張宏遠

中國地質(zhì)大學（北京）地球科學與資源學院，北京 100083

教學方法

“古構(gòu)造應(yīng)力場”教學與研究中常見問題分析

張宏遠

中國地質(zhì)大學（北京）地球科學與資源學院，北京 100083

古構(gòu)造應(yīng)力場方法對于地質(zhì)構(gòu)造的正確解釋具有重要意義，是構(gòu)造類高年級本科生及研究生選修內(nèi)容之一。本文系統(tǒng)歸納了古構(gòu)造應(yīng)力場研究簡史及教學中常見概念問題，包括構(gòu)造分類的常見三種方法、傳統(tǒng)古構(gòu)造應(yīng)力場認識中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系方面的誤區(qū)、古構(gòu)造應(yīng)力的成因類型、古構(gòu)造應(yīng)力場研究的基本思路和動力學解析教學方法等，對于學生運用正確思路開展構(gòu)造動力學資料搜集及分析將具有積極意義。

古構(gòu)造應(yīng)力場；基本概念；教學與研究

馬杏垣等綜合提出構(gòu)造解析方法，將構(gòu)造研究分為三個階段:（1）幾何學，探討構(gòu)造要素的幾何形態(tài)和空間組合關(guān)系；（2）運動學，探討構(gòu)造的運動圖式、剪切指向、變形量、應(yīng)變速率等；（3）動力學，探討構(gòu)造形變與主應(yīng)力狀態(tài)方位、大小之間的關(guān)系［1］。前二者在大學生低年級階段的“構(gòu)造地質(zhì)學”課程中已有全面講述。最重要的第三階段涉及較少，為此筆者主張在高年級及研究生中引入“古構(gòu)造應(yīng)力場”這門課。萬天豐對古構(gòu)造應(yīng)力場有過全面的總結(jié)，認為其研究的主要內(nèi)容是動力構(gòu)造地質(zhì)學［2］。本課程具有較為重要的理論和實踐意義，所講述的許多基本概念在地震預報學、油氣勘探評估階段以及構(gòu)造變形機制理論研究中常常用到。例如美國學者D L Turcotte很早就從應(yīng)力場和溫度分布角度研究San Andreas 斷裂，并綜合各種因素成圖用于判斷區(qū)域內(nèi)地震危險性［3］；而R H Sibson認識到古地震與金屬礦藏的形成有重要關(guān)系［4］。

中國地質(zhì)大學（北京）將本課程納入到“構(gòu)造物理學”范疇，旨在站在物理學的高度，從力、熱、波、運動、聲光等多角度審視“古構(gòu)造應(yīng)力場”，從而力求使學生深刻理解這門學科，避免傳統(tǒng)錯誤概念。本文力圖歸納出傳統(tǒng)古構(gòu)造應(yīng)力的理論和應(yīng)用方面存在的一些常見誤區(qū)。

一、古構(gòu)造應(yīng)力研究簡史

19世紀末葉，開始巖石力學試驗與物理模擬，意圖實現(xiàn)構(gòu)造形變與力學分析相結(jié)合。

20世紀上半葉，李四光提出用構(gòu)造形變反推構(gòu)造應(yīng)力方向的基本原理；格佐夫斯基引進極射赤平投影求主應(yīng)力軸的方法，發(fā)展了圖示手段。

20世紀下半葉，在確定古構(gòu)造應(yīng)力方向方面更有把握，構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬得到運用；現(xiàn)場應(yīng)力測量、古構(gòu)造應(yīng)力值估算技術(shù)獲得廣泛運用。顯微分析技術(shù)提高，顯微動力構(gòu)造類型獲得全面總結(jié)［5］。

21世紀以來，國際上對古構(gòu)造應(yīng)力場-現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場時空變化［6］研究、逆沖推覆構(gòu)造［7］及褶皺沖斷帶［8］等方面有了新的進展。

二、教學及研究中常見問題

1.構(gòu)造分類的常見三種方法

構(gòu)造分類可以有三種方法:幾何法、運動法和動力法。

褶皺構(gòu)造的分類中常用的Richard位態(tài)分類方法（七種位態(tài)）、Ramsay形態(tài)分類（三類五型）方法都屬于幾何法分類；斷層分類中的類似NE、NW、NNE、NNW、ENE、WNW等則也屬于幾何法分類。這種方法有利于在數(shù)學估算方面發(fā)揮作用。

構(gòu)造的A型（空間展布與運動方向平行）、B型（空間展布與運動方向垂直），斷層分類中的正、逆、平移屬于運動法分類。這種分類方法在探討地質(zhì)單元的物理發(fā)展及運動機制中非常有幫助。

節(jié)理分類中的張節(jié)理、剪節(jié)理，斷層分類中的張性、壓性、壓扭性、張扭性等，褶皺分類中的縱彎、橫彎、剪切、柔流等類型屬于動力法分類。這種分類方法在探討地質(zhì)單元改造動力成因方面起到關(guān)鍵作用。

2. 傳統(tǒng)古構(gòu)造應(yīng)力場認識中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系方面的誤區(qū)

構(gòu)造應(yīng)力決定構(gòu)造形變作用的強度和方向，它可能是現(xiàn)代構(gòu)造運動引起與古代構(gòu)造運動的殘留。構(gòu)造應(yīng)力就是在靜巖應(yīng)力狀態(tài)（最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力、最小主應(yīng)力大小相等）之上所附加的一種應(yīng)力狀態(tài)。其存在與大小可用應(yīng)力偏量或差異應(yīng)力（最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差）來表示。由于在巖石圈上層多數(shù)地區(qū)的構(gòu)造運動是以近水平的運動方式為主導，如何解釋這種現(xiàn)象？ 以往傳統(tǒng)古構(gòu)造應(yīng)力的理論存在部分謬誤。

（1）以往傳統(tǒng)古構(gòu)造應(yīng)力曾認為大中型構(gòu)造形變（褶皺、斷裂）對應(yīng)于強度較大的構(gòu)造應(yīng)力作用。在多數(shù)地區(qū)巖石圈表層現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力的水平分量大于垂直分量，故造成了水平位移量常大于垂直位移量的構(gòu)造形變。事實上，雖然一個地方的古構(gòu)造應(yīng)力場大小常變化，但方向相對穩(wěn)定，故作用可以持續(xù)相當長的時間，即不太大的力在較長時間內(nèi)是可以引發(fā)大變形的。

（2）沉積巖相古地理（建造）區(qū)域，幾乎無構(gòu)造形變產(chǎn)生，構(gòu)造應(yīng)力作用極其微弱。事實上，地質(zhì)構(gòu)造作用力的大小跟變形量沒有直接關(guān)系，如果是快速應(yīng)變，即使應(yīng)變量很小，也可以是較大的地質(zhì)應(yīng)力引起。例如華北渤海灣盆地周邊存在諸多控盆邊界斷裂，這里發(fā)生地震時，構(gòu)造形變量一般也只是十米級的。

鑒于古構(gòu)造的復雜性，從科研及教學雙重角度出發(fā)，避免教授更復雜的正應(yīng)力、剪應(yīng)力等巖石力學常用術(shù)語。因此主張構(gòu)造的運動學分類而少用動力學分類。如 “拉張”與“伸展”、“擠壓”與“收縮”，均主張用后者。

3.古構(gòu)造應(yīng)力的成因類型

一般按照可再生性分為可再生應(yīng)力和不可再生應(yīng)力兩大類。

可再生應(yīng)力就是指能夠不受應(yīng)力松弛和逐漸釋放應(yīng)變能的影響而連續(xù)作用或者可以在環(huán)境變化后重新作用在巖體邊界或內(nèi)部的應(yīng)力。如板塊邊界力，包括洋脊推力、板塊牽引力、海溝吸引力、地幔牽引力等等。此外有與負載有關(guān)的應(yīng)力，如俯沖板片的拆沉，可能引發(fā)俯沖板片的回撤運動，并造成島弧的遞進式回撤［9］。值得注意的是，這一類別一般用于大地構(gòu)造研究中，并且注重應(yīng)力方向的歸納研究，應(yīng)力大小研究困難較大。

不可再生應(yīng)力是指初始應(yīng)變能一經(jīng)釋放差應(yīng)力馬上消失的應(yīng)力。如板狀地質(zhì)體的彎曲可引起撓曲應(yīng)力；板狀地質(zhì)體彎曲曲率半徑變化形成虛脫時可能引發(fā)薄膜應(yīng)力；巖石圈內(nèi)的巖漿活動造成溫度變化可引起熱應(yīng)力等。這種古構(gòu)造應(yīng)力在礦產(chǎn)資源勘探中常見，應(yīng)是本科目的講授重點。

4.古構(gòu)造應(yīng)力場研究的基本思路

首先，厘定區(qū)域地質(zhì)背景、區(qū)分構(gòu)造活動時期，包括（1）區(qū)域構(gòu)造形變疊加序列，結(jié)合古生物化石（如不整合面上下層位中）與同位素年齡資料；（2）推論各動力構(gòu)造的不同形成年代。

需要注意在分析清楚年代學構(gòu)造基礎(chǔ)上才能開展同位素年齡測試。常見的定年礦物應(yīng)出現(xiàn)在旋回式破裂愈合脈體、劈理域、壓力影等部位。但礦物封閉溫度各不相同，結(jié)合年齡值解析，對于定量確立構(gòu)造變形演化過程至關(guān)重要。隨著SHRIMP、La-ICPMS、SIMS等U-Pb定年設(shè)備及方法的改進，鋯石作為主要的定年對象礦物，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及成分在解釋數(shù)據(jù)結(jié)果方面顯得越來越重要。角閃石、云母是Ar-Ar定年的主要目標礦物。在古構(gòu)造應(yīng)力場研究與教學中應(yīng)注意總結(jié)這些礦物的微觀破裂準則規(guī)律，以結(jié)合溫壓及時間，探討應(yīng)力場作用下的構(gòu)造演化過程。

其次，厘定構(gòu)造應(yīng)力分布，包括（1）弄清構(gòu)造變形的空間分布及其運動特征；（2）根據(jù)運動學構(gòu)造系統(tǒng)，確定各地點應(yīng)力狀態(tài)方向，利用已存在的構(gòu)造巖半定量地估算古構(gòu)造應(yīng)力大小，統(tǒng)計一定時期及一定區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)力分布。

然后，結(jié)合構(gòu)造地球化學方法，對流體來源做出定性判斷對于合理建立空間模型具有重要意義［10］。

最后，運用將今論古對比法、已知現(xiàn)象歸納統(tǒng)計法等邏輯思路進行區(qū)域問題討論，最終形成推論，因地制宜地建立地應(yīng)力-應(yīng)變-時間信息關(guān)聯(lián)關(guān)系。

5.動力學解析教學方法

在教學過程講解過程中，注意結(jié)合顯微動力構(gòu)造［11］。區(qū)域動力學解析是古構(gòu)造應(yīng)力場研究的主要內(nèi)容。該解析需要引入具有區(qū)域透入性的脆性變形、脆韌性變形構(gòu)造條件下的破裂適用準則，根據(jù)變形確定應(yīng)力方向及大小。庫倫準則、最大有效力矩準則是目前應(yīng)用較廣的準則，應(yīng)予重視。在深部韌性變形巖石顯微構(gòu)造分析中，也存在脆性變形的殘斑礦物。這些殘斑礦物的脆性破裂過程服從或接近服從類似于淺表層次的破裂準則，對于脆韌性流變條件下應(yīng)力方位及大小的確定具有重要意義。

在教學過程講解過程中，物質(zhì)科學對于研究古構(gòu)造應(yīng)力場具有舉足輕重的作用。例如年代學礦物學與演化過程解析；脆韌性強變形巖石中的流體包裹體與變形動力學過程解析、殘斑礦物的破裂準則等均與物質(zhì)科學相銜接。這說明未來的研究將向這個方向發(fā)展，務(wù)必使學生有深刻認識。

三、討論及結(jié)論

古構(gòu)造應(yīng)力場顯微解析的教學問題尚處于探索階段。微觀構(gòu)造年代學研究方向是古構(gòu)造應(yīng)力場的重要發(fā)展方向之一，如若能就斷裂脈體破裂-愈合機制相關(guān)構(gòu)造動力-時間序列開展足夠的定量研究將有助于地震預報工作。

值的注意的是，古構(gòu)造應(yīng)力場還有宏觀研究方向，對于建立野外變形調(diào)查數(shù)據(jù)與大地構(gòu)造之間的聯(lián)系具有重要意義，因而在綜述前人資料時，也是著重考慮的。這方面的教學科研總結(jié)，還需要進一步深入地開展。

在教學過程中，應(yīng)該通過講解、作業(yè)、野外調(diào)研報告撰寫三種方式進行，才能避免謬誤，真正掌握并熟練運用上述古構(gòu)造應(yīng)力場方法。

致謝：感謝中國地質(zhì)大學（北京）萬天豐、林建平、劉俊來等教授的指導。

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paleo tectonic stress field； basic concepts； teaching and research

G640

A

1006-9372（2015）02-0052-03

2015-02-05；

2015-04-24。

中國地質(zhì)大學（北京）2012年度教學研究與教學改革項目（JGYB-201201）；中國地質(zhì)大學（北京）個人發(fā)展基金（F02018）。

張宏遠，男，講師，主要從事構(gòu)造地質(zhì)學、古構(gòu)造應(yīng)力場相關(guān)教學和研究工作。

投稿網(wǎng)址: www.chinageoeducation.net.cn 聯(lián)系郵箱:bjb3162@cugb.edu.cn

引用格式:張宏遠.“古構(gòu)造應(yīng)力場”教學與研究中常見問題分析［J］.中國地質(zhì)教育，2015，24（2）:52-54.

Title: Analysis on Common Problems in Teaching and Research of Paleo-tectonic Stress Field

Author（s）: ZHANG Hong-yuan