脆性断层构造的三维几何模型研究

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1、中南大学博L学位论义摘要摘要脆眭断层是地壳浅层中，“泛发育的一种基本构造型式。f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r作的基，。’d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_卜几个方面对脆-I生／断层的二维儿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

2、形成都经历了裂隙的初始开裂、扩展和破j；l；等三个阶段。二者的主要区别在r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。}一／2通过在不同时刻停止实验进行切片观测和运用分形)LN学方法对实验脆性断，层不同部位、形成不同阶段的二维几何特征进行了定性和定量的研究。／实验脆性断L层是由形态简单、单个裂隙规模较大的

3、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=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削面上的分维值人小都反应了脆

4、生裂隙形态在这些部位的复杂程度和其很好的自相似特征。，o3．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，裂隙相互连接贳通形成宏观断层的逐级递进连通过程。岩年i内裂纹尖端的集中弹性府力和白由面镜像力的相互作用，使塑性区内首先扩展

5、的裂纹成雁行排列：而扩展裂纹与主应力夹角的逐渐减d,N是裂纹W}近张应力和剪廊力集中点的变化所致。j‘／4运川分子动力学、离散元法和火变形网格法对脆性断层的形成过利、二维儿，fⅡf形态平¨应变场进行了系统的数值模拟。f数值模拟形成的脆性断层在平行轴向府力的纵剖面上，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士学位论文摘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。，～o5通过野外实例验证了实验

6、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0＼。端分别由主断层—+马尾状分支裂隙带——卜雁行状裂隙带——卜来变形带所构成。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三维空间的分布和延伸情况，从而指导找矿和r程建设。)1主题词：脆性断层，相似理论．模型实验，三维几何模型，分形儿何学，分子动力学，数值模拟DoctoralDissertationABSTRAC丁Study

7、ontheThree—dimensionalGeometryModelofBrittleFaultThebrittlefaultisoneofbasicstructureintheupperearthHowtoforecasttheextensionofbr(ttlefaultinthree-dimensionalspacebyexistentstructuralform，lithologiccharacter，stressfieldandexperimentaldataisaproblemtoore—pros

8、pecting，earthquakeforecastandprojectconstructionTothisproblem．basedonsummarizingthepreviousresearch，three-dimensionalgeometryofbrittlefaultisstudiedbyfollowsinthisdissertationlBasedonthesimilartheory，theexperimentonformationofbrittlefaulthasbeendonebymodelma

9、terialthatissynthesizedbyquartz-sand，cementandgypsum．Forthemodelhavingpre—crackornot，theformationofbrittlefaultgoesthroughthreestages：mitialbreach，extensionandruptureofcrack．theirmajordifference