BG địa chất cấu tạo (chương 1)

Chương 1 Khái niệm về sự biến dạng 1.1. Khái niệm về ứng suất và biến dạng 1.1.1. ứng suất 1.1.1.1. Lực làm biến đổi trạng thái từng phần hoặc toàn bộ vật thể Làm vật thể chuyển động. Lực (F) = Khối lượng (M) x gia tốc (a) (ĐLII Newton) - Trong Địa chất, ngoại lực tác dụng lên khối đá có nhiều dạng khác nhau: - Nếu a = g (gia tốc trọng trường) = 9,81m/s 2 . Thì F của M=1kg = 9,81N. - Lực là đại lượng vecto, nghĩa là gồm độ lớn (magnitude) và hướng (orientation) Trọng lực (tải trọng của đất đá bên trên): Phương thẳng đứng Phụ thuộc: vị trí, tính chất, khối lượng của đất đá phía trên Lực kiến tạo do các khối đất đá lớn, như các mảng dịch chuyển Phương: đứng hoặc ngang Nội lực là lực tương tác bên trong vật thể nhằm duy trì trạng thái cân bằng. Nó liên quan đến các lực liên kết ion, phân tử tạo nên vật thể và thường được gọi là lực đàn hồi. Phân tích lực - Lực F có thể phân tích thành hai thành phần F1 và F2 vuông góc nhau. Hoặc ngược lại. Như vậy, bất kì hệ thống lực tác dụng lên một điểm đều có thể tổng hợp thành một hợp lực. 1 F F 2 F F 1 2 F F a) b) lực tác dụng và tính chất của vật Phản lực, nhằm chống lại sự tác dụng của 2 lực trên, nên phụ thuộc vào ???? 1.1.1.2. ứng suất (stress) Trong biến dạng, chúng ta thường bỏ qua gia tốc của vật chịu lực và xem hệ lực là hệ kín, nghĩa là các lực triệt tiêu nhau. Trạng thái này tuân theo Định luật III Newton về chuyển động: Trong một vật đứng yên hay chuyển động đều, mọi tương tác đều bằng 0 Như vậy: ứng suất là một cặp lực cân bằng và đối nghịch nhau tác dụng lên một đơn vị diện tích (bề mặt bên ngoài hoặc bên trong vật thể). Hay ứng suất là cường độ nội lực lên một đơn vị diện tích. Độ lớn phụ thuộc vào độ lớn lực tác dụng, diện tích bề mặt tác dụng, phương tác dụng và tính chất của vật chịu lực. ứng suất là một đại lượng vecto. Đơn vị ứng suất Theo SI, đơn vị của lực là Newton (N): 1N = 1kg m/s 2 Theo SI, đơn vị của áp suất và ứng suất là Pascal (Pa): 1Pa = 1N/m 2 Tuy nhiên, trong các văn liệu Địa chất, đơn vị thường sử dụng là bar hoặc kilobar: 1bar = 10 5 Pa = 0,1MPa Vì vậy, các thứ nguyên của ứng suất là (khối lương) x (chiều dài -1 ) x (thời gian -2 ) ứng suất pháp tuyến và ứng suất tiếp tuyến Lực F tác dụng lên một vật thể có thể phân tích thành: - ứng suất pháp: Tác dụng vuông góc với bề mặt bên trong vật thể, kí hiệu là (sigma) - ứng suất tiếp: Tác dụng song song với bề mặt bên trong vật thể, kí hiệu là (tau). Trong không gian 3 chiều, ứng suất tiếp có thể phân tích thành hai thành phần: 1 và 2 vuông góc với nhau (Hỡnh). - Như vậy, trong không gian 3 chiều, chúng ta có thể phân tích F thành 3 thành phần vuông góc với nhau. Lực do trọng lực gây ra có thể tạo ra ứng suất, và có vai trò quan trọng trong trường ứng suất tạo nên các nếp uốn và đứt gãy ????. Các áp dụng trong đòa chất cấu tạo Việc áp dụng ứng suất pháp tuyến và ứng suất tiếp tuyến được thể hiện trong hai thí dụ đơn giản (hình) - Hình A: Ứng suất tại mặt đứt gãy - Hình B: Ứng suất tại mặt phân lớp khi các lớp bò uốn nếp theo cơ chế trượt theo mặt phân lớp. - Từ hình vẽ, Lực nén ép F tác dụng được phân tích thành ứng suất pháp tuyến và tiếp tuyến. Như vậy, thông qua hướng dòch chuyển của đứt gãy và hướng trượt mặt phân lớp, chúng ta có thể dự báo phương của lực tác dụng và ngược lại . (Nhiệm vụ thứ 2) Ứng suất tại một điểm và các thành phần của ứng suất . Để xem xét trạng thái ứng suất tại một điểm trong không gian 3 chiều, chúng ta tưởng tượng xem hệ thống lực tác dụng lên vật hình khối vô cùng nhỏ (xem như điểm) (hình). Và hệ thống các lực này có thể tổng hợp thành lực F tác dụng ở tâm hình khối. Khi hình khối vô cùng nhỏ, có thể xem các lực tác dụng lên các mặt của nó bằng với lực F. Và nếu đặt các cạnh hình khối này song song với các trục x, y và z của hệ tọa độ. Kết quả phân tích được 9 thành phần ứng suất, mỗi mặt có 03 thành phần. Do lực tác dụng bằng và ngược nhau nên các ứng suất trên các mặt đối diện là đồng nhất, 9 thành phần ứng suất gồm: σ X τ xy τ xz σ Y τ yx τ yz σ z τ zx τ zy Để đảm bảo cho hình khối không quay, các ứng suất tiếp trên trục x, y và z phải cân bằng nhau. Vì vậy: τ xy = τ yx ; τ xz = τ zx ; τ yz = τ zy Rút gọn 6 thành phần ứng suất tiếp. Như vậy, 3 ứng suất pháp tuyến: σ X, σ Y σ z Và 3 ứng suất tiếp tuyến: τ xy ; τ xz và τ yz Là 6 thành phần ứng suất cần thiết cho trạng thái ứng suất một điểm - Bằng toán học: Trong vật thể ở trạng thái ứng suất, luôn tồn tại 3 mặt phẳng vuông góc với nhau từng đôi một: + Chỉ có ứng suất pháp ( = 0). + Gọi là 3 mặt ứng suất chính. + Pháp tuyến của 3 mặt này gọi là 3 phương chính. + ứng suất pháp trên 3 mặt này là gọi là các ứng suất pháp chính, 1 > 2 > 3 . + Hướng tác dụng của các ứng suất pháp chính gọi là trục ứng suất chính. Nếu biết giá trị của 1, 2 và 3 có thể tính độ lớn của ứng suất tác dụng lên mặt phẳng bất kỳ tạo với các trục ứng suất một góc đã biết. + ứng suất tiếp tác dụng lên tiết diện đi qua 1 trục và là phân giác của góc tạo bởi hai trục còn lại gọi là ứng suất tiếp chính. Kí hiệu là 1 , 2 và 3 + Ba trục ứng suất chính còn được gọi là stress axial cross, trong đó độ dài của chúng tương ứng với độ lớn của các ứng suất chính. Trong 3 giá trị trên, 2 là lớn nhất và là ứng suất tiếp cực đại, 2 chính là nguyên nhân gây ra các phá hủy cắt trượt. Ứng suất tiếp lớn nhất: Từ công thức cuối cùng, dể thấy khi sin = 1 thì: Nghóa là 2θ = 90 0 , tức θ = 45 0 . Ứng suất tác dụng lên mặt phẳng cho trước: Như đã đề cập, khi biết các ứng suất chính, ta có thể tính các ứng suất tác dụng lên một mặt phẳng có phương đònh hướng cho trước (đã biết). Xét trường hợp không gian 2 chiều: Xét trường ứng suất trong không gian 2 chiều gồm hai ứng suất chính σ 1 , σ 2 . Giả sử các ứng suất tác dụng lên mặt AB, trong đó pháp tuyến mặt AB tạo với ứng suất chính σ 1 một góc θ. Để phân tích các ứng suất chính σ 1 , σ 2 ; chúng ta phải chúng về lực, nghóa là xem AB có chiều dài bằng một đơn vò (một mặt của hình lập phương có diện tích đơn vò), khi đó: OA = sin θ và OB = cos θ. Các lực tác dụng dọc theo OA và OB lần lượt là σ 1 cosθ và σ 2 sinθ (Lực = ứng suất x diện tích) Tiến hành phân tích các lực này thành hợp phần song song và vuông góc với mặt AB, thu được ứng suất pháp tuyến σ và tiếp tuyến τ như sau: [...]... đồng trục (trượt thuần nhất) hay quay (trượt đơn giản) Như vậy, sự đònh hướng của của các nếp uốn hoặc khúc dồi cho phép nghiên cứu quá trình biến dạng lũy tiến Phân tích các yếu tố cấu tạo- kiến trúc phát triển đồng kiến tạo Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng Khi biến dạng xảy ra dưới tác dụng của ứng suất Luôn tồn tại mối quan hệ hình học giữa chúng Tuy nhiên, theo thời gian, hình học của trường... biến dạng trong các vật liệu - Cơ chế phản ứng lại ứng suất tác dụng của các khoáng vật rất khác nhau - Và phụ thuộc: + Không chỉ điều kiện vật lý tại thời điểm tác dụng lực + mà còn tính chất cơ học và thành phần cấu tạo nên vật liệu Biến dạng đàn hồi và dẻo lý tưởng - Biến dạng đàn hồi: + Gọi là biến dạng tạm thời hay biến dạng hồi phục + Ứng suất và biến dạng quan hệ thuần nghòch + Tháo bỏ ứng suất... trục và phụ thuộc vào độ lớn của tạo với đường phương mặt σ1, σ2 và σ3 và giá trò góc θ1, phẳng nghiêng 1 góc α θ2 và θ3 trục ứng suất chính, phương Ứng suất lệch và ứng suất thủy tónh: (Liên quan đến khái niệm ten sơ ứng suất cầu và độ lệch ứng suất Tại vò trí các ứng suất chính cân bằng gọi là trạng thái ứng suất thủy tónh, tương ứng với trạng thái ứng suất của chất lỏng Nghóa là ứng suất tiếp tuyến... phần Ví dụ: Và các ứng suất chính mới sẽ được tính tại vò trí có ứng suất tiếp tuyến = 0: 1.1.2 Biến dạng 1.1.2.1 Các khái niệm Biến dạng là quá trình gây biến đổi vò trí tương quan giữa các phần tử cấu tạo nên vật thể, và có thể gây biến đổi hình dạng và kích thước của vật thể dưới tác dụng của lực ø ng st t¸c dơng Thay ®ỉi h×nh d¹ng Thay ®ỉi thĨ tÝch Thay ®ỉi h×nh d¹ng vµ thĨ tÝch Biến dạng đồng nhất... biến dạng khác nhau Trên giản đồ, các tỉ lệ độ biến dạng chính được thể hiện dưới dạng: a = X/Y = θ x/θ y Và b = Y/Z = θ y/θ z Hình dạng khác nhau của elipsoid được thể hiện bằng hệ số k: K = (a – 1)/ (b – 1) Các trạng thái biến dạng khác nhau tương ứng với giá trò k: - Căng giãn đồng nhất đơn trục: k = ∞ - Biến dạng co rút (elipsoid dạng kéo dài): 1 . ra có thể tạo ra ứng suất, và có vai trò quan trọng trong trường ứng suất tạo nên các nếp uốn và đứt gãy ????. Các áp dụng trong đòa chất cấu tạo Việc. bên trên): Phương thẳng đứng Phụ thuộc: vị trí, tính chất, khối lượng của đất đá phía trên Lực kiến tạo do các khối đất đá lớn, như các mảng dịch chuyển