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地质力学

/geomechanics/
条目作者裴先治

裴先治

最后更新 2024-12-13
浏览 210
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用力学原理研究岩石圈变形和水圈运动的过程和方式,进而研究有关地质构造、构造运动规律及其起因的科学。是地质学和力学两大基础学科相结合的边缘学科。

英文名称
geomechanics
所属学科
地质学/地质资源与地质工程

地质力学把阐明地壳构造和地壳运动问题作为学科的中心任务。地质力学是用力学的观点研究地质构造现象,研究地壳各部分构造形变的分布及其发生、发展过程,用来揭示不同构造形变间的内在联系。

地质力学经历了半个多世纪的孕育和发展,萌芽于20世纪20年代。1926年,李四光在《地球表面形象变迁的主因》一文中,针对当时地壳运动问题的争论,提出了大陆车阀说,从理论上解释了全球构造格架问题、造山运动的周期性问题及地壳构造运动的动力来源问题,更重要的是把大陆块的整体运动和大陆块内部的岩石变形联系起来。1928年,李四光发表《晚古生代以后海水进退规程》,一方面根据地层学上的事实,分析探讨了古生代以后大陆上海水进退的规程,进一步论证地壳运动的规律与动力学问题;另一方面从总结东亚地区的基本构造格架出发,提出了构造体系及构造型式的概念。后来进一步发现了构造体系具有定型性、定位性、定时性的特点,以及构造体系的复合与联合等若干规律。1941年,李四光在题为“南岭地质构造的地质力学分析”的演讲时,将“地质力学”作为一门学科正式提出。1945年,李四光在《地质力学之基础与方法》一书中,提出了构造应力场的概念并论述了其研究方法,指出这项工作是根据构造变形探求构造作用力的必要的工作程序。同年,李四光通过对《山字形构造的实验和理论研究》示范了这种研究方法。50年代,地质力学在理论研究方法以旋扭构造的研究成果最为突出,发现了有多种构造型式,如莲花状构造、辐射状构造、反S状构造等。1962年,李四光编写了《地质力学概论》一书;该书是地质力学理论与方法的经典著作,书中总结了20~50年代地质力学的主要理论,构成了一套比较严密的理论体系和科学的工作方法,并为后来地质力学的普及与发展发挥了重要作用。

地质力学从观察地质构造的构造形迹出发,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。研究了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,以及两者间的相互关系。地质力学选择了岩石变形作为探讨地壳构造运动的主要研究途径,这实际上是给构造地质学建立通往动力地质学的桥梁。也就是根据构造形迹、按照一定的力学原理、通过一定的工作程序或环节逐步进行推导,最终得知地壳构造运动的动力来源问题。这一研究过程大体可分为4个环节:①根据构造要素的力学性质和形成时序按照应力状态的统一性进行分期配套,组合成一定型式的构造组合,即构造体系;②根据不同时期、不同型式的构造体系(也就是应变图像或形变场),考虑岩石力学性质,反演构造应力场;③在构造应力场确定基础上,考虑变形空间的边界条件,即可推知局部地区或全球构造运动的作用方式与方向;④根据全球统一的构造运动方式与方向,综合考虑影响地壳运动的各种因素,推断其主要动力来源。地质力学工作方法主要围绕如何研究构造体系这一核心问题进行。

李四光总结以往经验,比较具体地拟定了7项工作步骤:①鉴定每一种构造形迹(或构造单元、结构要素)的力学性质;②辨别构造形迹的序次和等级,以及不同序次构造形迹力学性质的转变过程;③确定构造体系的存在和它们的范围;④划分巨型构造带和鉴定构造型式;⑤分析构造体系的联合和复合;⑥探讨岩石力学性质和各种类型构造体系反映的应力活动方式,进行构造应力场分析;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。这7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8个基本概念:前5个步骤是构造地质学方面的,反映了构造要素、构造体系和构造型式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3个概念;后两个步骤则是力学方面的,反映了岩石力学性质和构造应力场两个重要概念。

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。这一论点是地质力学的3个主要立论依据及其3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。

构造体系是地质力学方法的理论核心,这一概念是从全球统一运动的观点出发,把地壳上由统一构造应力场产生的所有岩石变形现象作为一个整体看待。也就是说,地壳上的各种构造形迹,尽管它们的形态各异、大小悬殊、性质不同、方向有别,但却不是孤立出现的,每一项构造形迹必然会与其他一些构造形迹相伴而生,共同构成一个统一的构造体系。关于构造体系的概念,李四光曾给予了严谨的定义:“构造体系是许多不同形态、不同性质、不同级别和不同序次,但具有成生联系的各项结构要素所组成的构造带以及它们之间所夹的岩块或地块组合而成的总体。”所谓成生联系是指在统一的构造应力场中所形成的构造形迹在发生、发展过程中的力学联系。据此可以将地壳上的构造体系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。前两者一般规模宏大,横贯大洋和大陆,属于全球性构造体系,是全球统一构造应力场作用的结果,直接反映了地壳整体运动的方向与方式;后者是由各种不同规模的区域性构造运动所引起,因其变形的边界条件的不同,又可以分为直扭构造体系和旋扭构造体系。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,因而把这一假说被称为“大陆车阀说”。

20世纪50年代至70年代,中国学者运用地质力学理论在解决生产实际问题中获得了显著成果:①指导油气和煤等能源矿产的成矿远景和有利地段;②为地震地质工作提供了理论依据,探索地震预报的途径和方法;③在金属和非金属矿床的找矿勘探工作中,运用地质力学方法分析构造控制矿产分布规律、预测隐伏矿床;④解决重大工程建设地区的地基稳定问题,以及大型矿山巷道变形的施工设计问题;⑤研究地下水和地下热水的贮集和运动的地质构造条件;⑥解决工程地质问题,涌现了“工程地质力学”等分支学科。一些单位运用地质力学观点还编制了不同范围、不同比例尺的构造体系图,促进了中国区域地质构造研究的深入并取得显著成就。

  • 李东旭,周济元.地质力学导论.北京:地质出版社,1986.
  • 长春地质学院地质力学教研室.地质力学.北京:地质出版社,1979.
  • 李四光.地质力学概论.北京:科学出版社,1972.

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