構(gòu)造地質(zhì)學(xué)課件 第二篇成因構(gòu)造地質(zhì)學(xué)——破裂理論概述及其對(duì)巖石變形的意義

1、第六節(jié) 破裂理論概述破裂理論概述 及其對(duì)巖石變形的意義及其對(duì)巖石變形的意義 材料破裂是有規(guī)律的，對(duì)此的研究而產(chǎn)生 種種理論。 一、最大張應(yīng)力理論 當(dāng)外力足夠大時(shí)，材料沿著最大張應(yīng)力面 破裂。 當(dāng)張應(yīng)力達(dá)到或超過巖石的抗張強(qiáng)度時(shí)， 巖石將沿著最大張應(yīng)力作用的截面，即垂直于 最大張應(yīng)力軸的截面發(fā)生破裂，形成張裂面。 （同一巖石抗張強(qiáng)度最小，）。 常溫常壓下各類巖石的強(qiáng)度極限（單位MPa） 巖巖 石石 抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度 抗張強(qiáng)度抗張強(qiáng)度 花崗巖花崗巖 150（37-379） 20（15-30）5-7 砂砂 巖巖 75（11-252）10（5-15）1-3 石灰?guī)r石灰?guī)r 96（6-3

2、60）17（10-20）3-6 大理巖大理巖100（31-262） 8（5-20）3-9 玄武巖玄武巖 250（150-350）15（10-20） - 頁頁 巖巖 50（20-80） 2（1.7-3.3） - 條件：最大張應(yīng)力（3）材料強(qiáng)度極限（ 0），則必須30。 即1=2=0，3為張應(yīng)力，符合此理論 ， 這個(gè)理論適宜圍壓小或淺表 環(huán)境下的單向拉伸的脆性破壞，如對(duì)張節(jié)理 和部分正斷層的形成的力學(xué)解釋，但不能解 釋沒有張應(yīng)力作用下的材料破壞。 二、最大線應(yīng)變理論 當(dāng)外力足夠大時(shí)，材料沿垂直于最大線 應(yīng)變（3）方向破裂。 條件：若最大伸長線應(yīng)變（3）材料線 應(yīng)變極限（0）即30 當(dāng)2=3=0，1

3、為壓應(yīng)力（或有一定固壓 條件下），符合此理論。 最大線應(yīng)變理論材料的破壞與線應(yīng) 變有關(guān)，即沿垂直于最大伸長應(yīng)變方向的截 面上發(fā)生張破裂。 不論在何種應(yīng)力狀態(tài)下，只要材料內(nèi)一點(diǎn) 的最大伸長應(yīng)變達(dá)到了材料承受伸長應(yīng)變的 極限值就會(huì)出現(xiàn)張破裂。這個(gè)理論是對(duì)在沒 有張應(yīng)力直接作用的情況下單向擠壓或具有 一定圍壓的受力條件下張裂形成的解釋；如 香腸構(gòu)造。 三、庫倫-莫爾理論 當(dāng)外力達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí)，材料 沿著最大剪應(yīng)力面發(fā)生剪切破裂。 據(jù)此，剪切破裂僅與剪切面上的最大 剪應(yīng)力有關(guān)，而與其上的正應(yīng)力無關(guān)。 因此，一對(duì)剪面夾角為90，但實(shí)際情 況是作用在剪切面上的正應(yīng)力仍對(duì)剪切 滑動(dòng)起一定的作用，從而使

4、一對(duì)剪面的 夾角并非90，一般小于90； 剪裂角=兩組剪面的夾角（含1之象 限）。 巖 石 1/2剪裂角 花崗閃長巖 1520 砂 巖 2030 灰 巖 2833 黃 土 3440 內(nèi)摩擦力物體在剪破裂時(shí)所需克 服的剪面上的正應(yīng)力。不同巖石內(nèi) 摩擦角不同： 脆性巖石內(nèi)摩擦角 大；韌性巖石內(nèi)摩擦角小。 剪切破裂，不僅與剪面上的剪應(yīng)力 大小有關(guān)，還與正應(yīng)力有關(guān)； 剪應(yīng)力： 巖石剪破裂時(shí)需克服內(nèi)摩擦力，因此剪 破裂時(shí)的剪應(yīng)力大于材料的抗剪強(qiáng)度 ，應(yīng)力狀態(tài)為： （此為一直線方程，為斜率） 0為（正應(yīng)力n=0時(shí)）材料的抗剪能力 ，為內(nèi)摩擦系數(shù)。 nn 0 )( nn f 圖中P點(diǎn)表示剪面上剪應(yīng)力和正應(yīng)

5、力之大小。過P點(diǎn)上切線延長后必 與n相交，交角為。 tg nn 0 =tg，因此， 上式可寫成： ， 為內(nèi)磨擦角。 n 此即庫倫剪 切破裂準(zhǔn)則 關(guān)系式 上圖可知， 1、P點(diǎn)剪應(yīng)力值不是最大，即不是(1 -3)/2， 而是小于(1 -3)/2，； 2、當(dāng)值不變時(shí)剪裂角都相同。其包絡(luò)線為直 線，在坐標(biāo)平面內(nèi)所顯示的直線為兩條，這就 是庫倫破裂準(zhǔn)則； 3、因隨n的增大而減小，故包絡(luò)線呈曲 線，這就是莫爾破裂準(zhǔn)則； 4、與應(yīng)力圓和包絡(luò)線相切點(diǎn)對(duì)應(yīng)的面均處 于臨界狀態(tài)，即在包絡(luò)線上和線外的點(diǎn) 的應(yīng)力條件下物體就產(chǎn)生破裂，在線內(nèi) 的點(diǎn)就不產(chǎn)生破裂。 圍壓影響： 砂巖隨圍壓增大，形成破裂 所需剪應(yīng)力迅速增大

6、， 值和剪裂角基 本保持不變（如a圖）。 頁巖隨圍壓增大，形成破裂所需剪 應(yīng)力增加很小， 值逐漸減小，形成一弧 形曲線，剪裂角加大（如b圖）。 四、格里菲斯理論 材料的實(shí)際破裂強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論 計(jì)算值。只需要由原子和原子結(jié)合力計(jì)算 出來的理想的材料強(qiáng)度100分之一1000 分之一的力，材料就可以破壞。其原因是 因?yàn)椴牧辖M分的不均勻。 無論是金屬材料也好玻璃也好，其中都 有眼睛看不見的原先存在許多微裂隙，這些 微裂隙作為新的自由表面，猶如液體一樣， 具有表面張力，同時(shí)，微裂隙釋放出來的應(yīng) 變能的一部分又可轉(zhuǎn)化為表面張力。因此， 微裂隙末端應(yīng)力集中，很快達(dá)到該點(diǎn)的抗張 強(qiáng)度而使裂隙發(fā)生擴(kuò)展、延長，

7、最后導(dǎo)致材 料的破壞。 第六章 影響巖石力學(xué)性質(zhì) 及巖石變形的因素 巖石變形不僅與受力大小、方向、性質(zhì) 有關(guān)，而且與巖石本身力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。而 巖石的力學(xué)性質(zhì)主要取決于巖石的成份、 結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等內(nèi)在因素，同時(shí)外界因素也 影響巖石的力學(xué)性質(zhì)，如圍壓、溫度、溶 液、孔隙壓力、時(shí)間及巖石變形的應(yīng)力狀 態(tài)等。 一、圍壓 巖石處于地下深處，承受著周 圍 巖體對(duì)它的圍壓。 深度越大，圍壓 越大， 結(jié)果：巖石韌性增強(qiáng)、 強(qiáng)度極限增大、 彈性極限增大； 羅伯遜（E. Roberson）對(duì)石灰?guī)r所做實(shí)驗(yàn)表 明： 地表?xiàng)l件下，圍壓1kg/cm2，當(dāng)壓應(yīng)力為0 2800kg/ cm2，灰?guī)r為彈性，超過則破裂。 圍壓3

8、00700 kg/cm2時(shí)，亦為彈性和很短 的塑性階段，當(dāng)壓應(yīng)力在35003800 kg/cm2 時(shí)，則破裂。 當(dāng)圍壓增到1000 kg/cm2以上，壓應(yīng)力 4000 kg/cm2時(shí)，塑性變形。 圍壓2000 kg/cm2，灰?guī)r壓縮30還未破 裂，塑性加強(qiáng)。 上述表明，強(qiáng)度極限隨圍壓增大而增大， 對(duì)石灰?guī)r的實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 圍壓為一個(gè)大氣壓，抗壓強(qiáng)度2800 kg/cm2。 圍壓1000個(gè)大氣壓，抗壓強(qiáng)度3900 kg/cm2，圍壓4000個(gè)大氣壓，抗壓強(qiáng)度 8000 kg/cm2。普通大氣壓，花崗巖為脆 性， 235個(gè)大氣壓時(shí)，花崗巖為韌性。 因此，脆性斷裂相對(duì)發(fā)育于地表，而越往 深部巖石韌性增強(qiáng)

9、，褶皺形成。 二、溫度 常溫常壓下，許多巖石脆性，隨溫度 升高，抗壓強(qiáng)度降低，彈性減弱，韌性 增大，易于變形。 隨著溫度的增高，晶體質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng) 增強(qiáng)，質(zhì)點(diǎn)間的凝聚力減弱，質(zhì)點(diǎn)容易 產(chǎn)生位移，從而降低了巖石的彈性極限 和強(qiáng)度極限，提高了巖石的塑性和韌性 。 格里格斯（D. T. Griggs, 1951）對(duì)大理 巖所做實(shí)驗(yàn)。圍壓10000個(gè)大氣壓， 室溫條件下，彈性極限為2000kg/cm2。 當(dāng)溫度增高150時(shí)， 彈性極限降低為1000kg/cm2， 表明：隨著溫度增高，巖石易變形，且 抗壓強(qiáng)度低。 三、溶液 干燥和潮濕狀態(tài)下，巖石力學(xué)性質(zhì)不同。 當(dāng)巖石中有溶液和水汽時(shí)，巖石彈性極限 降低，

10、塑性增加。 在10000個(gè)大氣壓，溫度150相同條件 下，濕大理巖比干大理巖更容易發(fā)生塑性變 形；如產(chǎn)生10的變形量，干大理巖需要 3000kg/cm 2，而濕大理巖卻只需要2000 kg/cm2。 同一巖石，因溶液介質(zhì)不同，其強(qiáng)度 降低率也不同。 例如，大理巖，在圍壓10000個(gè)大氣壓 ，煤油介質(zhì)內(nèi)抗壓強(qiáng)度為8100 kg/cm2，水 中抗壓強(qiáng)度為1560 kg/cm2。 大理巖 石英 濕度條件對(duì)巖石抗壓強(qiáng)度的影響 巖石名稱 干性狀態(tài)抗壓強(qiáng)度 濕度條件抗壓強(qiáng)度 強(qiáng)度降低率 （MPa） （MPa） ( %) 花崗巖花崗巖 193-213 162-170 16-20 閃長巖閃長巖 123.5 1

11、08 21.8 煌斑巖煌斑巖 183 141 12 石灰?guī)r石灰?guī)r 150.2 118.48 21 礫礫 巖巖 85.6 54.8 36 砂砂 巖巖 87.1 54.07 39 頁頁 巖巖 52.21 20.39 60 四、孔隙壓力 即巖石孔隙內(nèi)液體的壓力。 孔隙壓力對(duì)斷層和某些沉積巖層構(gòu)造 的形成起著重要作用?？紫秹毫υ龃?，會(huì) 使巖石屈服，強(qiáng)度降低，易于變形。 孔隙壓力也可促進(jìn)巖石破裂。 五、時(shí)間 時(shí)間對(duì)于巖石的的力學(xué)性質(zhì)與變形的影響有 三個(gè)方面： 1、快速施力與緩慢施力 快速施力能加快巖石變形速度，使巖石表現(xiàn) 為脆性。 緩慢施力能使脆性物質(zhì)發(fā)生塑性變形。 長時(shí)間持續(xù)緩慢施力，將使物體破壞所需

12、應(yīng) 力較之快速施力小很多。 2、重復(fù)受力對(duì)巖石變形的影響 巖石重復(fù)受力，力不大也可破裂 。 當(dāng)受力次數(shù)增加，使受力物體達(dá) 疲勞極限（耐力極限）即破裂，但用 低于疲勞極限的應(yīng)力作用于物體次數(shù) 再多，也不能使物體破裂。 3、蠕變與松馳對(duì)巖石變形的影響 蠕變應(yīng)力不增加，隨時(shí)間的增加變形 持續(xù)的現(xiàn)象，是不可恢復(fù)的永久應(yīng)變； 松馳應(yīng)變保持不變，隨時(shí)間的增長應(yīng) 力減小的現(xiàn)象。 兩種都與時(shí)間有關(guān)，說明長時(shí)間緩慢變 形會(huì)降低材料的彈性極限，同時(shí)也降低了粘 度。 不同應(yīng)力作用下的蠕 變曲線不同。 蠕變分三個(gè) 階段 過渡蠕變階 段AB段 平穩(wěn)蠕變階 段BC段 加速蠕變階 段CD段 松弛分二個(gè)階 段： 1、AB段應(yīng)

13、 力迅速減小， 松弛劇降； 2、BC段應(yīng) 力減小較慢， 松弛速度降慢 并趨于某一極 限值 蠕變和松弛，對(duì)于溫度的反映都比 較明顯：溫度越高，蠕變?cè)娇欤沙谧?用也越快。 蠕變和松弛現(xiàn)象是物質(zhì)在長時(shí)間較 小應(yīng)力的作用下，彈性不斷降低，彈性 變形逐漸減小，永久變形不斷增加的過 程的反映。 巖石變形通常是在漫長的地質(zhì)歷史中發(fā) 生的。當(dāng)變形發(fā)展到一定階段后，應(yīng)力又逐 漸降低，出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，從而使變形固定下 來，這種蠕變與松弛現(xiàn)象的反復(fù)發(fā)生，使巖 石中的微小的永久變形不斷積累后形成大規(guī) 模的變形，因此，巖石中的變形構(gòu)造常常是 蠕變的產(chǎn)物。 第七章 節(jié)理的成因分析 第一節(jié) 張節(jié)理與剪節(jié)理張節(jié)理與剪節(jié)理 材

14、料在受力后遭到破壞，以張裂和 剪裂兩種方式表現(xiàn)，而節(jié)理據(jù)其形成 時(shí)所受力的性質(zhì)和其兩側(cè)巖塊相對(duì)微 小趨勢位移，可分張節(jié)理和剪節(jié)理兩 類。 一、張節(jié)理 垂直于主張應(yīng)力，平行于主壓應(yīng)力，在三 軸應(yīng)力狀態(tài)中，張節(jié)理面與1-2面平行， 與應(yīng)變橢球BC面平行。 （一）張節(jié)理形成條件 主張應(yīng)力超過巖石抗張強(qiáng)度，沿與主 張應(yīng)力垂直的面裂開而形成張節(jié)理； 巖石沿一個(gè)方向受壓應(yīng)力作用，按泊 松效應(yīng)在與其垂直的方向上伸長，當(dāng)伸長 超過極限時(shí)，按最大線應(yīng)變理論，巖石裂 開而形成張節(jié)理。 巖石受剪切 ，在與剪切方 向大致呈45 的方向上即受 到拉伸。當(dāng)拉 伸超過極限時(shí) ，在與拉伸垂 直的方向上產(chǎn) 生張節(jié)理。 （二）張

15、節(jié)理形成深度 巖石所受靜巖壓力隨深度增加而增 大，而靜巖壓力愈大，張節(jié)理就愈難產(chǎn)生 。 地下水、石油、天然氣、含礦流體均 與張節(jié)理密切相關(guān)，因此，張節(jié)理的極限 深度的研究具有實(shí)際意義。 張節(jié)理的極限深度？ 兩種情況： 1、某一巖石有一定的抗張強(qiáng) 度和一定的破壞應(yīng)力圓包絡(luò)線 。 設(shè)1為上覆巖體重力所致，巖石產(chǎn) 生張節(jié)理之前的應(yīng)力狀態(tài)必是圖中穩(wěn)定 區(qū)內(nèi)的應(yīng)力圓，通過圖中A點(diǎn)可作的與 包絡(luò)線相切的最大應(yīng)力圓的1（80MPa ）就是形成張節(jié)理最大深度的上覆巖體 的重力，上圖示干燥的輝綠巖，其張節(jié) 理的最大形成深度是2.7km。 （1帕斯卡=1牛頓/米2） 2、在3為壓應(yīng)力時(shí)，若應(yīng)力差（1-3）數(shù)值適當(dāng)

16、，一定的 孔隙壓力同樣會(huì)使巖石產(chǎn)生張節(jié)理，其深度似乎不受限制 。下圖、代表不同應(yīng)力狀態(tài)，具有不同的（1-3 ）值，、代表一定孔隙壓力，由、轉(zhuǎn)化 而來。 原應(yīng)力圓與包絡(luò)線不接觸，受孔隙壓 力后有效應(yīng)力圓與包絡(luò)線相切，產(chǎn)生剪裂 。圖7-3中，圓孔隙壓力P=0.801，變 為圓與包絡(luò)線相切于A點(diǎn)，產(chǎn)生張裂。 圓孔隙壓力P=1.01，變?yōu)楹笕耘c包 絡(luò)線不接觸，故無破裂。圓無需很大孔 隙壓力即可與包絡(luò)線相切于AB之間一點(diǎn) ，因此無張裂，只有剪裂。 在孔隙壓力影響下，原應(yīng)力圓圓周上每一點(diǎn) 正應(yīng)力都減小一個(gè)P值，就等于把原應(yīng)力圓向左 平移一個(gè)P值，成為有效應(yīng)力圓，與包絡(luò)線相切 ，產(chǎn)生剪裂。 二、剪節(jié)理 由剪

17、應(yīng)力作用而形 成，兩側(cè)巖塊有微小 位移，位移方向垂直 于2。 （一）當(dāng)外力超 過抗剪強(qiáng)度即 發(fā)生剪節(jié)理 由共軛剪切 （呂德氏線） 發(fā)展而成，其 與1之夾角小 于45(-內(nèi)摩 擦角) （二）剪切動(dòng)向的 確定 節(jié)理旁的羽列 、節(jié)理的互相切割 、巖脈的沿節(jié)理侵 入、礦物顆粒的微 小錯(cuò)動(dòng)等判斷其動(dòng) 向。 剪切帶內(nèi)次級(jí)破裂面分 析 1、剪裂面方位受內(nèi)摩擦 角制約； 2、R面與Y面夾角為內(nèi) 摩擦角/2； 3、T面與Y面夾角45 ； 4、R面與Y面夾角為 90-/2； 5、P面與R面相對(duì)Y面對(duì) 稱，同旋向； 6、在剪節(jié)理附近主要發(fā) 育R面，T面和R面； 1、R面、R面和 T面是主剪面Y面 相對(duì)滑動(dòng)時(shí)派生 的

18、次級(jí)剪裂面和 張裂面； 2、 P面與X面是 主剪面Y面急劇反 向運(yùn)動(dòng)造成的。 3、剪切帶附近 主要發(fā)育R面、R 面和T面。 第二節(jié) 節(jié)理力學(xué)性質(zhì)的復(fù)合節(jié)理力學(xué)性質(zhì)的復(fù)合 一、節(jié)理力學(xué)性質(zhì)的復(fù)合現(xiàn)象 同一節(jié)理拉伸與剪切性質(zhì) 兼而有之。 纖維方解石的生長方向與 節(jié)理面斜交，顯示節(jié)理有剪切 活動(dòng)，而能夠有纖維狀礦物生 長，其本身就顯示了張性。 二、節(jié)理力學(xué)性質(zhì)復(fù)合的成因 （一）一對(duì)共軛剪面，當(dāng)其中一組占優(yōu)勢時(shí)，另一組 則發(fā)生力學(xué)性質(zhì)復(fù)合現(xiàn)象。 （二）剪切變形中所產(chǎn)生的一組同旋向剪 節(jié)理，由于遞進(jìn)變形，其位置逐步接近局 部應(yīng)力場1方向，因而由剪切變?yōu)榧娑?張裂的性質(zhì)。 第三節(jié) 節(jié)理的組與系節(jié)理的組與系 一、節(jié)理組、系的劃分 同時(shí)、同一應(yīng)力作用下 產(chǎn)生的同一性質(zhì)的、產(chǎn)狀 大致相同的節(jié)理群，叫節(jié) 理組。 非旋轉(zhuǎn)變形所產(chǎn)生的節(jié) 理一般呈平行型的，也可 雁列。 沿節(jié)