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脆性断层构造的三维几何模型研究

唐诗佳  
【摘要】: 脆性断层是地壳浅层中广泛发育的一种基本构造型式。如何利用现存的构造形 态、岩性、应力场和岩石力学试验资料等对脆性断层的空间分布、延伸情况作出科 学的预测,是地质找矿、地震预测和工程建设所面临的难题。在总结前人工作的基 础上,针对如何正确预测脆性断层在空间分布的难题,本文从以下几个方面对脆性 断层的二维几何特征进行了较深入的研究。 1.在相似理论的基础上,用石英砂、水泥和石膏按一定比例合成的模型材料对 脆性断层的形成进行了实验研究。对有无预制裂纹的模型材料,实验脆性断层的形 成都经历了裂隙的初始开裂、扩展和破坏等三个阶段。二者的主要区别在于裂纹的 初始开裂方式和应力值的大小。无预制裂纹样品的初始开裂是在样品的中心部位产 生与轴向应力近平行的裂隙;含预制裂纹样品的初始开裂是沿先存裂隙尖端附近, 与轴向应力成较小角度的方向开始的,预制裂纹本身几乎没有产生扩展,其开裂的 应力值明显低于无预制裂纹样品。 2.通过在不同时刻停止实验进行切片观测和运用分形几何学方法对实验脆性断 层不同部位、形成不同阶段的三维几何特征进行了定性和定量的研究。实验脆性断 层是由形态简单、单个裂隙规模较大的中心部位和形态复杂、次级裂隙发育的尾端 部位及发育雁行小裂隙的损伤带等三部分构成。在脆性断层的形成过程中,从裂纹 的开裂、扩展到样品的破坏,脆性裂隙的分维值逐渐增加,真实的反应了裂隙在此 过程中逐渐变复杂的过程;实验断层在纵剖面上不同部位和横剖面上的分维值大小 都反应了脆性裂隙形态在这些部位的复杂程度和其很好的自相似特征。 3.实验断层的形成是一个微观到宏观,由微裂纹扩展形成网络裂隙,再由网络 裂隙相互连接贯通形成宏观断层的逐级递进连通过程。岩石内裂纹尖端的集中弹性 应力和自由面镜像力的相互作用,使塑性区内首先扩展的裂纹成雁行排列;而扩展 裂纹与主应力夹角的逐渐减小则是裂纹附近张应力和剪应力集中点的变化所致。 4.运用分子动力学、离散元法和大变形网格法对脆性断层的形成过程、三维几 何形态和应变场进行了系统的数值模拟。数值模拟形成的脆性断层在平行轴向应力 的纵剖面上,中心部位的宽度最大、剪应变强度也最强;而向两端部位剪切带宽度 中南大学博土学伎论义 槽 要 和剪应变强度则逐渐减小至消失。在垂直轴向应力的横剖面上,脆性裂隙扩展的规 模随纵剖面上断层的不断发展而增加,同时剪应变强度也随之不断增强。 5 通过野外实例验证了实验模型和数值模型正确性,并综合实验模拟、数值模 拟和野外实际观测的结果,建立了脆性断层完整的三维几何形态模型:从中心到尾 端分别由主断层一一叫卜 马尾状分支裂隙带一一伶 雁行状裂隙带一一一卜 术变形带 所构成。利用脆性断层三维几何模型,结合研究区的具体情况,就能够较好的确定 现存构造断层在整个断层中的位置,正确预测脆性断层在二维空间的分布和延伸情 况,从而指导找矿和工程建设。


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