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構造地質学とは、岩石ユニットの変形履歴に関する三次元分布を研究する学問です。構造地質学の主な目的は、現在の岩石形状の測定値を用いて、岩石の変形履歴（歪み）に関する情報を明らかにし、最終的には、観測された歪みと形状をもたらした応力場を理解することです。この応力場のダイナミクスに関する理解は、地質時代の重要な出来事と関連付けることができます。共通の目標は、プレートテクトニクスによる地域的に広範囲にわたる岩石変形パターン（例えば、造山運動、地溝形成）に関して、特定の地域の構造的進化を理解することです。
地質構造の研究は、石油地質学と鉱山地質学の両方において、経済地質学において極めて重要であった。[ 1 ]褶曲や断層のある岩層は、石油や天然ガスなどの流体を蓄積・濃縮するトラップを形成することが多い。同様に、断層や構造的に複雑な地域は、熱水流体の浸透性ゾーンとして注目され、卑金属や貴金属の鉱床が集中する地域となる。さまざまな金属を含む鉱脈は、構造的に複雑な地域の断層や亀裂によく見られる。これらの構造的に亀裂や断層のあるゾーンは、貫入火成岩と関連して発生することが多い。また、地質的な礁複合体や、古代のシンクホールなどの陥没地形の周辺にもよく見られる。金、銀、銅、鉛、 亜鉛、その他の金属の鉱床は、構造的に複雑な地域によく見られる。
構造地質学は、自然岩石の物理的および機械的特性を扱う工学地質学の重要な分野です。断層、褶曲、葉理、節理などの構造組織や欠陥は、岩石の内部的な弱点であり、ダム、道路切土、露天掘り鉱山、地下鉱山、道路トンネルといった人工構造物の安定性に影響を与える可能性があります。
地震リスクを含む地盤工学的リスクは、構造地質学と地形学の組み合わせを調査することによってのみ調査できます。[ 2 ]さらに、洞窟、潜在的な陥没穴、またはその他の崩壊地形の上に位置するカルスト地形の地域は、これらの科学者にとって特に重要です。また、急斜面の地域は、崩壊または地滑りの危険性があります。
環境地質学者や水文地質学者は、地質学的サイトが地下水の流れや浸透にどのように影響を与えるか（あるいは影響を受けるか）を理解するために、構造地質学の原理を適用する必要があります。例えば、水文地質学者は、廃棄物投棄場からの有害物質の浸出が住宅地で発生しているかどうか、あるいは塩水が帯水層に浸透しているかどうかを判断する必要があるかもしれません。
プレートテクトニクスは、1960年代に開発された理論で、地殻プレートの分離と衝突による大陸の移動を説明するものです。ある意味では惑星規模の構造地質学であり、構造地質学全体を通して、地球規模、地域規模、局所規模の特徴を分析および理解するための枠組みとして使用されています。[ 3 ]
構造地質学者は、(第一に)岩石の形状を測定し、(第二に)岩石の変形履歴を再構築し、(第三に)その変形を引き起こした応力場を推定するために、さまざまな方法を用いる。
構造地質学の主要なデータセットは、現地で収集されます。構造地質学者は、さまざまな平面構造（層理面、葉理面、褶曲軸面、断層面、節理）と線状構造（鉱物が延性的に伸張された伸張線構造、褶曲軸、交差線構造（平面構造の痕跡が別の平面上に現れるもの））を測定します。
地質学における平面構造の傾斜は、走向と傾斜によって測定されます。走向は、平面構造と水平面との交線であり、右手系に従って取られます。傾斜は、走向に対して直角に水平方向から下向きに傾斜する角度です。たとえば、北から東に25度の走向で、南東に45度の傾斜がある場合、N25E、45SE と記録されます。 あるいは、絶対値である傾斜と傾斜方向を使用することもできます。傾斜方向は、一般的に北から時計回りに360度で測定されます。たとえば、方位角115度に向かって45度の傾斜がある場合、45/115 と記録されます。これは上記と同じであることに注意してください。
「hade」という用語は時折使用され、平面が垂直からずれている度合い、つまり（90°傾斜）を表します。
褶曲軸の傾斜角は、傾斜方向と傾斜角（厳密には、傾斜角と傾斜角の方位角）で測定されます。褶曲軸面の向きは、走向と傾斜方向、または傾斜方向と傾斜角で測定されます。
線状構造は、可能であれば傾斜角と傾斜方向で測定されます。線状構造は平面上に現れることが多く、直接測定が難しい場合があります。このような場合、線状構造は水平面からの傾斜角または傾斜角度として測定されます。
傾斜角は、分度器を平面上に水平に置き、水平方向から時計回りに線構造の角度を測定することで求められます。線構造の向きは、ステレオ投影法を用いて、測定に使用した平面の傾斜角と走向傾斜角の情報から算出できます。
断層面に、例えば断層面上の動きによって形成された線状構造（例えば、擦痕）がある場合、それは傾斜角とともに線状構造として記録され、断層の変位量を示す注釈が付けられます。
一般的に、平面構造の走向と傾斜の情報は、傾斜/傾斜方向の形式で記録する方が簡単です。これは、褶曲や線状構造などについて記録する他のすべての構造情報と一致するためです。ただし、平面データと線状データを区別する異なる形式を使用する利点もあります。
構造地質学を分析する際の慣習は、平面構造（これは組織形成を意味するため、平面構造と呼ばれることが多い） 、線状構造を特定し、これらの分析から変形を解明することである。
平面構造は形成順に命名され、元の堆積層が最も下層でS0とされます。高度に変形した岩石ではS0を特定することが困難な場合が多いため、番号は任意の番号から開始するか、文字（例えばSA）を付与することがあります。埋没変成作用や続成作用によって層理面の葉理が生じている場合は、S0aと番号付けされることがあります。
褶曲が存在する場合は、F 1、F 2などと番号が付けられます。一般的に、褶曲の軸面葉理または劈開は褶曲中に形成されるため、番号の規則はそれと一致する必要があります。例えば、F 2 の褶曲は S 2 の軸面葉理を持つはずです。
変形は、その形成順序に従って番号が付けられ、文字Dは変形事象を表します。例えば、D1 、 D2 、 D3などです。褶曲や葉理は変形事象によって形成されるため、これらの事象と相関関係にあるはずです。例えば、S2軸面葉理を持つF2褶曲は、D2変形の結果となります。
変成作用は複数の変形にまたがる場合があります。場合によっては、それらが引き起こした構造的特徴に類似した名称（例：M2）で識別することが有用です。これは、既知の変形年代の劈開面における斑状変晶の形成を観察したり、異なる作用によって形成された変成鉱物集合体を識別したり、地質年代学を利用したりすることによって可能になります。
岩石中の交差線構造は、2つの平面構造の交差によって生じるため、それらを形成する2つの平面構造にちなんで命名されます。例えば、S1劈開と層理の交差線構造は、L1-0交差線構造（劈開-層理線構造とも呼ばれる）と呼ばれます。
伸張線構造は定量化が難しい場合があり、特に葉理情報がほとんど残っていない高度に伸張された延性岩石ではなおさらです。可能な場合は、変形と相関させて（褶曲で形成されるものは少なく、多くは厳密には平面葉理と関連していないため）、平面や褶曲と同様に識別できます（例：L 1、L 2）。便宜上、一部の地質学者は、交差線構造と区別するために、添え字Sを付けて注釈を付けることを好む場合があります（例：L s1）。ただし、これは一般的に冗長です。
ステレオ投影は、変形応力、岩相単位、貫入構造の性質と方向を分析する方法であり、仮想球を通過する線状および平面状の特徴（通常はコンパス傾斜計を使用して取得される構造的な走向と傾斜の読み取り値）を2次元グリッド投影上にプロットし、一連の測定値のより包括的な分析を容易にします。Richard W. Allmendingerによって開発されたStereonet [ 4 ]は、構造地質学コミュニティで広く使用されています。
構造地質学とは、より広い視点で見ると、岩石のテレーンや地質地域内の地層単位の三次元的な相互作用や関係性を研究する学問である。
この構造地質学の分野は、主に地層（層理面）の向き、変形、および関係性を扱います。地層は、何らかの地殻変動によって断層、褶曲、または葉理構造を形成された可能性があります。これは主に幾何学的な科学であり、岩石、地域、テレーン、および地殻の一部に関する断面図や三次元ブロックモデルを作成することができます。
地域構造の研究は、造山運動、プレートテクトニクスを理解する上で重要であり、特に石油、ガス、鉱物探査産業においては、断層、褶曲、不整合などの構造が鉱石の鉱化作用や油田の形成を左右する主要な要因となるため、その重要性は高い。
現代の地域構造は、3次元地震トモグラフィーと地震反射法を用いて調査されており、地球内部、断層、深部地殻の比類のない画像が得られている。重力探査や空中磁気探査などの地球物理学的情報からは、深部地殻に存在するとされる岩石の性質に関する情報も得られる。
岩石の微細構造や組織は、構造地質学者によって小規模に研究され、主に変成岩や堆積岩の一部の特徴（特に褶曲している場合）に関する詳細な情報を提供する。
組織学的研究には、葉理、鋸歯状構造、変成鉱物の測定と特性評価、およびこれらの構造的特徴と鉱物学的特徴との間の時間的関係の解明が含まれる。
地質学者は岩石の形状測定を用いて、岩石の歪みの履歴を理解する。歪みは、脆性断層運動と延性褶曲・せん断運動という形で現れる。脆性変形は地殻の浅い部分で起こり、延性変形は温度と圧力が高い地殻の深い部分で起こる。
岩石における応力とひずみの構成関係を理解することで、地質学者は観測された岩石変形パターンを地質時代の応力場に変換することができる。変形構造から応力場を決定するために一般的に用いられる特徴は以下のとおりである。
石油・鉱物開発などの経済地質学分野、そして研究分野において、構造地質のモデリングはますます重要になっています。背斜、向斜、褶曲・衝上断層帯などの構造システムの2Dおよび3Dモデルは、構造が時間とともにどのように変化してきたかをより深く理解するのに役立ちます。地下構造のモデリングや解釈を行わなければ、地質学者は地表の地質図に関する知識に頼るしかありません。地表の地質だけに頼ると、地域の構造史や地殻変動史を見落とし、大きな経済的可能性を見逃してしまう可能性があります。
岩石の力学的特性は、地殻深部での変形過程で形成される構造において極めて重要な役割を果たします。岩石が存在する環境条件によって、地質学者が地上で観察する様々な構造が生じます。構造地質学は、人間が目にする地形と、岩石がその最終構造に至るまでに経てきた変化との関連性を明らかにしようとする学問分野です。こうした構造を生み出す変形条件を知ることで、岩石の変形の歴史を解明することができます。
温度と圧力は岩石の変形に非常に大きな役割を果たします。地殻下の極めて高温高圧の条件下では、岩石は延性を示します。つまり、曲がったり、折り畳まれたり、破壊されたりします。地中の岩石構造の形成に寄与するその他の重要な条件としては、応力場とひずみ場が挙げられます。
応力とは、面積に対する方向性のある力として定義される圧力のことです。岩石が応力を受けると、形状が変化します。応力が解放されると、岩石は元の形状に戻る場合もあれば、戻らない場合もあります。この形状変化は、ひずみ、つまり材料の元の長さに対する一次元方向の長さの変化によって定量化されます。応力はひずみを誘発し、最終的に構造変化をもたらします。
弾性変形とは、可逆的な変形を指します。つまり、岩石にかかる応力が解放されると、岩石は元の形状に戻ります。可逆的な線形弾性は、原子結合の伸縮、圧縮、または歪みを伴います。結合が切断されないため、力が解放されると材料は元の形状に戻ります。この種の変形は、応力とひずみの間の線形関係、すなわちフックの法則を用いてモデル化されます。
ここでσは応力を表し、はひずみを表し、Eは弾性率であり、材料によって値が異なります。弾性率は、実質的に原子結合の強さを表す指標です。
塑性変形とは、不可逆的な変形のことである。永久変形における応力とひずみの関係は非線形である。応力によって結合が破壊され、材料の形状が永久的に変化する。
塑性変形のメカニズムの一つは、加えられた応力による転位の移動です。岩石は基本的に鉱物の集合体であるため、多結晶材料と考えることができます。転位は結晶学的欠陥の一種であり、結晶格子を構成する原子の周期的な配列において、原子の半平面が余分に存在したり、欠落したりした状態を指します。転位は、すべての実際の結晶性物質に存在します。
硬度を定量化するのは難しい。硬度は変形、特に永久変形に対する抵抗の尺度である。硬度は表面特性、つまり材料の摩耗性や表面の引っかき傷に対する抵抗の尺度として用いられる前例がある。しかし、試験対象の材料が組成と構造が均一であれば、材料の表面はわずか数原子層の厚さしかなく、測定は材料全体のものである。したがって、単純な表面測定によって、材料全体の特性に関する情報が得られる。硬度を測定する方法には以下のようなものがある。
圧痕硬度は冶金学や材料科学でよく用いられ、圧子による貫入に対する抵抗と考えることができる。
靭性は、材料の亀裂に対する抵抗力によって最もよく表されます。塑性変形中、材料は破壊が生じるまでエネルギーを吸収します。応力-ひずみ曲線の下の面積は、材料を破壊するのに必要な仕事量です。靭性係数は次のように定義されます。
どこは究極の引張強度であり、は破壊時のひずみです。弾性率は、材料が破壊せずに単位体積あたりに吸収できる最大エネルギー量です。弾性率の式から、大きな靭性を得るには、高い強度と高い延性が必要です。これら 2 つの特性は通常、互いに排他的です。脆性材料は、塑性変形が少ないためひずみが減少する（延性が低い）ため、靭性が低くなります。靭性を測定する方法には、ページ衝撃試験機とシャルピー衝撃試験があります。
弾性回復力とは、材料が応力下で吸収する弾性エネルギーの尺度です。言い換えれば、変形中に材料に対して行われる外部仕事です。応力-ひずみ曲線の弾性部分の下の面積は、単位体積あたりに吸収されるひずみエネルギーです。弾性回復係数は次のように定義されます。
どこは材料の降伏強度、Eは材料の弾性率である。弾力性を高めるには、弾性降伏強度を高め、弾性率を低くする必要がある。
