“古构造应力场”教学与研究中常见问题分析

张宏远

中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083

教学方法

“古构造应力场”教学与研究中常见问题分析

张宏远

中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083

古构造应力场方法对于地质构造的正确解释具有重要意义，是构造类高年级本科生及研究生选修内容之一。本文系统归纳了古构造应力场研究简史及教学中常见概念问题，包括构造分类的常见三种方法、传统古构造应力场认识中应力-应变关系方面的误区、古构造应力的成因类型、古构造应力场研究的基本思路和动力学解析教学方法等，对于学生运用正确思路开展构造动力学资料搜集及分析将具有积极意义。

古构造应力场；基本概念；教学与研究

马杏垣等综合提出构造解析方法，将构造研究分为三个阶段:（1）几何学，探讨构造要素的几何形态和空间组合关系；（2）运动学，探讨构造的运动图式、剪切指向、变形量、应变速率等；（3）动力学，探讨构造形变与主应力状态方位、大小之间的关系［1］。前二者在大学生低年级阶段的“构造地质学”课程中已有全面讲述。最重要的第三阶段涉及较少，为此笔者主张在高年级及研究生中引入“古构造应力场”这门课。万天丰对古构造应力场有过全面的总结，认为其研究的主要内容是动力构造地质学［2］。本课程具有较为重要的理论和实践意义，所讲述的许多基本概念在地震预报学、油气勘探评估阶段以及构造变形机制理论研究中常常用到。例如美国学者D L Turcotte很早就从应力场和温度分布角度研究San Andreas 断裂，并综合各种因素成图用于判断区域内地震危险性［3］；而R H Sibson认识到古地震与金属矿藏的形成有重要关系［4］。

中国地质大学（北京）将本课程纳入到“构造物理学”范畴，旨在站在物理学的高度，从力、热、波、运动、声光等多角度审视“古构造应力场”，从而力求使学生深刻理解这门学科，避免传统错误概念。本文力图归纳出传统古构造应力的理论和应用方面存在的一些常见误区。

一、古构造应力研究简史

19世纪末叶，开始岩石力学试验与物理模拟，意图实现构造形变与力学分析相结合。

20世纪上半叶，李四光提出用构造形变反推构造应力方向的基本原理；格佐夫斯基引进极射赤平投影求主应力轴的方法，发展了图示手段。

20世纪下半叶，在确定古构造应力方向方面更有把握，构造应力场数值模拟得到运用；现场应力测量、古构造应力值估算技术获得广泛运用。显微分析技术提高，显微动力构造类型获得全面总结［5］。

21世纪以来，国际上对古构造应力场-现代构造应力场时空变化［6］研究、逆冲推覆构造［7］及褶皱冲断带［8］等方面有了新的进展。

二、教学及研究中常见问题

1.构造分类的常见三种方法

构造分类可以有三种方法:几何法、运动法和动力法。

褶皱构造的分类中常用的Richard位态分类方法（七种位态）、Ramsay形态分类（三类五型）方法都属于几何法分类；断层分类中的类似NE、NW、NNE、NNW、ENE、WNW等则也属于几何法分类。这种方法有利于在数学估算方面发挥作用。

构造的A型（空间展布与运动方向平行）、B型（空间展布与运动方向垂直），断层分类中的正、逆、平移属于运动法分类。这种分类方法在探讨地质单元的物理发展及运动机制中非常有帮助。

节理分类中的张节理、剪节理，断层分类中的张性、压性、压扭性、张扭性等，褶皱分类中的纵弯、横弯、剪切、柔流等类型属于动力法分类。这种分类方法在探讨地质单元改造动力成因方面起到关键作用。

2. 传统古构造应力场认识中应力-应变关系方面的误区

构造应力决定构造形变作用的强度和方向，它可能是现代构造运动引起与古代构造运动的残留。构造应力就是在静岩应力状态（最大主应力、中间主应力、最小主应力大小相等）之上所附加的一种应力状态。其存在与大小可用应力偏量或差异应力（最大主应力与最小主应力之差）来表示。由于在岩石圈上层多数地区的构造运动是以近水平的运动方式为主导，如何解释这种现象？ 以往传统古构造应力的理论存在部分谬误。

（1）以往传统古构造应力曾认为大中型构造形变（褶皱、断裂）对应于强度较大的构造应力作用。在多数地区岩石圈表层现代构造应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构造形变。事实上，虽然一个地方的古构造应力场大小常变化，但方向相对稳定，故作用可以持续相当长的时间，即不太大的力在较长时间内是可以引发大变形的。

（2）沉积岩相古地理（建造）区域，几乎无构造形变产生，构造应力作用极其微弱。事实上，地质构造作用力的大小跟变形量没有直接关系，如果是快速应变，即使应变量很小，也可以是较大的地质应力引起。例如华北渤海湾盆地周边存在诸多控盆边界断裂，这里发生地震时，构造形变量一般也只是十米级的。

鉴于古构造的复杂性，从科研及教学双重角度出发，避免教授更复杂的正应力、剪应力等岩石力学常用术语。因此主张构造的运动学分类而少用动力学分类。如 “拉张”与“伸展”、“挤压”与“收缩”，均主张用后者。

3.古构造应力的成因类型

一般按照可再生性分为可再生应力和不可再生应力两大类。

可再生应力就是指能够不受应力松弛和逐渐释放应变能的影响而连续作用或者可以在环境变化后重新作用在岩体边界或内部的应力。如板块边界力，包括洋脊推力、板块牵引力、海沟吸引力、地幔牵引力等等。此外有与负载有关的应力，如俯冲板片的拆沉，可能引发俯冲板片的回撤运动，并造成岛弧的递进式回撤［9］。值得注意的是，这一类别一般用于大地构造研究中，并且注重应力方向的归纳研究，应力大小研究困难较大。

不可再生应力是指初始应变能一经释放差应力马上消失的应力。如板状地质体的弯曲可引起挠曲应力；板状地质体弯曲曲率半径变化形成虚脱时可能引发薄膜应力；岩石圈内的岩浆活动造成温度变化可引起热应力等。这种古构造应力在矿产资源勘探中常见，应是本科目的讲授重点。

4.古构造应力场研究的基本思路

首先，厘定区域地质背景、区分构造活动时期，包括（1）区域构造形变叠加序列，结合古生物化石（如不整合面上下层位中）与同位素年龄资料；（2）推论各动力构造的不同形成年代。

需要注意在分析清楚年代学构造基础上才能开展同位素年龄测试。常见的定年矿物应出现在旋回式破裂愈合脉体、劈理域、压力影等部位。但矿物封闭温度各不相同，结合年龄值解析，对于定量确立构造变形演化过程至关重要。随着SHRIMP、La-ICPMS、SIMS等U-Pb定年设备及方法的改进，锆石作为主要的定年对象矿物，其内部结构及成分在解释数据结果方面显得越来越重要。角闪石、云母是Ar-Ar定年的主要目标矿物。在古构造应力场研究与教学中应注意总结这些矿物的微观破裂准则规律，以结合温压及时间，探讨应力场作用下的构造演化过程。

其次，厘定构造应力分布，包括（1）弄清构造变形的空间分布及其运动特征；（2）根据运动学构造系统，确定各地点应力状态方向，利用已存在的构造岩半定量地估算古构造应力大小，统计一定时期及一定区域内的构造应力分布。

然后，结合构造地球化学方法，对流体来源做出定性判断对于合理建立空间模型具有重要意义［10］。

最后，运用将今论古对比法、已知现象归纳统计法等逻辑思路进行区域问题讨论，最终形成推论，因地制宜地建立地应力-应变-时间信息关联关系。

5.动力学解析教学方法

在教学过程讲解过程中，注意结合显微动力构造［11］。区域动力学解析是古构造应力场研究的主要内容。该解析需要引入具有区域透入性的脆性变形、脆韧性变形构造条件下的破裂适用准则，根据变形确定应力方向及大小。库伦准则、最大有效力矩准则是目前应用较广的准则，应予重视。在深部韧性变形岩石显微构造分析中，也存在脆性变形的残斑矿物。这些残斑矿物的脆性破裂过程服从或接近服从类似于浅表层次的破裂准则，对于脆韧性流变条件下应力方位及大小的确定具有重要意义。

在教学过程讲解过程中，物质科学对于研究古构造应力场具有举足轻重的作用。例如年代学矿物学与演化过程解析；脆韧性强变形岩石中的流体包裹体与变形动力学过程解析、残斑矿物的破裂准则等均与物质科学相衔接。这说明未来的研究将向这个方向发展，务必使学生有深刻认识。

三、讨论及结论

古构造应力场显微解析的教学问题尚处于探索阶段。微观构造年代学研究方向是古构造应力场的重要发展方向之一，如若能就断裂脉体破裂-愈合机制相关构造动力-时间序列开展足够的定量研究将有助于地震预报工作。

值的注意的是，古构造应力场还有宏观研究方向，对于建立野外变形调查数据与大地构造之间的联系具有重要意义，因而在综述前人资料时，也是着重考虑的。这方面的教学科研总结，还需要进一步深入地开展。

在教学过程中，应该通过讲解、作业、野外调研报告撰写三种方式进行，才能避免谬误，真正掌握并熟练运用上述古构造应力场方法。

致谢：感谢中国地质大学（北京）万天丰、林建平、刘俊来等教授的指导。

［1］ 马杏垣.解析构造学刍议［J］.地球科学—武汉地质学院学报，1983，8（3）:1-9.

［2］ 万天丰.古构造应力场［M］.北京:地质出版社，1988:1-156.

［3］ Turcotte D L， Tag P H. A steady state model for the distribution of stress and temperature on the San Andreas fault ［J］. Journal of Geophysical Research，1980， 85 （11）:6224-6230.

［4］ Sibson R H. Stress switching in subduction forearcs: Implications for overpressure containment and strength cycling on megathrusts ［J］.Tectonophysics， 2013， 600:142-152.

［5］ Lanza F， Tibaldi A， Bonali F L，et al. Space-time variations of stresses in the Miocene-Quaternary along the Calama-Olacapato-El Toro Fault Zone， Central Andes［J］. Tectonophysics，2013， 593:33-56.

［6］ Fagereng A， Smith Z， Rowe C D， et al. Stress， strain， and fault behavior at a thrust ramp: Insights from the Naukluft thrust， Namibia ［J］. Journal of Structural Geology， 2014， 58:95-107.

［7］ Tavani S， Storti F， Lacombe O， et al. A review of deformation pattern templates in foreland basin systems and fold-and-thrust belts: Implications for the state of stress in the frontal regions of thrust wedges［J］. Earth-Science Reviews， 2015， 141:82-104.

［8］ Passichier C W， Trouw R A J. Microtetectonics［M］. Berlin: Springer， 1996:1-289.

［9］ Rosenbaum G， Lister G S. Neogene and Quaternary rollback evolution of the Tyrrhenian Sea， the Apennines， and the Sicilian Maghrebides ［J］.Tectonics， 2004， 23:1-17.

［10］ Vannucchi P， Remitti F， Bettelli G，et al. Fluid history related to the early Eocene-middle Miocene convergent system of the Northern Apennines（Italy）: Constraints from structural and isotopic studies［J］. Journal of Geophysical Research: Solid Earth（1978-2012），2010， 115:1-23.

［11］ 张宏远，刘俊来.论显微构造地质学的解析性研究与教学［J］.中国地质教育，2011，（3）:64-67.

paleo tectonic stress field； basic concepts； teaching and research

G640

A

1006-9372（2015）02-0052-03

2015-02-05；

2015-04-24。

中国地质大学（北京）2012年度教学研究与教学改革项目（JGYB-201201）；中国地质大学（北京）个人发展基金（F02018）。

张宏远，男，讲师，主要从事构造地质学、古构造应力场相关教学和研究工作。

投稿网址: www.chinageoeducation.net.cn 联系邮箱:bjb3162@cugb.edu.cn

引用格式:张宏远.“古构造应力场”教学与研究中常见问题分析［J］.中国地质教育，2015，24（2）:52-54.

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

Author（s）: ZHANG Hong-yuan