地质力学.docx

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地质力学

地球科学大辞典地质力学地质力学

总论

【地质力学】geomechanics李四光创立，是地质学的一门分支学科。

地质力学最早把力学系统地引入地质学，是地质学与力学相结合的边缘科学，是用力学原理研究岩石圈变形和水圈运动的过程和方式，进而探讨地壳构造和地壳运动规律及其起因的科学。

1926年和1928年李四光先后发表《地球表面形象变迁之主因》及《晚古生代以后海水进退规程》等，从理论上探讨自水圈运动到岩石圈形变、自构造形迹到大陆构造运动等问题。

1929年提出构造体系这一重要概念，建立了一系列构造体系类型。

1941年他在演讲“南岭地质构造的地质力学分析”时正式提出“地质力学”一词。

1945年发表《地质力学之基础与方法》，1962年《地质力学概念》出版，对其理论和方法作了系统概括。

它从观察地质构造的现象（构造形迹）出发，分析地应力分布状况和岩石力学性质，追索力的作用，从力的作用方式进而追索地壳运动程式，并结合海水进退规程，探索地壳运动的规律和起源。

它研究地壳运动产生的各种形变的规律及其引起的物质变化规律，以及二者间的相互关系。

地质力学强调：

①任何一种地壳构造运动的正确假说，都必须能够完满地说明客观地质现象，必须接受客观地质构造实际（和水圈变化）的严格检验，地质构造就成为探索地壳构造运动的主题；②各种地质构造大都是力作用的直接结果，它们都有一定的力学属性和力学本质，查明地质构造的力学性质就成为首要的基础性工作；③任何地质构造现象都不是孤立存在的，在它的发生和发展过程中，必有其不可分割的伴侣，成群成带相伴出现的地质构造现象的总体构成统一的构造体系。

每一类型的构造体系，均可当作一幅形变图像来看待，它反映一定方式的地壳运动。

上述论点是地质力学的三个主要立论依据及其三个基本特征，它们分别反映了地质力学实践的观点、本质的观点和联系的观点。

现已认识的构造体系，可划分为三大主要类型，即纬向构造体系、经向构造体系和扭动构造体系。

这些构造体系主要是地壳的水平运动（经向的和纬向的）造成的，而地球自转速率的变化是发动地壳水平运动的主因。

李四光把地球自动调节自转速度变化的作用称为“大陆车阀作用”，因而把这一假说称“大陆车阀说”。

地质力学研究地壳运动一般遵循七个步骤：

①鉴定结构要素的力学性质；②辨别构造形迹的序次和不同序次结构面力学性质的转变；③确定构造体系的存在和范围；④划分巨型构造带，鉴定构造型式；⑤分析联合和复合的构造体系；⑥探讨岩石力学性质和各类构造体系反映的应力活动方式；⑦构造模拟实验。

以上方法步骤并不是严格划分的，在实际工作中总是穿插进行。

七个研究步骤包含和表明了地质力学的主要研究内容和它的八个基本概念：

前五个步骤是构造地质学方面的，反映了构造要素、构造地块和构造体系等地质构造三重基本概念，以及构造级别、构造序次和构造复合等地质构造之间相互关系的三个概念；后两个步骤则是力学方面的，反映岩石力学性质和构造应力场两个重要概念。

在中国，地质力学已应用于：

①探索矿床和矿田的分布规律，预测隐伏矿产；②推断石油和煤等能源矿产的远景和有利地段；③解决巷道变形的施工设计问题和分析工程建设地区的地基稳定性；④探索地震预报的途径与方法；⑤研究地下水和地下热水的贮集和运动的地质构造条件等；这些研究都已取得显著成就。

它的一些分支学科，如矿田地质力学、工程地质力学、地震地质力学等已逐渐形成。

【地质构造三重基本概念】threefoldbasicconceptofgeologicalstructures指结构要素（构造要素）、地块形态（构造地块）和构造体系。

概括出构造三重基本概念是地质力学对地质构造研究的重要贡献，对于探讨地质构造和地壳运动规律具有重要意义。

它们不是地质构造现象的三种类型，而是并行不悖的三重地质构造概念；从这三重不同含义的概念角度观察地质构造，某些地质构造现象（如东西复杂构造带）既可看作巨型的结构要素，又可视为活动的构造地块（褶皱地带），同时它也自成一个构造体系。

【构造形迹】structuralfeatures?

地壳运动使岩层、岩体产生的各种永久形变和岩块、地块相对位移的踪迹。

即指各种次生结构要素（如各种不同成因的褶皱和不同性质的断裂、节理、劈理和片理，以及各种隐裂隙、岩石和矿物的次生定向排列，乃至晶格位错等）。

?

自然条件下地壳岩石形成的各种地质构造形体和岩块、地块相对位移的踪迹，包括各种次生结构要素（如各种褶皱、断裂、节理、劈理和片理）和原生结构要素（如沉积岩的层理、岩浆岩的流线和流面等）。

?

泛指所有构造形迹，包括构造要素、构造地块和构造体系。

通过构造形迹来研究岩石圈构造运动的过程和方式，是地质力学的基本工作内容，也是解决地壳运动问题的重要途径。

鉴别不同类型的构造形迹，有重要理论研究意义和生产实践意义。

【构造模拟实验】experimentoftectonicsimulation研究自然界地质构造形成机理和演化过程的模拟实验。

力学工作者把实验中所采用的物质性质与实物不同，且模型所进行的运动性质也与实物不同，两者之间又不严格符合相似律，但诸变量的数学方程相同时的实验，称构造模拟实验；而把实验中所采用的物质性质与实物相同，且模型所进行的运动性质也与实物相同，两者之间又符合相似律时的实验，叫构造模型实验。

在中国，李四光于20世纪20年代将模拟实验引入地质构造研究，并作为厘定构造体系标准型式的三大步骤之一。

由于地质体的性质和地质构造现象十分复杂，运动过程的变化因素很多，理想的相似律模型尚难建立。

但通过构造模拟发现，实验中做出的构造型式与地壳中存在的构造型式可以达到总体上高度相似，故可采用模拟实验探讨地壳构造和地壳运动规律。

模拟实验的决定因素是：

①物体的力学性质；②应力大小和作用时间长短；③边界条件。

实验方法分为物理模拟和数学模拟两大类：

前者是根据相似理论，采用泥巴、塑料等材料和近似自然条件的实验手段，模拟天然构造形迹、构造型式及其形成过程，包括形变模拟（泥巴实验等）、光弹性模拟、脆漆法、形变网格法、云纹法及气泡法等；后者是在野外考察和岩石力学性质研究的基础上，用数学力学理论进行构造形迹、构造应力场及形变场的模拟，进而又分为解析法（分析简单的构造应力场和应变场）和数值法（多用于较复杂的构造应力场研究）。

地质力学以往的构造模拟实验，在揭示构造特点和运动规律方面起了相当重要的启发作用；运用数学模拟建立了若干构造型式的数学力学模型，为构造应力场定量分析和现今构造应力场研究奠定了基础。

构造要素与地块

【构造要素】structuralelements也称结构要素。

作为地质构造三重基本概念之一，为存在于各种地质体中的基本构造形迹，主要有构造面理（结构面）和构造线条两类，是标志地质构造存在或划分构造地块的基本单位。

可分为原生结构要素和次生结构要素：

前者指成岩过程中形成的结构面和构造线条，如层理和流层、流线等；后者指岩石在机械运动中发生形变产生的结构面和构造线条，如褶皱轴面、各种破裂面、一部分节理、片理等。

不同结构要素往往具有不同力学属性，可分为压性、张性、扭性、压扭性和张扭性等。

【构造条理】structuralgrain条为线、理为面，即各种构造线条和构造面理（结构面）的总称。

往往又被视为结构要素（或构造要素）的同义词。

它既包括原生构造和次生构造、分划性构造和标志性构造，也囊括构造运动与非构造运动产生的各种形迹。

【构造线条】structurallineation岩石中朝一定方向伸延的线状构造形象和痕迹。

包括原生线条（primarylineation），如岩浆岩中的流线和次生线条（secondarylineation），如砾石被压扁所形成的定向构造。

其形成原因有：

①岩石或矿物颗粒的定向排列或拉伸线理；②两种结构面的互相交切；③不同类型的结构面与地表的交线，又称构造线。

有多少种结构面，就有多少种构造线。

【结构面】structuralplane又称构造面。

用于表示岩石结构形态的面状构造。

有的接近平面，或呈曲面或不规则形态。

有原生结构面和次生结构面之分。

按存在形式分为分划性结构面和标志性结构面。

按力学性质则分为压性结构面、张性结构面、扭性结构面、压性兼扭性结构面和张性兼扭性结构面等。

鉴别结构面的力学性质，可推断其形成的地应力状态和形成机理。

【分划性结构面】divisional（splitting）structuralplane又称破裂性结构面（fracturestructuralplane）、连接面（conjunctionplane）。

由岩石遭受破坏所形成的不连续界面。

如断裂、劈理、节理等。

还包括由于物质组成不连续产生的岩石界面，如不整合面等。

【标志性结构面】indicativestructuralplane又称几何性结构面（geometricalstructuralplane）、定位面（orientationplane）。

由岩石连续形变产生的、只具有几何意义和定位意义的结构面。

有两种类型：

①简单型，由岩层、岩体连续性形变产生的定位面，如各种褶皱轴面（左图为由单一褶皱轴面组成的标志性结构面）简单型标志性结构面复杂型标志性结构面；②复杂型，由一系列斜列的构造组成扭裂带时所显现的定位面（右图为由一系列斜列的破裂组成的标志性扭裂带）。

前者又可称为褶皱式标志面，过去多指这类结构面；后者常见的是破裂式标志面。

【压性结构面】compressivestructuralplane简称挤压面。

走向垂直主压应力方向，具有明显挤压特征的结构面。

如单式或复式褶皱轴面、冲断层或逆掩断层面、区域片理面和一部分劈理面等。

褶皱轴面是岩石连续形变产生的，具有几何的和定位的意义。

破裂的压性结构面，往往呈舒缓波状，附近常出现强烈的褶皱、地层倒转、构造挤压带和片理带等挤压特征。

其实，外力作用下并不产生挤压性破裂面，一般所称的压性破裂面也不与主压应力方向相垂直，习惯上只是将走向垂直主压应力方向，即平行区域轴向构造的冲断层等作为压性结构面看待，用以研究地表平面受力状态。

【张性结构面】tensilestructuralplane简称张裂面。

垂直于主张应力方向、具有明显引张特征的破裂面。

如一部分正断层、一部分节理和一部分裂缝等。

裂面较粗糙，不整齐；单个常伸展不远，大致平行的裂面共同组成张裂带；张裂带中常有构造角砾岩，并以大小混杂、棱角显著、方向性差和成分单一为特征。

【扭性结构面】shearstructuralplane简称扭裂面。

与主应力斜交而大致平行于最大剪应力方向、具有明显扭动特征的结构面。

可分为脆性扭裂面（或带）和韧性扭动面（或带）：

前者如平错断层、一部分正断层、一部分节理和一部分劈理等，它们往往成对或单组出现，扭裂面平直光滑，有时出现“镜面”，时有扭性构造破碎岩伴生，常见大量近水平擦痕，显示两盘岩石曾发生过不同程度的水平扭动，旁侧常有由扭动所派生的入字型、帚状和旋扭构造；后者常出现扭折带和糜棱岩带等。

【张性兼扭性结构面】tensionshearstructuralplane,structuralplaneoftensionshearingorigin简称张扭性结构面、张扭面。

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既有张性特征又具扭性特征的结构面。

包括同时兼具这两种力学性质和先后出现这两种力学性质者。

前者又有以张为主兼有扭性和以扭为主兼有张性两种；后者又分“先张后扭”和“先扭后张”两类。

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同时或先后形成的以张为主兼具扭性的结构面。

以扭为主兼具张性的结构面，则称扭张性结构面（shearingtensileplane）。

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同时兼有张性和扭性的结构面，即不包括“先张后扭”和“先扭后张”产生的。

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由张性破裂面转化而来的兼具扭性的张裂面。

由扭性破裂面转化而来兼具张性的扭裂面，则称扭张性结构面。

张扭性结构面都是破裂面。

【压性兼扭性结构面】compressoshearstructuralplane,structuralplaneofcompressoshearingorigin简称压扭性结构面、压