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构造物理学基础  071M5008H

学期:2016-2017学年秋 | 课程属性:专业普及课 | 任课教师:宁杰远等
课程编号: 071M5008H 课时: 50 学分: 3.0
课程属性: 专业普及课 主讲教师:宁杰远等
英文名称: Foundation of Tectonophysics

教学目的、要求

本课程为固体地球物理学、地球动力学和构造地质学等专业研究生的专业普及课。狭义的构造物理学主要研究岩石圈(特别是地壳)构造变形现象的物理本质,即研究岩石圈介质形变的形成过程、机制和条件,进而探讨形变与作用力之间的关系。广义的构造物理学则涵盖了固体地球各种尺度上的运动学、结构、组成和动力学。通过本门课程的学习,使学生了解构造物理学的基本理论、基本方法和基本结果,并适当介绍新的发展和成果,使研究生们对构造物理学能有比较深入和全面的了解,为他们今后的科学研究打下基础。

预修课程

构造地质学,弹性力学基础或类似课程

教 材

主要内容

第一章	预备知识 (3学时)
教学重点:应力与应变的概念;应力与普通物理中力的区别与联系;岩石圈中与应力相关的一些概念,如残余应力,构造应力等;力学(初)边值问题的提法及在地壳应力测量中用到的一些经典解;本构关系的重要性(为第二、三、四章作铺垫)。
第1至第3学时:
1.1	应力分析
介绍连续介质力学关于应力的基本概念及如何在地学中准确使用这些基本概念
1.2	应变分析
介绍连续介质力学关于应变的基本概念及如何在地学中准确使用这些基本概念
1.3	本构关系
介绍连续介质力学关于本构关系的基本概念及地学中的应用
1.4	力学(初)边值问题提要 
概略地介绍连续介质力学中问题的提法及解法
第二章  岩石的脆性破裂 (6学时)
教学重点:岩石脆性破裂是岩石圈介质的三大主要形变机制之一,在经典岩石圈强度模型中常被忽略。本章将重点介绍这一机制的实验及处理结果,它们也是理解第七章断层力学大部分内容的关键。
第4至第6学时:
2.1 理论概念
Griffith 理论,裂纹模型,宏观经验及物理破裂准则
第7至第9学时:
2.2 岩石强度的实验研究
宏观破裂强度及其影响因素(尺度、压力、温度、应变率、孔隙压、化学环境等);
2.3 脆-延性转换
一般准则,压力、温度影响
第三章  岩石摩擦 (6学时)
教学重点:岩石的摩擦是岩石圈介质的三大主要形变机制之一。岩石的摩擦与普通物理中的摩擦有本质的不同。粘滑与稳滑是岩石摩擦的重要内容,在地震机制的研究中有非常重要的作用,是教学的重点。
第10至第11学时:
3.1摩擦的粘附理论,弹性接触理论,其它的摩擦性相互作用;
第11至第12学时:
3.2摩擦的实验观测结果
介绍拜尔定律及应用,影响摩擦的因素
第13至第15学时:
3.3粘滑与稳滑
介绍速率和状态变量摩擦定律,摩擦的滑动域,粘滑的动力学
第四章  岩石的蠕变 (3学时)
教学重点:岩石的蠕变是岩石圈介质的三大主要形变机制之一。为了把实验和观测结果外推到更长的时间尺度,需要对蠕变的物理基础有更加深刻的认识。而由连续介质力学方法,观测和实验方法得到的岩石的蠕变性质必须与其微观物理学结果相一致。因此,微观物理学研究对岩石的蠕变是非常必需的,是教学的重点。
第16至第18学时:
4.1 微观物理学
介绍研究方法及结果 
4.2 岩石和矿物的蠕变
介绍主要实验室结果 
4.3 流变学模型及其本构关系
介绍典型的流变学模型及其本构关系的推导
第五章  构造问题模拟 (6学时)
教学重点:模拟实验是科学(技术)研究过程中的重要环节,是研究构造问题的重要手段。模拟可分为物理模拟和数值模拟。本章将系统介绍这方面的内容。
第19至第21学时:
5.1模型建立
介绍如何构建问题
5.2相似性原则
介绍模拟中必须考虑的一个原则及其使用方法
第22至第24学时:
5.3物理模拟
介绍目前常用的几类物理模拟方法
5.4数值模拟
概略性地介绍目前常用的几类数值模拟方法
第六章  褶皱力学 (3学时)
教学重点:Smith R.B. 的褶皱、香肠、窗棂构造统一理论是褶皱力学的较为经典的结果之一,涉及到流体力学的诸多概念和结果,是教学的重点。
第25至第27学时:
6.1弹性褶皱力学提要
介绍弹性力学在褶皱问题研究中的应用
6.2粘性褶皱力学
Smith 褶皱、香肠、窗棂构造统一理论
7.4概略性地介绍褶皱问题的模拟方法
第七章  断层力学 (9学时)
教学重点:这一章要用到第二、三、四章的诸多内容,是上述章节的具体应用。内容多,难点也多。教学的重点在断层的形成和增长及断层的相互作用,难点在断层的强度问题,这个问题至今还存在争议。
第28至第30学时:
7.1力学框架
安德森断层体系,Hubbert-Rubey推覆断层理论
第31至第33学时:
7.2断层的形成和增长
断层的形成,生长和发展,断层相互作用
7.3断层的强度和流变性
流变模型,深部剪切带
第34至第36学时:
7.4断层问题的模拟
通过实例介绍断层问题的模拟方法
第八章  全球地应力 (3学时)
教学重点:地壳应力场的板块构造方面的相关解释;板块运动能量的物理起源及现今应力场来源的一些看法。
第37至第39学时:
8.1亚洲应力数据
介绍亚洲应力图的特点、解释及问题
8.2世界应力图
介绍世界应力图的特点、解释及问题
8.3板块构造解释
介绍及分析目前流行的一些看法
第九章  结语及展望 (1学时)
第40学时:
9.1总结
9.2展望

参考文献

马 瑾,构造物理学概论,地震出版社,北京,1987
Scholz, CH.,The mechanics of earthquakes and faulting,Cambridge University
   Press,Cambridge, UK,2002 
Zang A, Stephansson O., Stress field of the Earth’s crust, Springer, Netherlands, 
   2010
钟嘉猷,构造物理模拟实验图册,科学出版社,北京, 2014

授课时间: 星期三, 第5、6、7节
授课地点: 学4-317
授课周次: 2、3、4、5、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19

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