《构造地质学》教案.doc

1、构造地质学教案 第一章 绪论 一 、 研究内容及对象 1、构造地质学的定义 地质构造指的是组成地壳的岩层和岩体在地球内、外力地质作用下所发生的变形，从而形的成诸如褶皱、节理、断层、劈理以及其它各种面状和线状构造。 2、 构造地质学的 研究对象及两个概念的区别 研究对象 构造地质学的研究对象是地壳及岩石圈中的造现象、空间分布及形成原因。 structural geology 和 tectonics 的区别 构造地质学有两个分支，即 structural geology 和 tectonics，这种区别在欧美国家中实际不存在，在欧美国家中， structural geology 一词包含了所有的地

2、质构造，也包含了tectonics 的含义。而在前苏联和我国， structural geology 和 tectonics 两个单词则具有不同的含义，即 structural geology 指的是地壳内的中、小型构造，而 tectonics 则指的是包括岩石圈在内的区域大地构造，故在这些国家，将 structural geology 和 tectonics 两词分别称之为构造地质学和大地构造学，在大学里也分别开设上述相应的两门课程。 3、 构造 地质学的 研究内容 研究内容：从构造现象 (构造形迹 )上讲，其包括岩石和岩体地质体的原生和次生构造，尤其以研究岩石的次生构造为主。 次生构造：指

3、的是岩石形成后，在地质作用过程中所发生的破坏，包括褶皱、断层、节理劈理等。 原生构造：指的是岩石在形成过程中形成的各种面状和线状构造 (主要指沉积岩和岩浆岩 )。从地质作用的角度讲，构造地质学主要研究内力地质作用。 二 、 研究方法 构造地质学的研究方法主要为反序法，即根据地质构造的形态特征及规律反寻其成因，进而去讨论地壳运动的规律，即 “将今论古 “。在对某一构造进行 实际分析时，往往包括了如下方面的研究： 空间方面：主要研究地质构造的形态特征、分布规律与组合形式。 时间方面：主要研究地质构造的形成顺序与演变。 成因方面：主要研究地质构造的形成机制及其发育的地质条件。 以上三个方面的研究，归

4、纳起来实际是对地质构造的几何学特征，运动学特征和动力学背景的分析。 三 、 研究意义 1、理论意义 实例 1、大洋中脊裂谷带的构造特征 地幔对流 实例 2、阿尔卑斯 -喜马拉雅带的构造和地貌特征 板块碰撞 实例 3、华南的大地构造特征 板块俯冲 2、实践意义 实例 1、贵州的汞、金、铅锌矿与构造的关 系 实例 2、松树山、派因维油田、苏北、塔里木油田构造与油气藏的关系 实例 3、构造对地下水的控制规律 实例 4、地震与构造的关系 (全球地震带及唐山地震 ) 四 、 从构造地质研究发展史谈当今的地壳构造观 构造地质学研究的历史，大体可以分为两个大的阶段，第一阶段为本世纪六十年代前，第二阶段为六十

5、年代至今。两个阶段的地质学家对地壳构造的形成和地壳运动的规律有截然不同的认识。 1、六十年代以前的地壳构造观 19 世纪中到后半叶，美国学者 J.Hall(1859)和 J.D.Dana(1883)根据他们对世界著名的阿巴拉契亚造 山带的研究 ， 提出了垄断地质学界近一个世纪的槽台学说 ， 在这个学说的影响下 ， 人们普遍认为 ， 地壳运动的方式是以升降运动为主 ， 由此而给人们的印象是 ， 地壳构造是由于升降运动引起的 “一刀一刀向下切 “的陡倾断层为主。 2、六十年代至今的地壳构造观 20 世纪初 (A.J.Wegener， 1912大陆的生成， 1915海陆的起源 )大陆漂移学说的提出

6、六十年代初 (H.H.Hess， Dietz， 1961)海底扩张的提出 六十年代中期 (Wilson， 1965)转换断层和板块构造理论的提出 20 世纪后半叶的 COCORP 计划、逆冲 推覆构造、剪切带和伸展构造研究等 3、薄皮构造观的讨论与实例 、地球内部构造的成层性与薄皮构造 、物质平衡和能量平衡与薄皮构造 、地球物理证据 五 、 地质构造研究中的几种思维方法 1、拆零 -组装法 (美， Alvin.Toffler;Ilya.Prigogine) 2、历史构造分析法 3、构造类比法 4、牛顿的时空观与 “将今论古 “ X+Y+Z=A 六 、 学习方法 热情 +远见 +行动成功 兴趣

7、+计划 +行动成功 第二章 沉积岩层的原生构造及其产状 第一节 沉积岩层的原生构造 一、层理及其识别 层理是沉 积岩中最普遍的一种原生构造，其包括层面以及岩层内部的成分、粒度、结构、胶结物结构和颜色等特征在剖面上的突变和渐变所显示出来的一种成层性。 (一 ) 层理的分类 根据层理形态及其结构 (几何分类 )可将层理分为两类，即水平层理和交错层理 (波状层理和斜层理 )，有的教科书上将其分为三类，即水平层理、波状层理和斜层理。 (二 ) 层理的识别标志 1、岩石的成分变化 2、岩石的结构变化 3、岩石的颜色变化 4、岩层层面上的原生构造 (如波痕、底面印模、暴露标志等均可作为层理的识别标志 )。

8、 二、利用沉积岩的原生构造来鉴定岩层的顶 、底面 1、斜层理 斜层理是由一组或多组与主层面斜交的细层组成。利用斜层理来判别岩层的顶、底板时，其判别特征是：每组细层理与层系顶部主层面成截交关系，而与层系底部主层面呈收敛变缓而相切的关系，弧形层理凹向顶面。 2、粒级层理 粒级层理又称递变层理，其特点是在一单层内，从底到顶粒度由粗逐渐变细，如底部是砾石或粗砂质，向上可递变为细砂、粉砂，以至泥岩。 3、波痕 波痕有很多种，能用来指示岩层顶底板的主要是对称型的浪成波痕。浪成波痕有尖棱状的波峰和园弧状的波谷组成，利用波痕来判别岩层的顶底板时，其判别标志是：尖棱 状的波峰指示岩层的顶板，而园弧状的波谷则指示

9、岩层的底板。 4、层面上的暴露标志 泥裂 雨痕 5、冲刷面 6、生物标志 第二节 岩层的产状、厚度及出露特征 一、地质体的基本产状 (一 ) 几个相关概念的介绍 1、地质体 各种成因的自然岩石体或土质体。 2、面状构造 指地质体中几何的或物理的呈面状的结构面 如岩层层面、断层面、褶皱轴面等。 3、线状构造 指地质体中几何的或物理的具一定方向延长的构造 如断层线、矿物定向排列而成的生长线、擦痕线等。 (二 ) 面状构造的产状要素 产状三要素 ： 走向 倾斜面与 水平面的交线叫走向线，走向线两端延伸的方向即为该平面的走向。 倾向 倾斜平面上与走向线相垂直的线叫倾斜线，倾斜线在水平面上的投影所指的(

10、沿平面向下倾斜的 )方位即倾向。 倾角 指倾斜面与水平面之间的夹角 ()。 (三 ) 线状构造的产状要素 倾伏向 (指向 )某一线段在空间的沿倾斜方向的延伸方向，即某一倾斜直线在向下倾斜方位上的水平投影线所指示的方向，用方位角或象限角表示。 倾伏角 指直线的倾斜角度，即直线与其水平投影线间所夹之锐角。 侧伏角 当线状构造包含在某一倾斜平面内时，此线与该平面走向线间所夹之锐角即为此 线在那个面上的侧伏角 (用量角器现场测量 )。 侧伏向 就是构成上述侧伏角的走向线的那一端的方位。 产状要素的表示方法 ： 图示法 长线表示走向，短线表示倾向，数字表示倾角 数字法 SE15060 象限法 S30E6

11、0 (注意其习惯用法！ ) 倾伏 SE12030 侧伏 45NE 或直接书写为 “侧伏向 NE， 侧伏角 45”。 二、岩层的原始产状与水平岩层的露头特征 (一 ) 沉积岩的原始产状 岩层的原始产状即岩层在沉积时的产出状态。除在盆地边缘、岛屿和礁体附近有局部的原始倾斜产状外，其余大部分区域的岩层的 原始产状往往被视为是水平的。 (二 ) 水平岩层的露头特征 1、在层序未倒转的前提下： 岩层的面向 岩层由老变新的方向 2、地质界线 与等高线平行或重合 3、岩层厚度 是其顶底面的高差 4、岩层出露宽度 是其顶、底面的水平距，其大小与岩层厚度和地面坡度有关 三、倾斜岩层的露头特征 岩层 指岩石层面向

12、某个方向倾斜的岩层。是岩层发生变形的结果即构造中最基本的、最多见的现象。 倾斜岩层的露头特征 V 字形法则 1、 当岩层倾向与地形坡向相反时 相反相同 2、 当岩层倾向与地形坡向一致，岩层倾角大于地形坡度角时相同相反 3、 当岩层倾向与地形坡向一致，岩层倾角小于地形坡度角时相同相同 4、直立岩层 ： 地质界线不受地形的影响，是一条直线。 第三节 地层的接触关系 地层的接触关系分为整合接触和不整合接触两种，其中不整合接触有分为平行不整合和角度不整合。 一、整合接触 定义：连续堆积的沉积物成岩后表现为新老岩层连续无间断、上下岩层彼此平行叠置，岩层的这种接触关系称为整合接触关系。 特征： 一套岩层，

13、各岩层之间在空间排列是相互平行的，新老岩层的产状是一致的。 新老岩层在沉积层序上是连续的，没有间断面。 由于沉积层序上是连 续的，所以反映在沉积岩性和岩相变化是递变的，岩层中所含化石也是逐渐变化的。 二、平行不整合接触 (又称假整合 ) 定义：上下两套岩层之间在空间上是平行排列的，产状一致，但它们之间缺失一些时代的岩层，说明经历过一定时间的沉积间断，或经受过一定时期的风化剥蚀作用后，再下降接受沉积的过程。 特征： 不整合面上下的岩层彼此平行排列，岩层产状一致。 底砾岩、古风化壳以及风化残余型矿床，如褐铁矿、铝土矿或磷矿等是不整合存在的直接标志。不整合面上的沉积物成分常常与下伏地层的成分有关。

14、不整合面上下的两套岩层在岩性 和岩相以及所含化石的演化上都是截然不同的、是突变的，反映了因长时间的沉积间断而造成的部分地层缺失与上下两套岩层之间沉积环境的变化。 三、角度不整合接触 (简称不整合 ) 定义：时代较新的岩层以一定的角度覆盖在不同时代或同一时代不同层位的老岩层之上，上覆岩层与下伏岩层之间具有明显的沉积间断、生物演化不连续性。 特征： 不整合面上下新老岩层之间产状明显不同，两者呈一定交角接触。 不整合面上下的新老岩层之间缺少一定时期的地层，存在沉积间断。不整合面上常发育有底砾岩和风化残余矿产。 由于新老两套岩层之间存在 长时期的风化剥蚀和沉积间断，在不整合面上、下的新老岩层的岩性、岩

15、相及古生物演化上都截然不同。 不整合面以下老岩层的构造 (褶皱、断裂等 )常常比上覆新岩层相对强烈且复杂，岩浆活动和变质作用也具有类似的特点。 四、不整合在地质图上的表示 1、在平面图上的表示 2、在剖面图上的表示 五、不整合的形成过程 1、平行不整合 下降、接受沉积 上升、沉积间断、遭受剥蚀 再下降、再沉积 2、角度不整合 下降、接受沉积 褶皱、断层等变形、变质作用或岩浆作用、上升、沉积间断、遭受剥蚀 再下降、再沉积 六 、不整合的观察与研究 1、研究意义 就构造研究本身 在岩石地层学方面 在岩相古地理研究方面 在矿产研究方面 2、不整合的研究 确定不整合的存在 标志有：地层古生物方面的标志

16、、沉积侵蚀方面的标志、构造方面的标志、岩浆活动方面的标志和变质作用方面的标志等。 确定不整合的形成时代 确定原则为：下伏地层中最新地层形成之后和上覆地层中最老地层形成以前的时间区段为不整合形成的时代，亦即本次构造运动的活动时间。 研究不整合的空间展布和类型变化。 第三章 地质构造分析的力学基础 第一节 应力的概念 一、 面力 和体力 体力：物质 (岩体 )单位重力，与质量成正比。 面力：岩块间的相互作用力，其作用于物体的表面，故有称之为表面力。 二、 应力 定义：应力是在面力和体力作用下引起的，作用于物体内 (假设面 )和表面 (真面 )的 单位面积上的一对大小相等而方向相反的力，它是作用于该

17、面上力的大小的度量。应力的方向与作用力方向一致，其大小用 表示。 =P(作用力 )/A(受力面积 ) 如应力在这一平面上分布不均，则该平面上的应力是每一微小面积上作用力。 =dP/dA 如果我们考虑的面与作用力的作用方向不垂直，则作用力 P 可分解为垂直断面的分力 Pn 和平行断面的分力 P，相应的合力 f亦可分为垂直断面的分力 dPn dA，该应力叫正应力或直应力，及平行断面的应力 =dPt/dA，称之为剪应力或切应力。在地壳运动过程中，许多面往往与作用力的方向是不平行的。 在地质学中，规定：正应力是压应力时为正，张应力时为负；而剪应力是逆时针时为正，顺时针时为负。 三、 一点的应力状态 设

18、一个平衡力系统作用于一个无限小的立方体上，力系可合成为作用于立方体中心的一对力。如设立方体的三条边为三个直角坐标系的 X、 Y 和 Z，则每个面上的应力可分解为三个，即正应力 和平行于 两个坐标轴的一对剪应力。即在立方体的各个面上一共有九个分量。 x xy xz y yx yz z zx zy 如作为平衡力系统考虑，有： -xy = yx -yz = zy -xz = zx 弹性力学证明，当物体受力平衡时，总可以找到三个相互垂直的面，其上只有正应力作用而剪应力为零。这种面叫主应力面，其上的正应力叫主应力。故一点的应力状态可以用三个主应力的大小和方向来表示，即 1、 2和 3。其大小为 123，

19、主应力方向亦称之为主应力轴方向。 常见的应力状 态有如下几种： 1、 单轴应力状态：一个主应力不等于零，另外两个主应力为零。 单轴压缩： 1 2 3 0 单轴拉伸： 1=2=0 3 2、 双轴应力状态：一个主应力为零，另外两个主应力不为零。 双轴压缩： 1 2 3 0 平面应力状态： 1 2 0 3 3、三轴应力状态：是指 1、 2和 3三个压应力值都不等于零的应力状态。 123 当 1=2时，称为均压，亦叫静水压力，是一种特殊的应力状态，它只引起物体的体积变化，使其缩小或膨胀，而不改变物体的形状。引起物体改变形状的主要因素是应力 差，即 1-2。 第二节 应力分析简介 一、 二维应力状态 人

20、们对三维事物的分析，常难以用图件直观达 ， 因此，总是通过不同角度的二维状态来进行研究，然后再在二维分析的基础上综合出三维特征。二维应力分析中只考虑所研究的二维平面内的应力状态，而不考虑与此平面相垂直的另一轴的应力状况。前述的三种应力状态均可用二维应力状态来分析之。 (一 ) 任以截面上的应力状态 设在与 3相垂直的二维应力场中，其主应力分别为 1和 2，考虑任一截面 AB 上的应力， AB 的法线与 1轴呈 角，因我们不能直接合成或分解 1和 2，所以必 须先把应力转换成作用于各条边上的力。设 AB 线为单位长度，则 OA=sin， OB=cos。作用于斜面 AB 上沿 OA和 OB 方向的

21、 P1 和 P2分别等于应力乘面积。 把 P1和 P2分解为垂直于 AB 面和平行于 AB 面的力，并相互相加，则垂直 AB 面的力为： Pn=P1cos+P2sin 因为 AB 是单位长度，故正应力为： a=Pn/AB=p1cos+p2sin=1coscos+2sinsin 或 a=1cos2+2sin2=(1+2)/2+(1-2)/2)cos2 (3-2) 平 行 AB 的力为： p=p1sin-p2cos 则剪应力应为 a=p/AB a=1cossin-2sincos=(1-2)/2)sin2 (3-3) 从此方程可知，当 2=90时， 为最大，其值等于 (1-2)/2。故最大剪应力作用

22、面与 1和 2轴的夹角为 45。 (二 ) 表示应力状态的莫尔图解 将 (32)和 (33)式分别平方后相加，得 上式是一个椭圆方程式，在以 为横坐标， 为纵坐标的坐标系统中，它代表圆心在(1+2)/2， 0)半径为 (1-2)/2 的一个椭 圆，这就是二维应力状态下的应力莫尔园。圆周上的任意一点 P 的坐标，代表其法线与 轴成 角的截面上的正应力和剪应力。 从上图可知： (1) 当 =0时， a=1， a=0 当 =90时， a=2， a=0 在这两个面上只有正应力而无剪切应力，这两个面称为主平面，其上的应力称之为主应力。 (2) 当 =45或 135时，剪应力的绝对值最大 max=(1-2

23、)/2。它是位于与主应力轴成 45交角的一对相互垂直的面，称为最大剪应力作用面。 (3) 1=2， =0，即在均压下，无剪应力。在三维应力 状态中，若 1=2=3，称为静水压力。 二、 应力场、应力轨迹和应力集中 1、 应力场 物体内部各点在某一瞬间的的应力状态构成了一个场，这个场即为应力场。 2、 构造应力场 地壳内一定空间范围内某一瞬间的应力状态称为构造应力场，表示那一瞬间各点的应力状态即其变化情况。构造应力场的划分： (1) 根据构造应力场分布的规模可划分为局部构造应力场、区域构造应力场和全球构造应力场。 (2) 根据构造运动发生的时间，可将构造应力场划分为古构造应力场和现代构造应力场。

24、 3、 应力轨迹 应力轨迹又称应力迹线，它是通过主应力方 向的连线来表示某一物体受力状态的一种表示方法，其可用应力等值线来表示其强度的空间变化。 几种附加应力状态 第一种：水平挤压力来自岩块的左侧，自上而下逐渐增大 第二种：附加应力包括二类： 1、作用在岩块底面上呈正弦曲线形状的垂向力； 2、沿岩块底面作用的水平剪切力。这种应力状态下形成的势断层的产状比较复杂。在中央稳定区的上部形成两组高角度的正断层，每组断层的倾角都向深部变陡。自中央稳定区趋向边缘，断层倾角变缓。一组变成低角度正断层，另一组变成逆冲断层。 第三种：侧向拉伸条件下简单剪切时的应力状态 4、 应力集中 由 于物体的不均质，其受力

25、时各点的应力状况将发生变化，如在岩石内部的空洞、裂隙等就会引起在这些部位的应力集中。设一弹性岩板内园孔附近的主应力变化情况，其在园孔附近的切线应力为： =P1(1-2cos2) P1 是无穷远处的主应力 (或平均主应力 )； 是园孔半径与主应力 P1 夹角； 在 A点： =/2， =3P1，这说明 AB 点处造成了三倍于平均主应力的应力集中。在长轴平行于 AB 的椭圆孔周围，应力还要大。 =P1(1+2a/b) a、 b 分别为椭圆的长轴和短轴。 在 C、 D 点： =0， =-P1，为单轴引张力，虽然 在孔的远处为单轴压缩状态，并无引张应力存在，但在孔的顶点却引起了张力的存在。 第三节 变形

26、岩石的应变分析基础 一、 变形与应变 1、 变形 物体受力作用后，其内部各点间的位置所发生的改变称之为变形。物体的变形是通过内部质点的位移来完成的。 位移的基本形式有四种平移、旋转、体变和形变。 物体的变形方式有五种拉伸、挤压、剪切、弯曲和旋转。 2、 应变 应变是指与初始状态相比较的物体变形后的状态。物体变形的结果引起内部质点间的线段长度的变化或两条相交线段之间的角度变化。前者称之为线应变而后者称之为剪应变。对物体应变 的测量，即是通过线应变和剪应变来完成的。 (1) 线应变 指物体内某个方向上单位长度的变化。在应变分析中，常用以下几种参数来表达线的长度变化。 =(L1-L0)/L0 式中 L0和 L1为变形前后同一线段的不同长度。其中拉伸时为正值。 平方长度比 ()：线段变形后的长度与变形前的长度的比的平方。 =(L1/L0)2 =(1+)2 (2) 剪应变 变形前相互垂直的两条直线，变形后其夹角偏离直角的量称为 角 剪应变 ()，或简称角剪应变，其正切称之为剪应变 ()。 =tan 在地质分析中，与剪切面垂直的物质 线向右偏为正，即右行剪切为正，反之，左