第 2–3 章 變形與應變

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這章在回答:岩石變形了多少、怎麼變的?同樣的最終形狀可以經由不同的路徑達成嗎?從變形後的化石、礫石,要怎麼量回應變?這是構造分析的第二層:運動學,只描述運動,不問是什麼力造成的(那是 Ch4–5)。

考前 30 秒

  1. 變形 = 剛體平移 + 剛體旋轉 + 應變(形變) + 體積變化。
  2. e = (l − l₀)/l₀;s = 1 + e;λ = s²;ē = ln(1 + e);γ = tan ψ(ψ 是原本垂直的兩條線偏離 90° 的角度)。
  3. 均質變形:直線仍直、平行仍平行、圓變橢圓。
  4. Pure shear 共軸、Wk = 0、兩條流脊垂直;simple shear 非共軸、Wk = 1、剪動面不變長不旋轉、只剩一條流脊;中間是 subsimple shear(cos α = Wk)。
  5. Flinn 圖 k=X/Y−1Y/Z−1k = \dfrac{X/Y - 1}{Y/Z - 1}:k = 1 平面應變,k > 1 雪茄(L-tectonite),k < 1 鬆餅(S-tectonite)。
  6. 應變分析:Wellman(原本垂直的對稱線)、Breddin、Rf/φ(原本不是圓的標誌)、中心對中心法、Fry 法(中央空白 = 應變橢圓)。

先認識的名詞

名詞一句話
位移場、質點路徑每個質點從起點到終點的向量/變形過程中質點走過的路線
漸進變形變形一步一步累積的歷史
應變橢圓(橢球)圓(球)經均質變形後的形狀;半軸 X ≥ Y ≥ Z
共軸/非共軸主應變軸在變形過程中不轉/會轉
剪動面simple shear 中沒有應變的那個面(像斷層的滑動面)
流脊(flow apophyses)質點不能穿越的「幽靈線」,把質點路徑分成幾區
運動渦度數 Wk非共軸程度:0(pure shear)到 1(simple shear)
ISA瞬時伸張軸,此刻伸長最快(ISA1)、縮短最快(ISA3)的方向
應變標誌知道原本形狀、可以拿來量應變的物體
應變分配總應變在岩體中不均勻地分配

這一章的邏輯地圖

邏輯地圖
岩石變形了多少?怎麼變的?
運動學:只描述,不問原因
變形可以拆成哪幾部分?
平移 + 旋轉 + 應變 + 體積變化
應變怎麼量化?
e、s、λ、ē、γ = tan ψ;應變橢圓
同一個橢圓,走法不同?
pure/subsimple/simple shear;W_k、流脊
三維形狀怎麼分類?
Flinn 圖:雪茄、鬆餅、平面應變
剪切帶裡會長出什麼?
c、e 扇區;褶皺、張裂、Riedel 剪裂
野外怎麼量?
應變標誌;Wellman、Breddin、Rf/φ、Fry
手機上可以左右滑動看全圖。讀法:先把變形拆開,只留下應變,學會量化它。接著分兩條線:左邊看「怎麼走到這個形狀」(變形歷史、pure 或 simple shear),右邊看「最後是什麼形狀」(Flinn 圖)。左邊的結果決定剪切帶裡會長出哪些構造;右邊的結果要靠野外的應變標誌量回來。第 3 節的均質變形是所有分析的前提,第 7 節說明應變和應力不能直接畫等號。

★ = 考試重點。每一節最後有「自我檢測」,先自己回答再打開。

1. 什麼是變形:拆成四個部分

變形(deformation)是岩石從起始幾何到最終幾何的轉換。每個質點從起點到終點有一個位移向量,所有質點的位移向量合起來就是位移場(例如 2011 東北大地震的 GPS 同震位移場);而質點在變形過程中實際走過的路線叫質點路徑,它反映的是漸進變形的歷史。只看起點和終點,無法知道中間怎麼走。

變形可以拆成四個部分:

剛體平移位置變、形狀不變剛體旋轉方向變、形狀不變應變(形變)形狀變:圓 → 橢圓體積變化大小變、形狀不變
變形(deformation)是從起始到最終幾何的轉換,可以拆成四個部分:剛體平移、剛體旋轉、應變(形狀改變,distortion)和體積變化。前兩者岩石內部的質點彼此距離不變,構造地質最關心的是後兩者,尤其是應變。虛線是原本的形狀。自繪示意圖;概念參考:Fossen (2016) Ch2;課堂投影片 Ch2 p.2

剛體平移和剛體旋轉時,質點彼此的距離和夾角都不變,岩石本身沒有「受傷」。應變(strain)則是形狀的改變,質點彼此的相對位置變了;它可以伴隨或不伴隨體積變化。構造地質主要研究應變,因為它記錄在岩石裡:變形的鮞石、退色斑、化石。

數學上,均質變形可以用一個變形矩陣 D(位置梯度張量)描述:新位置 = D × 舊位置,

(x′y′)=(D11D12D21D22)(xy)\begin{pmatrix} x' \\ y' \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} D_{11} & D_{12} \\ D_{21} & D_{22} \end{pmatrix}\begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}

例如 simple shear 是 D=(1γ01)D = \begin{pmatrix} 1 & \gamma \\ 0 & 1 \end{pmatrix}(x' = x + γy),pure shear 是 D=(k001/k)D = \begin{pmatrix} k & 0 \\ 0 & 1/k \end{pmatrix}。D 的行列式是面積變化的倍數(兩者都 = 1,面積不變);反矩陣 D⁻¹ 是「反變形」,可以把變形後的形狀還原。

自我檢測 1
  1. 變形的四個部分是什麼?哪些會在岩石裡留下記錄?
  2. 位移場和質點路徑差在哪?
  3. simple shear 的變形矩陣是什麼?為什麼面積不變?

答案:(1) 平移、旋轉、應變、體積變化;應變和體積變化會留下記錄(形狀、大小改變)。(2) 位移場只連起點和終點;質點路徑是實際走過的路線。(3) [[1, γ], [0, 1]],行列式 = 1。

2. 應變怎麼量化 ★

一維:長度的改變。一條線原長 l₀,變形後長 l:

伸長率e=l−l0l0(無因次;縮短為負,e=−0.2 即縮短 20%)拉伸比s=ll0=1+e(裂谷研究稱 β factor)二次伸長比λ=s2=(1+e)2自然應變eˉ=ln⁡ll0=ln⁡(1+e)\begin{aligned} \text{伸長率}\quad & e = \frac{l - l_0}{l_0} \quad (\text{無因次;縮短為負,}e = -0.2 \text{ 即縮短 } 20\%) \\ \text{拉伸比}\quad & s = \frac{l}{l_0} = 1 + e \quad (\text{裂谷研究稱 }\beta\text{ factor}) \\ \text{二次伸長比}\quad & \lambda = s^2 = (1+e)^2 \\ \text{自然應變}\quad & \bar e = \ln\frac{l}{l_0} = \ln(1+e) \end{aligned}

為什麼要那麼多種?各有用途。e 最直觀;s 可以直接相乘(先拉 2 倍再拉 1.5 倍 = 3 倍);λ 出現在應變橢圓的方程式裡(λ 是 s 的平方,二次伸長比更好的名字其實是「二次拉伸比」);自然應變 ē 是把很多次小變形累加起來的結果,可以直接相加。

易錯:投影片的自然應變寫成 ln(e),應為 ln(1 + e)。

二維:角度的改變。取兩條原本互相垂直的線,變形後它們的夾角偏離 90° 的量叫角剪動 ψ(順時針為正),剪應變 γ = tan ψ。

ψ上方往右錯動γ = tan ψX = 1 + e₁Y = 1 + e₂R = X / Y = 1.99
左:一個正方形和裡面的圓受到 simple shear。原本互相垂直的兩條線(藍綠的垂直線和水平底邊),變形後夾角不再是 90°,偏離的角度 ψ 叫角剪動(angular shear),剪應變 γ = tan ψ。右:圓變成應變橢圓,長軸 X = 1 + e₁、短軸 Y = 1 + e₂,應變比 R = X/Y。這裡 γ = 0.7,ψ ≈ 35°。自繪示意圖;概念參考:Fossen (2016) §2.6–2.8;課堂投影片 Ch2 p.13–15

應變橢圓:均質變形下,一個圓會變成橢圓,它描述了平面上每個方向伸長了多少。長半軸 X = 1 + e₁、短半軸 Y = 1 + e₂,應變比 R = X/Y 描述形狀(R = 1 時沒有形變,只有面積變化)。三維時是應變橢球,三個半軸 X ≥ Y ≥ Z 就是三個主拉伸比:X=λ1=s1X = \sqrt{\lambda_1} = s_1,依此類推。體積變化 Δ = (V − V₀)/V₀。

【例題 ★ 完整解】一條線從 l₀ = 100 拉長到 l = 200。求 e、s、λ、ē。

e = (200 − 100)/100 = 1(100%);s = 200/100 = 2;λ = 2² = 4;ē = ln 2 = 0.69。

注意 ē 比 e 小:自然應變把變形想成許多次小拉伸的累加,每一次都以「當下的長度」為基準。

【例題 ★ 完整解】作業 Hw02:腕足類殼的樞紐線變形前長 20 mm、變形後 26 mm;樞紐線和對稱線原本互相垂直,變形後夾角 70°。求 e、ψ、γ。

第一步:樞紐線的伸長率。 e = (26 − 20)/20 = 0.3(伸長 30%)。

第二步:角剪動。 腕足類的樞紐線和對稱線原本互相垂直,這就是可以量角剪動的原因。變形後 70°,偏離 90° 的量 ψ = 20°。

第三步:剪應變。 γ = tan 20° = 0.36。(數字為示範;作業的圖以實際量到的為準。)

【換你算】一個伸張盆地的地殼從 30 km 被拉薄到 20 km(體積不變、平面應變)。水平方向的 β factor 和 e 是多少?

提示:平面應變、體積不變,厚度乘上寬度不變。

答案:垂直方向 s = 20/30 = 2/3,水平方向 s = 3/2,所以 β = 1.5、e = 0.5(伸張 50%)。

自我檢測 2
  1. e、s、λ、ē 的定義?縮短時 e 的正負?
  2. 角剪動和剪應變的差別?
  3. 應變比 R 代表什麼?R = 1 時代表什麼?

答案:(1) e = Δl/l₀、s = 1 + e、λ = s²、ē = ln(1 + e);縮短時 e < 0。(2) 角剪動 ψ 是角度;剪應變 γ = tan ψ。(3) 應變橢圓的形狀(長短軸比);R = 1 表示沒有形變,只有面積變化。

3. 均質與非均質變形 ★

上面所有的量化都建立在一個前提上:均質變形(homogeneous deformation)。它的定義有三條:

  1. 原本是直線的仍然是直線;
  2. 原本平行的線仍然平行;
  3. 圓變成橢圓(三維:球變成橢球)。

只要有一條不成立,例如直線被彎曲,就是非均質變形。實際的地質變形在露頭或更大的尺度通常是非均質的,所以構造地質家要把構造切割成較小的區域(domain),在每一個區域內近似成均質再分析。

怎麼判斷切出來的區域夠不夠均質(考古題)?就用上面的定義:區域內的標誌層是否仍是直線、平行的線是否仍平行、同類應變標誌(例如鮞石)的形狀和方向是否一致。如果區域內標誌的形狀或方向有系統性的變化,就要切得更小,或改在更大的尺度看。

尺度很重要。一個被很多小斷層切穿的岩體,在大尺度下仍可以當成均質,因為斷層這些不連續面相對很小(投影片 p.8)。北海裂谷局部是 simple shear,但在整個裂谷的尺度上用 pure shear 描述更好(p.42)。

自我檢測 3
  1. 均質變形的三個條件?
  2. 野外怎麼判斷切出來的區域是否近似均質?
  3. 為什麼被斷層切穿的岩體有時可以當成均質?

答案:(1) 直線仍直、平行仍平行、圓變橢圓。(2) 檢查標誌層是否仍直、平行,應變標誌的形狀和方向是否一致。(3) 在大尺度下斷層的不連續相對很小,整體可以近似成均質。

4. 同一個橢圓,兩種走法:pure shear 與 simple shear ★

應變橢圓只告訴我們最後的形狀。同一個橢圓,可以經由完全不同的變形歷史得到。最重要的兩個端點:

Pure shear(純剪):一個方向壓扁、垂直方向等量伸長。主應變軸從頭到尾都不旋轉,平行主應變軸的線始終保持原來的方向,這叫共軸(coaxial)變形。沒有內部渦度。

Simple shear(單剪):像推一疊撲克牌,每一層相對下一層平移。它是一種體積不變的平面應變。和剪動方向平行的面叫剪動面,它是沒有應變的面:剪動面上的線不伸長、不旋轉;垂直剪動面的距離也不變。但應變橢圓的長軸 X 會一直旋轉,從 45° 慢慢轉向剪動方向,這叫非共軸(non-coaxial)變形。

先預測:simple shear 一直做下去,橢圓長軸最後會平行剪動方向、還是一直轉過頭?想好再把變形量拉到最大。

互動:pure、subsimple、simple shear拉運動渦度數 Wk 和變形量,看格子、應變橢圓、流脊和質點路徑
虛線方框:原本的正方形;橘色:原本的圓 → 應變橢圓與 X 軸藍綠:質點路徑金色虛線:流脊(flow apophyses)
應變比 R = X/Y = 2.62
X 軸與剪動方向夾角 = 31.7°
兩條流脊的夾角 α = 0°(只剩一條)(cos α = Wk)
面積不變(det = 1)
simple shear
Wk = 0 是 pure shear:X 軸一直水平(共軸),兩條流脊互相垂直,質點沿雙曲線進出。Wk = 1 是 simple shear:水平的剪動面長度不變,質點直線水平移動,X 軸從 45° 一路轉向剪動方向(非共軸)。中間是 subsimple shear。同一個 R 可以由不同的 Wk 達成。

怎麼描述「介於兩者之間」?用三個流動參數:

  • 流脊(flow apophyses):質點不能穿越的理論線,只能沿著它走或停在上面,它把質點路徑分成幾個區。pure shear 有兩條互相垂直的流脊,質點沿雙曲線靠近一條、遠離另一條;simple shear 只剩一條(平行剪動方向),質點沿直線平行剪動方向移動;subsimple shear(又叫 general shear 通剪)有兩條斜交的流脊,一條平行剪動方向。兩條流脊的夾角 α 從 90°(pure)到 0°(simple)。
  • 運動渦度數 Wk:比較物質線旋轉的角速度和伸長的速率,衡量非共軸的程度,pure shear = 0、simple shear = 1。對平面變形,Wk=cos⁡αW_k = \cos\alpha。
  • ISA(瞬時伸張軸):此刻伸長最快(ISA1)和縮短最快(ISA3)的方向。simple shear 時 ISA 和剪動面夾 45°。注意平行 ISA 的線此刻不旋轉,但平行有限應變主軸的線會旋轉。

如果流動參數在整個變形歷史中都不變,就叫穩態流動(steady-state flow)。

Pure shearSubsimple shearSimple shear
應變歷史共軸非共軸非共軸
流脊夾角 α90°0° < α < 90°0°(只有一條)
運動渦度數 Wk00–11
有限應變主軸不旋轉旋轉旋轉,X 漸趨剪動方向
質點路徑雙曲線,沿流脊進出斜的雙曲線直線,平行剪動方向
和圍岩的相容性要側向擠出,有空間問題介於兩者與未變形圍岩相容

(作業 Hw01 要畫的就是這張表。)

相容性:為什麼剪切帶常常接近 simple shear?

simple shear:邊界貼合,相容pure shear:兩端要側向擠出,不相容
變形帶和旁邊沒變形的圍岩要能接得起來(相容性)。左:simple shear 帶,剪動面方向的長度不變,所以帶的邊界和圍岩完全貼合,沒有空間問題,這是剪切帶常常接近 simple shear 的原因。右:pure shear 帶,帶內垂直方向被壓扁、水平方向伸長,但旁邊的圍岩沒有伸長,兩端的物質無處可去,必須側向擠出,產生相容性問題。自繪示意圖;概念參考:Fossen (2016) Fig. 2.35–2.36;課堂投影片 Ch2 p.35–36

在板塊構造上的意義:斜向聚合(transpression)時,斜的那條流脊平行板塊的聚合向量,α 就是聚合角:90° 是正面碰撞(大尺度的 pure shear),0° 是純粹的平移邊界(大尺度的 simple shear)。

其他參考狀態:

  • Super-simple shear:只有一個特徵向量(三維是一條旋轉軸),所有線都會旋轉,例如相對剛性、只稍微變形的礫石或斑晶。類比板塊運動的歐拉極。
  • Uniaxial strain(單軸應變,例如壓密):只有一個方向縮短,是共軸變形的一種。壓密會讓層面和斷層都變緩。
  • 平面應變:中間軸 Y = 1(不伸長也不縮短),simple shear 和 pure shear 都是平面應變。
自我檢測 4
  1. 共軸和非共軸變形的差別?各舉一例。
  2. Simple shear 中,哪一組物質線不旋轉、也不改變長度?
  3. 什麼是流脊?pure、subsimple、simple shear 各有幾條、夾角多少?
  4. Wk 是什麼?和 α 有什麼關係?
  5. ISA 等於應力軸嗎?

答案:(1) 共軸:主應變軸不轉(pure shear、單軸壓密);非共軸:主應變軸會轉(simple shear)。(2) 平行剪動面的線。(3) 質點不能穿越的理論線;pure 兩條垂直(90°),subsimple 兩條斜交,simple 一條(0°)。(4) 運動渦度數,非共軸程度,0 到 1;平面變形時 Wk = cos α。(5) 不一定,見第 7 節。

5. 三維形狀:Flinn 圖 ★

應變分析通常只能得到比值,不知道絕對大小,所以用兩個比值來描述橢球的形狀:a = X/Y、b = Y/Z,畫成 Flinn 圖。因為 X ≥ Y ≥ Z,a 和 b 都 ≥ 1。

k=a−1b−1=X/Y−1Y/Z−1k = \frac{a - 1}{b - 1} = \frac{X/Y - 1}{Y/Z - 1}
互動:Flinn 圖拉 X/Y 和 Y/Z,看應變橢球是雪茄還是鬆餅
k = 1雪茄 k > 1鬆餅 k < 111223344b = Y/Za = X/YXY 面YZ 面
k = (a − 1)/(b − 1) = 2.00
雪茄狀 prolate(k > 1):L-tectonite
k > 1:X 特別長,像雪茄,岩石發育線理(L-tectonite);k < 1:Z 特別短,像鬆餅,發育葉理(S-tectonite);k = 1 是沒有體積變化時的平面應變(Y = 1)。原點 (1, 1) 是沒有變形。
  • k = 1 的對角線:沒有體積變化時就是平面應變(Y = 1),例如 simple shear。
  • k > 1(上方):雪茄狀(prolate),收縮(constrictional) 應變,岩石發育線理,叫 L-tectonite。
  • k < 1(下方):鬆餅狀(oblate),壓扁(flattening) 應變,岩石發育葉理,叫 S-tectonite。
  • 原點 (1, 1) 是沒有形變;只有等向的體積變化也在原點。

Ramsay 圖是取對數的 Flinn 圖:橫軸 ln(Y/Z)、縱軸 ln(X/Y)。好處是同樣的形狀在圖上的距離和變形量成比例,概念完全一樣。

【例題 ★ 完整解】一個變形礫岩量出 X : Y : Z = 3 : 1.5 : 1。畫在 Flinn 圖上是哪一種?

第一步:算比值。 a = X/Y = 3/1.5 = 2;b = Y/Z = 1.5/1 = 1.5。

第二步:算 k。 k = (2 − 1)/(1.5 − 1) = 1/0.5 = 2。

第三步:判斷。 k > 1,雪茄狀,L-tectonite,岩石以線理為主。可以在上面的互動圖驗證。

【換你算】X : Y : Z = 2 : 1.8 : 0.5,k 是多少?是哪一種?體積有沒有改變?

答案:a = 2/1.8 = 1.11,b = 1.8/0.5 = 3.6,k = 0.11/2.6 ≈ 0.04,非常扁的鬆餅狀(S-tectonite)。體積 = 2 × 1.8 × 0.5 = 1.8,比原來的 1 大了 80%(如果這組數字代表絕對拉伸比的話);只看比值無法知道體積變化,這也是 Flinn 圖只用比值的原因。

自我檢測 5
  1. 為什麼 Flinn 圖用比值而不是絕對大小?
  2. k = 1、k > 1、k < 1 各代表什麼形狀、什麼構造岩?
  3. 平面應變在 Flinn 圖的哪裡?舉一例。

答案:(1) 應變分析通常只能得到比值。(2) 平面應變;雪茄(L-tectonite,線理);鬆餅(S-tectonite,葉理)。(3) k = 1 的對角線(體積不變時);simple shear。

6. Simple shear 剪切帶裡會長出什麼

非共軸變形還有一個重要後果:不同方向的線命運不同。線現在的方向決定它過去被縮短還是伸長:

→ 上盤往右← 下盤往左c 扇區:一直縮短e 扇區:一直伸長c,e 扇區:先縮短後伸長
右移 simple shear(γ = 1.2)之後,依線現在的方向分成三種扇區。c(縮短,藍綠):一路都在縮短,褶皺、壓溶在這裡發育。e(伸長,橘):一路都在伸長,串腸、張裂脈在這裡。c,e(金):先縮短、轉過去之後又伸長,所以會有先褶皺、後串腸化的疊加構造。pure shear 的扇區是對稱的,simple shear 不對稱,這種不對稱是判斷剪切方向的依據。自繪示意圖;概念參考:Fossen (2016) Fig. 2.39;課堂投影片 Ch2 p.38–41

而根據瞬時的伸張、縮短方向,剪切帶裡會長出一整套有固定角度關係的次生構造(考古題:畫出右移剪切帶的應變橢圓和次生構造):

RR′P褶皺軸/逆斷層張裂脈/正斷層和剪切帶的夾角R:−15°,同向剪裂R′:−75°,反向剪裂P:+15°褶皺、逆斷層:+45°張裂、正斷層:+135°應變橢圓長軸 ≈ +45°
右移(dextral)簡單剪切帶裡的次生構造(地圖俯視,角度以剪切帶方向為 0°,逆時針為正)。瞬時的縮短方向(ISA3)和剪切帶夾 135°、伸張方向(ISA1)夾 45°。褶皺軸和逆斷層 ⊥ 縮短方向,所以沿 45° 排成雁行;張裂脈、正斷層 ⊥ 伸張方向,沿 135°。共軛的 Riedel 剪裂和縮短方向夾約 30°:R(同向、右移)和剪切帶夾約 −15°,R′(反向、左移)約 −75°(= 105°);P 剪裂約 +15°。自繪示意圖;概念參考:Fossen (2016) Fig. 2.17–2.18;課堂投影片 Ch2 p.17–18;Riedel 的命名詳見 Ch10
  • 褶皺和逆斷層 ⊥ 縮短方向,排成雁行褶皺、雁行逆斷層;
  • 張裂脈和正斷層 ⊥ 伸張方向;
  • 共軛剪裂和縮短方向夾約 30°:R(同向)和 R′(反向)的 Riedel 剪裂;
  • 雁行褶皺形成之後,也可能被後來的平移斷層錯開(p.18)。

這張圖在 Ch10(運動學指標)會再用到:在野外看到這些構造的排列方式,就能反推剪切的方向。

自我檢測 6
  1. c、e、c,e 扇區各是什麼?c,e 扇區的線會留下什麼構造?
  2. 右移剪切帶中,褶皺軸和張裂脈各和剪切帶夾幾度?
  3. R 和 R′ 剪裂的差別?

答案:(1) 一直縮短、一直伸長、先縮短後伸長;先褶皺後串腸化的疊加構造。(2) 褶皺軸約 45°(⊥ 縮短方向)、張裂脈約 135°(⊥ 伸張方向)。(3) R 是同向剪裂,和剪切帶夾約 15°;R′ 是反向剪裂,夾約 75°。

7. 應變 vs 應力

運動學(應變)和動力學(應力)是兩件事,投影片 p.43–44 用兩個問題提醒:

  1. 知道三個主應力的大小和方向,能知道變形類型嗎? 不能。同一個應力狀態,可以造成 pure shear,也可以造成 simple shear,取決於邊界條件(例如有沒有一個剛性的邊界、有沒有既有的弱面)和材料性質(Ch6 的流變)。
  2. 反過來,從應變推應力會比較容易嗎? 也不容易,但如果知道剪切帶邊界或岩層的方向(邊界條件),就有足夠的資訊來推。

所以 ISA 不一定等於應力軸:在均向材料中瞬時伸張軸和主應力軸可以平行,但在有層理、葉理的各向異性岩石中,兩者常常不重合。有限應變軸(累積的應變橢圓)就更不等於應力軸了,因為非共軸變形中它一直在轉。這是 Ch4–5 要分開講應力的原因。

自我檢測 7
  1. 為什麼知道應力不一定知道變形類型?
  2. 有限應變軸和 ISA、應力軸的關係?

答案:(1) 變形類型還取決於邊界條件和材料性質。(2) 有限應變軸在非共軸變形中會旋轉,不等於 ISA;ISA 在均向材料中可能平行應力軸,在各向異性材料中不一定。

8. 野外怎麼量應變(Ch3)

為什麼要做應變分析? 了解岩石、露頭或一個區域的應變狀態和變化;畫出造山帶裡的剪切帶;估計剪切帶的錯動量;判斷剪切帶是不是 simple shear(Ch15);了解褶皺的形成機制(Ch11);例如用板岩裡變形的退色斑估計縮短了多少。

三個前提(p.60):

  1. 在觀察的尺度下應變是均質的。如果不是,就換一個尺度看:放大到非均質消失的尺度,或切成近似均質的子區。
  2. 標誌和周圍岩石的力學性質相近。性質相同的叫被動標誌;性質不同的(例如很硬的礫石在軟的基質裡)是主動標誌,它的反應和周圍不同,造成應變分配:總應變在岩體中不均勻地分配。
  3. 大致知道標誌原本的形狀。

應變標誌:鮞石、退色斑(原本是球形:細菌把 Fe³⁺ 還原成 Fe²⁺ 形成的淺色斑點,變形後成為鬆餅狀)、腕足類、菊石、箭石、筆石、岩脈、串腸構造、礫岩、角礫、珊瑚、氣孔、枕狀熔岩。

維度用什麼
1D(長度)串腸化岩脈或岩層、斷開的箭石(把斷片加總算伸長)、褶皺層的縮短、被斷層錯開的參考層
2D(剖面)已知原形狀的物體(礫石、鮞石),或多個方向的線狀標誌;同一剖面上不同方向的 1D 資料也可以組合成 2D
3D野外很少直接觀察;用同一地點兩個以上剖面的 2D 結果組合

方法

方法用什麼標誌做法
Wellman 法原本互相垂直的對稱線(腕足類的樞紐線與對稱線)任取一條參考線 AB,從 A、B 各畫平行每隻化石樞紐線和對稱線的線,交出平行四邊形的角點,用橢圓去擬合這些角點
Breddin 圖多個已知原本垂直的標誌越靠近主應變軸,角剪動越小;把每個標誌的角剪動對它的方向作圖(主軸方向未知時對任意參考線),再左右平移資料去對理論曲線,得到 R 和主軸方向
Rf/φ 法原本不是圓的標誌(初始橢率 Ri、方向各異)量每個標誌的最終橢率 Rf 和長軸方向 φ,作圖後求出構造應變 Rs
中心對中心法原本大致均勻分布的顆粒(大小相近、中心清楚)量相鄰顆粒中心的距離對方向作圖,最近距離隨方向的變化就是應變橢圓
Fry 法同上把每一個中心輪流放到原點、疊出所有其他中心,中央的空白區就是應變橢圓

先預測:Fry 法中,如果顆粒原本就不是均勻分布(例如有的擠成一堆),空白區還會清楚嗎?

互動:Fry 法原本大致均勻分布的顆粒中心被變形;把每一點輪流放到中心,疊起來看空白區
變形後的顆粒中心Fry 圖:中央空白 = 應變橢圓
空白區的長短軸比 ≈ 2.20,長軸方向 ≈ 25°(金色虛線)
前提:變形前顆粒大小相近、中心彼此的距離大致相同(不會靠太近)。變形後,沿 X 方向的鄰居被拉遠、沿 Z 方向的被推近,所以疊圖中央那圈「不會有點」的空白區被拉成和應變橢圓一樣的形狀。Rs = 1 時空白區是圓。

(答案:不會。Fry 法和中心對中心法的前提就是「變形前相鄰中心的距離大致相同」,原本就叢聚的話,中央空白會被填掉、邊界模糊。)

自我檢測 8
  1. 應變分析的三個前提?
  2. 被動標誌和主動標誌差在哪?主動標誌會造成什麼問題?
  3. Wellman 法和 Rf/φ 法各適用什麼標誌?
  4. Fry 法中央的空白區代表什麼?前提是什麼?
  5. 怎麼從變形礫岩得到三維應變?

答案:(1) 均質應變、標誌與基質力學性質相近、知道原始形狀。(2) 被動標誌和周圍性質相同,忠實記錄應變;主動標誌性質不同,反應不同,造成應變分配,量到的不等於整體應變。(3) Wellman:原本互相垂直的對稱線;Rf/φ:原本不是圓、方向各異的橢圓標誌。(4) 應變橢圓;前提是顆粒原本大致均勻分布、距離相近。(5) 在同一地點量兩個以上互相垂直的剖面,組合 2D 結果。

容易混淆的地方

容易搞混正確理解
ē = ln(e)?ē = ln(1 + e)
角剪動 = 剪應變?角剪動 ψ 是角度;剪應變 γ = tan ψ
Simple shear 的剪動面會變長?剪動面是沒有應變的面:不變長也不旋轉
Pure shear 只有一條流脊?Pure shear 兩條(垂直);simple shear 一條
Wk = 1 是 pure shear?Wk = 0 pure、= 1 simple
同一個應變橢圓只有一種變形歷史?同一個橢圓可以由 pure 或 simple shear 達成,看的是歷史
k > 1 是鬆餅?k > 1 雪茄(L);k < 1 鬆餅(S)
ISA = 應力軸 = 有限應變軸?三者一般都不相同(見第 7 節)
Fry 圖的點雲就是應變橢圓?中央的空白區才是

章末綜合題

1.(考古、作業 Hw01)何謂 simple shear 和 pure shear?從應變歷史、質點路徑、流脊、內部渦度比較,並說明它們在構造地質上的意義。

Pure shear:共軸,主應變軸不轉;質點沿雙曲線,靠近一條、遠離另一條流脊;兩條流脊互相垂直;Wk = 0。Simple shear:非共軸,X 軸一路轉向剪動方向;質點沿直線平行剪動方向移動;只有一條流脊(平行剪動方向);Wk = 1;剪動面不變長不旋轉。Subsimple shear 介於兩者,兩條流脊斜交,0 < Wk < 1。意義:剪切帶因為和圍岩相容,常接近 simple shear;正面碰撞在大尺度上接近 pure shear,平移邊界接近 simple shear;非共軸變形造成不對稱的構造,可以拿來判斷剪切方向。

2.(考古)請繪圖說明均質岩石受 simple shear 時,剪切帶內瞬間應變的應變橢圓與剪應力的關係,以及相對應的地質構造(斷層、褶皺)方位與可能形成的次生剪裂面。

畫一條右移剪切帶,瞬間應變橢圓的長軸(ISA1)和剪切帶夾 45°、短軸(ISA3)夾 135°。褶皺軸、逆斷層 ⊥ 縮短方向(沿 45°),張裂脈、正斷層 ⊥ 伸張方向(沿 135°);共軛剪裂和縮短方向夾約 30°:R(同向)和剪切帶夾約 15°、R′(反向)約 75°;P 剪裂和 R 對稱。見第 6 節的圖。

3.(計算)simple shear γ = 1。原本和剪動方向垂直的一條線,變形後伸長率 e 是多少?它和剪動方向的夾角變成多少?

原本 (0, 1),變形後 (γ, 1) = (1, 1),長度 √2,e = √2 − 1 ≈ 0.41;和剪動方向夾 45°(原本 90°,被轉了 45°,角剪動 ψ = 45°,γ = tan 45° = 1 ✓)。

4.(觀念)在礫岩裡,硬的石英岩礫石幾乎是圓的,旁邊軟的頁岩礫石卻被拉得很長。用這一章的觀念解釋,並說明要怎麼得到整體的應變。

石英岩礫石比基質硬,是主動標誌,變形時不太跟著變(應變分配:應變集中在軟的頁岩礫石和基質)。只量硬礫石會低估應變,只量軟礫石會高估。應該選和基質力學性質相近的被動標誌,或分開統計不同岩性的礫石、比較它們,必要時配合 Rf/φ 法處理礫石原本不是圓的問題。

延伸:看過就好

應變橢圓的分類(p.16):在 X–Y 圖上,等向的面積變化在 X = Y 的對角線上;只用到 X ≥ Y 的那一半。

體積變化(p.24):等向的體積變化只有體積應變、沒有形變;非等向的體積變化同時有形變。

常見的考題(p.45 複習問題):如果流動參數在整個變形歷史中不變,叫穩態流動;simple shear 中平行剪動面的物質線不旋轉、不變長;pure shear 中主應變軸不旋轉。