面;⑤硬岩大型地下硐室开挖,由于围岩浅部应力差迅速增大,岩体可能出现脆性破坏,甚至出现岩爆现象.     

管缝式锚杆在拉拔荷载作用下受力分析模型

建立了管缝式锚杆在拉拔荷载作用下的受力分析模型,该模型能够反映锚杆破坏的渐进过程。分析表明,在拉拔荷载作用下管缝式锚杆在荷载作用点最先发生相对滑移,且随着荷载的增加滑移段的长度逐渐增加,直到整根锚杆与围岩发生相对滑移。根据能量守恒原理得到了管缝式锚杆在安装入钻孔后对围岩径向作用力的计算公式。对管缝式锚杆进行了非局部摩擦分析,得到了基于非局部摩擦模型的管缝式锚杆界面剪应力分布。研究了管缝式锚杆直径对锚杆界面剪应力分布的影响,同时得到了锚杆最大抗拉拔力与锚杆长度之间的关系。将理论模型预测值与试验结果对比,验证了理论模型的有效性。