地质力学的形成与发展.pdf

安 徽师 大 学报 自然科学版 Jo u r n alo fA n huiN ormalUnive r sity N aturalSeiene e V o . 17 , No . 2 J un . 1 9 94 地质力学的形成与发展 付毅 地 理 系 摘要本文较 系统地 介绍和阐述了地质力学的 形成发展过程 、 基本 理论和实 践 效应 , 并对今后研究的热点 课题提出了估浏性的看法 。 关键词地质力学 , 地应力 , 构造体 系 , 地 壳运动 。 地质力学是 中国特有的大地构造学派 , 由于它在半个多世纪中的卓越理论建树和 良 好实践效应而享誉国内外地学界 。 然而 , 近年来可能是因为某些新学说如板块构造说的 提出 , 人们的注意力逐渐转移 , 以致对它 的观念有所 “ 淡化 ”, 对其研究亦不 及过去有力 。 笔 者认为 , 地学界倾趣于新学说的趋势可以理解 , 但 因此放松 了对已具历史影响的学说的研 究将是有害的 。 本人正是出于这种想法来谈谈关于地质力学的一些认识 。 地质力学是从活动 论的观点 出发 , 运用力学的原理研究地壳构 造与地壳运动规律的 新兴边缘学科 。 它是根据地质现象 , 特别是构造形迹的分布 、 排列特征及发生发展过程 , 分 析应力场状况 、 岩石力学性质和力的作用方式 , 揭露其内在联系 , 从而 探索地壳运动的方 式 、 方 向和引起地壳运动的动力来源等问题 。 1 地质力学的形成过程 地质力学G e o m eehan ie s为我 国已故卓越地质学 家李四光1889一19 7 1教授所创 建 . 1921年他在研究我 国东部石炭二 叠纪地层时 , 发现该时期北方是以夹有煤系的陆相 沉积为主 , 而南方则以海相沉积为主 。 当他比较研究北半球其它地区古生代以来海进海退 的差异情况后 , 进一步发现 , 高纬度区海浸时 , 低纬度区则海退 , 低纬度区海浸时 , 高纬度 区则海退 。 于是设想 这可能与地球自转速度在漫长的地质时代中反复发生过时快时慢的 变化有关 。 并从海水运动的规律中得到 启示 , 当地球自转速度变化时 , 组成地壳的岩石 , 在 长期地应力作用下 , 也会发生运动 , 产生变形并留下痕迹即构造形迹 。 本世纪 2 0年代 , 关于大陆的起源问题 , 各学派纷纷提出自己的见解如收缩说 , 膨胀说 , 热对流说 , 大陆漂 移说等 , 李四光在 1926 年发表的地球表面形象变迁的主因一文中 , 除对各种观点提出 异议外 , 还根据大陆上大规模运动的方 向 , 推论了运动起源于地球 自转角速度变化 , 提出 了 “大陆车阀 自动控制 自转速度的作用 ”。 嗣后 , 他为确切论证大陆运动 , 又全面细致地研 究了大陆及海洋内部的构造现象及其相互之间的关系 , 把地壳运动问题与具体构造现象 有机地联系起来 。 1927 年 , 他注意到耸立于欧亚大陆之间的乌拉尔褶皱山脉呈南北方 向 1 9 93一03一10 收到 安 徽师 大学报 自 然 科学版 1994 年 展布 , 两侧有广大的平原 , 南部存在有相当复杂的一套弧形 山脉 。 这就是认识山字型构造 的开端 。 1928 年前后 , 他 又在南京 、 镇江一带 , 广 西 、 淮阳等地相继发现了山字型构造 , 同 时 , 对纬 向构造带 , 多字型构造 、 歹字型构造等有了初步认识 。 并结合地块岩石力学性质和 模拟试验的研究 , 明确了所认识的构造体系类型及其分布范围 、 规律以及它们在地壳运动 间 题上的含义 。 1 929 年 , 他在东亚一些典型构造型式及其对大陆运动 问题的意义一文 中 , 概括总结了不同类型构造的特殊本质 , 建立了构造体系的概念 。 3 0年代至4 0年代初 , 地质力学以构造体系的概念为指导 , 继 续深入研究 , 发现 了许多构造体系的定型性 、 定位 性和定时性 , 三者反映构造体系的形成与地球自转速率变化的密切关系 , 同时 , 也发现在 同一地区它们之间的复合关系 。 1941 年 , 李四光在讲演 “南岭 地质构造的力学分析 ”时, 正 式提出 “地 质力学 ”这 一名称 。 1945 年 , 他的地质力学之 基础与方法一书间世 。 新中国成 立后 , 地质力学倍受重视 , 发展迅速 , 由于广大地质工作者的实践 , 积累 了丰富的地质资 料 , 李四光在此基础 上写成了地质力学概 论一书 , 进一步论证了构造体系这一基本概念 的正确性 , 并总结了一套科学工 作方法 , 把地质力学所提出的一系列概 念理论化和系统 化 。 2 地质力学的基本理论和方法 地质力学经过半个多世纪的研究和发展 , 在理论和应用上都有显著的成就 。 它提 出的 地质构造三重基本概念 结构要素 、 构造 地块和 构造体系 , 是地质构造 研究的重大进 展 . 对探索地壳运动 的规律有极为重要 的 意义 。 构造体系是地质力学理论 的核心内容 , 其 内涵是指在同一次地壳运动或按同一方 式经过几次地壳运动产生的许多不 同形态 、 不同 性质 、 不同等级和不 同序次 , 但具有生成联系的各项构造形迹组成的构造带以及它们之间 所夹的岩块和地块乃至相伴而生的各种形式的矿体组合而成的总体 。 就目前所认识的全 球性不 同型式的构造体系 , 可归纳为三类 一纬 向构造体系 。 即大致位于北纬 40 0 一43 0 之间的我国天山阴山构造带与此相当的有东太平洋的门多西诺断裂带 , 美国西部尤 因 他构造带 , 大西洋亚 速 尔北构造带 , 西北欧的比利牛斯 坎塔布构 造带等 ; 沿北纬 3 3 。 一3 4 0 3 0 ‘展 布的昆仑秦岭构造带与此相当的有太平洋摩勒断裂带 , 美国西部的 圣巴 巴拉拗隆带和南部的乌奇塔褶皱带 , 地中海南岸的阿特拉斯紧密褶皱带等和 界 于北 纬2 4 。一 2 5 0 3 0 , 之间的南岭构造带与此相当的有太平洋底回归线附近的东西 向构造带 , 墨西哥中部帕腊斯南的东西褶皱带 , 非洲撤哈拉隐伏构造带以及恒河断陷等 。 此外 , 还有 一些纬向构造带出现在地球不同的纬度上 。 二经向构造体系 。 如我国川西和云南境内 的川滇南北向构造带 , 欧亚大陆之 间 的乌拉尔褶 皱山脉 , 南北美洲大陆西部的科迪勒拉 安第斯山系以及非洲大裂谷等都是典型的例子 。 三扭动构造体系 。 根据扭动的特 点不同 , 可大致分为直线扭动和曲线扭动两种型式 。 前者如多字型 、 入字型 、 山字型 、 棋盘 格式等构造 , 后者如帚状 、 S型 和 反S型 、 歹字型等构造 。 多字型构造是直线扭动构造中最 常见最基本的一种构造型式 , 它是由一 系列 走向大致平行 、 斜列挤压带压扭性断裂褶皱 和与其大致垂直的张扭性断裂组成的 “ 多 ”字图像, 广露于我国东部和东亚大陆濒太平洋 地带呈 N N E18 0一2 5 。 向延伸的几条互 相平行的大 型隆起带和沉降带构成的新华夏系 17 卷 2 期付 毅 地质力学的形成与发展 主要形成于中生代末到第三 纪末和NE45 0 左右向延伸的一系列褶皱和压性 、 压扭性 断裂破碎带组成的华夏系主要形成于古生代末 , 都是规模巨大的多字型构造 。 山字型构 造是由前弧 、 反射弧 、 脊柱 、 马蹄形盾地等部分组成的比较复杂的一种扭动构造型式 , 我国 境内已鉴定的山字型构造有 2 0多个 , 规模大 、 且较典型的有祁吕贺 、广 西、 淮阳等山字型 构造 。 在地球表面其它地区也存在有山字型构造 , 如横跨欧亚大陆的欧亚 山字型构造 , 东 亚的伊尔库茨克山字型构造及土耳其境内的阿拉脱里安山字型构造等 。 歹字型构造是一 种特殊的大型旋扭构造 , 其整体形象有如反S型 。 它自北而南有头 、 中 、 尾三个相互连续的 组成部分 。 头部由强烈挤压所形成的弯曲度极大的弧形褶皱及逆掩断层组成 , 中部由一系 列大致平行 、 呈南北 延伸 、 常与经向构造复合 、 微向西 突出的弧形褶皱和巨型横 冲断层组 成 , 尾部也由许多大致平行 , 但弯曲舒缓 , 方向与头部相反并有撒开之势的强烈褶皱带和 逆掩断层组成 。典 型的歹字型构造 , 如出现在我国西南部及东南亚面临印度洋地带的青藏 滇缅印尼歹字型构造 。 由于地壳在漫长的地质年代里 , 经历了多次构造变动 , 故在同一地区常常先后有几种 不同类型的构造体系发生 , 产生相互 干扰但仍能保存各自的固有特征并按各自的方位排 列的复合现象 , 例如 我国南部的南岭东西构造带上排列 了一系列的山字 型 构造 ; 西南部 的川滇经向构造带 , 几乎全部与青藏滇缅印尼 歹字型的中部相复合 。 当两种方式的地壳运 动同时波及某一地区形成折衷的构造应力场 , 在这种统一应力场的作用下 , 则产生联合构 造体系 。 如 郑城庐江断裂带就是在形成经向构造带的东西向挤压力和形成新华夏系 的 一对南北 向力偶同时作用下产生的主干压性结构面的走 向既非南北 , 也非北北东 , 而是 北稍偏东的联合构造体系 。 各种型式的构造体系 , 在全球特别是各个大陆地壳上部有规律的展现 , 是地壳水平运 动的效应 。纬 向构造体系 主要是受南北向水平挤压力作用的结果 , 经向构造体主要为东西 向水平挤压所造成 , 而扭动构造体系是 由于区域性岩块或地块刚柔不均一 , 在水平运动的 影响下 不平衡的错动 。 规模巨大的新 华夏 系 , 显然是南北向力偶作用造成的 , 即东亚大陆 相对于太平洋曾发生向南挤压 , 而太平洋底则相应的向北水平扭动 。 山字型构造多出 现在 两条纬向带或经 向带之间 , 这空 间上的联系反映出它与纬向带 、 经向带形成力学条件的统 一性 。 从歹字型构造组成的特征分析 , 它也可能是纬向力和经 向力联合作用的产物 。 地质 力学认为 , 地壳运动以水平运动为主垂直运动是派生的 , 其原因是重力控制下的地球自 转惯性离心力 , 惯性离心力又起源于地球自转速度的变化 ; 另一方面地壳运动又是控制地 球自转速度变化的制动机制 , 在地球转速加快时 , 包含着使它变慢的作用 , 在地球转速变 慢时 , 孕育着使它变快的条件 。 地球就是这样时快时慢地转动着 , 推动着构造体系的发生 、 发展 、 复合 、 转变并且在老构造多少巩固的基础上又出现新构造等继续不断的变化 。 到7 0年代初 , 地质力学不仅建立了完全能说明一切地质构造现象的起源和它们在发 生 、 发展中相互联系的理论科学体系 , 而且在野外实践和 室内研究的基 础上 , 摸索总结出 一套通过一定程序和逻辑步骤 , 利用结果反推成因的独特的工作方法 , 即 鉴定每一种地 质构造形迹的力学性质 ; 辨别构造形迹的序次和 不 同序次结构面力学性质的转变 ; 确定构 造体系的存在和它们的范围 ; 划分巨型构造带 , 鉴定构造型式 ; 分析联合和复合的构造体 系 ; 探讨岩石力学性质和各类构造体系的应力活动方式 ;进行构造 模拟 实验等 。 安 徽师大学报 自然科学 版 19 94 年 3 地质力学的实践效应 地质力学在我国已广泛应 用于建设和 生产实践 , 并取得了显著的效果 。 在寻找矿产方 面 , 以构造体系多级控矿和复合控矿等理论为指导 , 在东部新华夏系的几个一级巨型拗陷 带 , 特别在新华夏 系拗陷与纬向构造带拗陷相复合的部位如松辽平原 , 华北平原 , 渤海 , 江 汉平原等以及在西部受欧亚山字型和西 北向及其它扭动构造体系影响的巨大盆地如 准噶尔盆地 , 塔里木盆地 , 柴达木盆地等 , 科学地预测出油气区和含油远景区 。 并在这些 地区的次级构造中 , 已经探明 了若干个大油田 。 同样 , 用地质力学的观点分析研究煤田的 分布规律 , 了解到煤盆地 的形成和富煤带的聚集乃 至煤田的后期改造 , 也无不受构造体系 的控制 。 就中国来说 , 侏逻纪以后煤系基本上受燕山运动以来的构造体系所控制 , 侏逻纪 以前的煤 系则主要受着纬向构造 、 经向构造 、华夏系构 造以及个别规模大 、 生成较早的扭 动构造所控制 。 以华北煤盆为例 , 其展布范围和岩相 、 厚度分布 , 均受到盆缘四周不同的巨 型或大型构造体系的制约 。 该盆地南北分别以昆仑秦岭纬向构造带和天 山阴 山纬向构造 带为界 , 其沉积相与阴 山以北和秦岭以南有明显差异 , 在这庞大的波状拗陷中沉 积 了分布 广泛 , 而厚度稳定 的晚古生代含煤建造 , 其中晚石炭世的太原组 , 早二叠世早期的山西组 和晚二叠世早期 的石盒子组等都是重要的煤系 。 但经过中新生代多次构造运动 , 这些 含煤 建造遭到 了强烈改造 , 尤其是华北中部晚古生代东西展布的煤系地层受到后来的新华夏 系构造活动的影响 , 形成一系列 雁行排列的复式褶皱 , 向斜中的煤系得以保存 , 背斜中的 煤系则遭到剥蚀 。 实践证明 , 各类构造体系的大型隆起带 , 往往控制着内生金属矿产的分 布 。 如 各纬向构造带均 富含稀有 、 分散元素和重型矿产 , 新华夏系一级隆起带是著名的多 金属矿带 。 至于两个或两个以上的构造体系的复合处 , 由于应力集中 , 岩石破碎 , 岩浆活动 频繁 , 所以 , 常是良好的矿液通道和储矿场所 , 像青藏滇缅印尼 歹字型 归并复合的川滇南 北向构造带 , 就是我国重型矿产的重要矿带之一 。 另外 , 在山字型构造的前弧反射弧和脊 柱等部段 , 也是应力集中的地方 , 利于内生矿 产聚集 。 在地震预报方面 , 运用地质力学的方法 , 综合大地测量 、 地应力测量 、 地磁场及地电流 测量 、 地下水观测 和历史地震等方面的资料 , 研究活动构造带的特点与规律 , 着眼于地壳 厚薄悬殊 、 大陆与海洋相联接 、 几个活 动构造带相复合等地带以及其它活动断裂带上地应 力易于集中的部位 , 圈定地震危险区 , 进行有效地中长期地震预报 , 作出了有益的贡献 。 此外 , 按照地质力学的思路 , 在查明地下水 、 地热的贮集和运动的地质构造条件 , 分析 工 程建筑地区的地基稳定性以及研究变形巷道 的施工设计 等方面 , 也都解决了许多实际 间题 。 4 地质力学面临的新课题 尽管地质力学从理论研究到实际应 用都取得了丰硕的成果 , 但它与其它科学一样在 发展中必然要遇到新问题 。 譬如 , 驱动力问题是大地构造学派争论的焦点间题之一 , 不少 17 卷 2 期付毅 地质力学的形成与发展 人曾对地球 自转微小的速度变化能否导致大规模的地壳运动和地壳变形表示怀疑 , 同时 认为地质力学只着眼于大陆构造的研究 , 在解释构造体系形成时 , 则强调岩石 圈上层的滑 动和塑性变形 , 很少涉及岩石圈内部情况 . 面对诸如此类的问题 , 地质力学今后势必要反 地壳运动的驱动力问题仍然作为主要课题之一进行进一步深入地探讨 , 在利用相似理论 和其它先进科学技术进行模拟实验方面提出更有说服力的证据 。 在空间上 , 要在继续研究 地壳运动的基础上把整个岩石 圈作为探索的主要 目标 , 中心课题将涉及岩石圈的现状 、 形 成 、 演化和动力学 , 特别注意岩石 圈的大陆和海洋之间的差异及其原因 。 对岩石圈以下地 球深部的结构 、 组成和物理 、 化学作用过程 , 也要进行必要的探讨 。 对新领域的深入研究 , 除促进地学理论尤其是大地构造理论发展外 , 关键还在 于发现新资源特别是随现代化工 农业不断发展需求量剧增的燃料 、 金属 、 陶瓷 、 肥料等矿物原料 , 预防地质灾害 , 保护和改 良自然环境 , 满足人类的未来需求 。 地质力学本身也将在发展中逐渐形成许多新的分支学 科 , 如 矿田地质力学 , 石油 地质力学 , 煤田地质力学 , 工程地质力学以及地震地质力学等 。 参考文献 李四光 . 中国地质学 . 正风出版社 , 1953 李四光 . 受了歪曲的亚洲大陆 . 地质论评 , 1 9 5 1 , 1 6l 1 一6 李四光 . 旋倦和一般扭动构造及地 质构造 体系复 合问题第一辑 , 科学出版社 , 1958 李四光 . 地质力学方法 , 北京 科学出版社 , 1 9 7‘ , 1 25一13 0 李四光 . 地质 力学概论 , 北京 科学出版社 , 19 7 9 孙段卿 , 高庆 华 . 地质力学与地壳运动 , 北京 地质出版社 , 1 9 82 TheSh aPin g a n dD evelo Pm en t o f G e o m e cha n ic s FuY i 压Par t m e ntofGe ogr aPhy Ab stra et This p apersystematieal ly introd u e esandex po un ds the fo rmationan d de velopment , b a sie theory and pra etie e一effe et ofgeo m e ehan ies ; p uts f o rwar dp e rsonal viewso n the f utu restudyof ho t一Po intProbiem s . K ey w o rds G eomeehanies , er ustalstre s s , stru etu r alsystem , earth m or ement