巖石力學(xué)性質(zhì)

1、巖石力學(xué)性質(zhì)研究的途徑巖石力學(xué)性質(zhì)研究的途徑 （1）觀察天然巖石的力學(xué)現(xiàn)象（天然露頭等）； （2）實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)巖石進(jìn)行變形實(shí)驗(yàn)； （3）在野外對(duì)巖體進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)； （4）理論分析和數(shù)值模擬。 塑性變形塑性變形 脆性變形脆性變形 天然巖石變形天然巖石變形 0.1MPa0.1MPa高溫流變儀高溫流變儀 樣品裝置示意圖樣品裝置示意圖 實(shí)驗(yàn)室?guī)r石變形實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石變形實(shí)驗(yàn) 1 2=3 =圍壓圍壓 1=2 =圍壓圍壓 1 3 3 差應(yīng)力（差應(yīng)力（differential stress）=1-3 l在受到外界應(yīng)力作用時(shí)，固體材料的力學(xué) 響應(yīng)具有很大變化性。即使對(duì)某種特定的 材料，它的力學(xué)響應(yīng)也要取決于變形的

2、物 理和化學(xué)條件。 l目前，人們將材料的力學(xué)響應(yīng)主要?jiǎng)澐譃?彈性（elastic）、粘性（viscous）和塑性 （plastic）等類(lèi)型。 巖石力學(xué)性質(zhì)的一些基本概念（一）巖石力學(xué)性質(zhì)的一些基本概念（一） l彈性變形：彈性變形：指物體在外力作用下變形，當(dāng)外力除 去后物體能完全恢復(fù)原狀。具有這種性能的物體 稱(chēng)為彈性體，它的變形稱(chēng)為彈性變形。彈性分理 想彈性和非理想彈性。 l理想彈性體理想彈性體的變形是可逆過(guò)程，它的應(yīng)力與應(yīng)變 之間有一個(gè)確定的單值關(guān)系，符合虎克定律： =Ee 其中E為楊氏彈性模量。 巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn) l非理想彈性體非理想彈性體的變形：受力不立即產(chǎn)生全

3、部彈性的變形：受力不立即產(chǎn)生全部彈性 變形，而是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大彈性變形到變形，而是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大彈性變形到 應(yīng)有的值；當(dāng)撤除外力后，也不立即恢復(fù)原狀，應(yīng)有的值；當(dāng)撤除外力后，也不立即恢復(fù)原狀， 而是隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸恢復(fù)原狀。這種現(xiàn)象稱(chēng)為而是隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸恢復(fù)原狀。這種現(xiàn)象稱(chēng)為彈彈 性后效（即滯彈性）性后效（即滯彈性）。 l巖石彈性變形通常表現(xiàn)為滯彈性（巖石彈性變形通常表現(xiàn)為滯彈性（anelastic）。）。 巖石的滯彈性具有重要意義，上地幔的地震波衰巖石的滯彈性具有重要意義，上地幔的地震波衰 減就被認(rèn)為與巖石的滯彈性有關(guān)。減就被認(rèn)為與巖石的滯彈性有關(guān)。 滯彈性（滯彈性（anela

4、stic） 巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn) 隨著變形繼續(xù)，應(yīng)力隨著變形繼續(xù)，應(yīng)力 應(yīng)變曲線(xiàn)斜率變小，這應(yīng)變曲線(xiàn)斜率變小，這 時(shí)如果撤除應(yīng)力，曲線(xiàn)時(shí)如果撤除應(yīng)力，曲線(xiàn) 并不回到原點(diǎn)，而與并不回到原點(diǎn)，而與e 軸交于軸交于e1，說(shuō)明試樣由，說(shuō)明試樣由 于超出其彈性極限而發(fā)于超出其彈性極限而發(fā) 生了永久變形。這個(gè)極生了永久變形。這個(gè)極 限點(diǎn)的應(yīng)力叫限點(diǎn)的應(yīng)力叫屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力 y（yield stress）。）。 l塑性變形塑性變形是指物體在外力施加的同時(shí)產(chǎn)生變形， 但在外力解除之后，變形永遠(yuǎn)不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)的這 種性能，具有這種性能的物體稱(chēng)為塑性體，它的 變形稱(chēng)為塑性變形。 l在應(yīng)力不超

5、過(guò)某一臨界值y的條件下，理想塑性理想塑性 材料材料可以持續(xù)永久變形，在這一臨界值之下，材 料不發(fā)生變形。 巖石力學(xué)性質(zhì)的一些基本概念（二）巖石力學(xué)性質(zhì)的一些基本概念（二） 巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn) 巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn) y 理想塑性材料的力學(xué)行為理想塑性材料的力學(xué)行為 巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn) 韌性和塑性區(qū)別韌性和塑性區(qū)別 n韌性（延性）是用來(lái)描述允許大應(yīng)變，以宏觀均質(zhì) 變形為特征，而不管所包括的微觀變形機(jī)制如何的 流變性質(zhì)。 n塑性是一種永久變形，它涉及晶內(nèi)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的微 觀機(jī)制，可能

6、還包括擴(kuò)散。 n巖石變形機(jī)制通常有三種： （1）碎裂機(jī)制（cataclasis）； （2）晶內(nèi)塑性（intracrystalline plasticity） （3）物質(zhì)擴(kuò)散流動(dòng)（flow by diffusive mass transfer） n脆韌性轉(zhuǎn)化從宏觀上描述 n脆塑性轉(zhuǎn)化從微觀機(jī)制上描述 n脆塑性轉(zhuǎn)換域是一個(gè)十分重要的問(wèn)題， 地球上大部分地震都發(fā)生在脆塑性轉(zhuǎn)換 域的深度。 世界上一些地區(qū)地震震源深度分布柱狀圖 （據(jù)Maggi et al., 2000a） 巖石力學(xué)性質(zhì)的一些基本概念（三）巖石力學(xué)性質(zhì)的一些基本概念（三） l流體粘性是流體內(nèi)部各流層之間相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，層面間存在一種內(nèi)摩擦效

7、應(yīng)。 l流體沿著x方向流動(dòng)的n個(gè)不同流層。它們的流速是y的函數(shù)，在y軸方向的 變化率稱(chēng)為速度梯度，d/dy。同一位置上的剪應(yīng)力（摩擦阻力）與速度梯度 呈正比關(guān)系 l=d/dy 粘度（Pas） l（1）式中可作下列變換 l（1）改寫(xiě)為 l（1）、（3）式稱(chēng)為線(xiàn)性粘性定律（牛頓粘性定律），服從牛頓粘性定律的 材料稱(chēng)為牛頓流體（或線(xiàn)粘性流體）。具牛頓粘性變形稱(chēng)為粘性流體變形。 dt d y du dt d t du dy d dy ud )()( （2） （1） （3） （4） 理想粘性材料的力學(xué)行為理想粘性材料的力學(xué)行為 l彈塑性變形指有些物體同時(shí)具有彈性和塑性的性 能。在彈塑性變形中，有一部分是

8、彈性，其余為塑 性變形。 l既具有彈性，又能發(fā)生粘性流動(dòng)的材料，稱(chēng)為粘彈 性，它所表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)，稱(chēng)為粘彈性。如蛋清就 是一種粘彈性體。 l巖石在長(zhǎng)期力作用下是一種同時(shí)具有彈性和塑性的 物質(zhì)，這種彈性和塑性是指在彈性范圍內(nèi)顯現(xiàn)的彈 性和塑性；當(dāng)巖層具有高度塑性時(shí)還能發(fā)生半粘性 流動(dòng)。 n巖石也是一種粘彈性體，它不像蛋清這樣明顯，這主要 是它的流動(dòng)需要在長(zhǎng)時(shí)間載荷下表現(xiàn)出來(lái)。對(duì)于固體或 流體而言，溫度越高，粘度越低，反映易流動(dòng)性越大。 n巖石具有非常緩慢的流動(dòng)性。 n粘度是衡量地球動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要參數(shù)。 n近代，人們把物體所有這些力學(xué)性質(zhì)概括為物質(zhì)的流變 性（rheological proper

9、ties），并形成一門(mén)新興學(xué)科 流變學(xué)（rheology） n流變學(xué)是研究固體物質(zhì)流動(dòng)的科學(xué)。因此，從近代地球 科學(xué)觀念來(lái)看，地球物質(zhì)具有流變性。把研究地球物質(zhì) 流動(dòng)性質(zhì)和規(guī)律的科學(xué)，稱(chēng)為“地球流變學(xué)（Rheology of Earth Materials）”。 影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素 應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì) 影響因素影響因素 l應(yīng)力和應(yīng)變是巖石或地塊在外界力影響下的重要響應(yīng)。應(yīng)力是物 理方面的反映之一，應(yīng)變是幾何學(xué)方面的反映之一； l巖石力學(xué)性質(zhì)是指在應(yīng)力和應(yīng)變作用下，巖石出現(xiàn)塑性變形或 脆性變形（破裂）的條件； l巖石力學(xué)性質(zhì)是約束巖石變形和構(gòu)造幾何

10、特征的重要條件。例如 同樣的壓應(yīng)力作用在不同巖層上，力學(xué)表象不同： 在柔性巖層中褶皺構(gòu)造 在相對(duì)硬巖層中斷裂構(gòu)造 在軟硬相間巖層中香腸構(gòu)造 影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素 u各向異性對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響； u圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響； u溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響； u孔隙流體對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響； u時(shí)間因素對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。 u總之，巖石的變形是環(huán)境、時(shí)間和材料的函數(shù)。 巖性和各向異性的影響巖性和各向異性的影響 n巖石組成的成分不同的影響； n不同巖石具有不同的力學(xué)強(qiáng)度，例如花崗 巖的擠壓強(qiáng)度是頁(yè)巖擠壓強(qiáng)度的8倍； n巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同（層理引起的力學(xué)各 向異性）； n不同

11、巖石剪切破裂角有明顯變化。 巖石材料分類(lèi)巖石材料分類(lèi) n巖石材料在力學(xué)上可以分為均勻和非均勻材料。 n均勻材料在力學(xué)上是各向同性的或各向異性的。 n力學(xué)性質(zhì)各向異性是指物體內(nèi)同一點(diǎn)各個(gè)方向上力學(xué)性 質(zhì)不同。 橄欖石單晶體橄欖石單晶體 圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響 增大圍壓的效應(yīng)有兩方面： l增大了巖石極限強(qiáng)度； l增大了巖石的韌性。 溫度的影響溫度的影響 l溫度使影響巖石力學(xué)性質(zhì)和流變強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。 l溫度的升高使巖石的韌性增大，屈服強(qiáng)度降低； l溫度升高和圍壓增加，導(dǎo)致巖石從脆性向韌性過(guò)渡，孕 育著發(fā)震層； l溫度對(duì)瀝青的變形強(qiáng)度影響是一個(gè)很生動(dòng)的例子（夏天 的瀝青

12、和冬天的瀝青強(qiáng)度大不一樣） 孔隙流體的影響孔隙流體的影響 l孔隙流體對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)影響表現(xiàn)為兩個(gè)方面：物理方 面影響和化學(xué)方面影響。 l當(dāng)巖石中流體含量增加時(shí)，巖石強(qiáng)度降低。流體促使礦 物在應(yīng)力作用下的溶解和重結(jié)晶，從而促使塑性變形； l產(chǎn)生孔隙流體壓力效應(yīng)：地殼中流體孔隙壓力（靜水壓 力）為靜巖壓力的40。在變形過(guò)程中孔隙壓力（Pp） 的作用會(huì)抵消圍壓（Pc）的作用，對(duì)變形實(shí)際起作用時(shí) 有效圍壓（Pe）Pe=Pc-Pp l有效壓力（Pe）降低，使巖石易于破裂，強(qiáng)度降低。 孔隙壓力效應(yīng)對(duì)巖石破裂的影響 l莫爾圓I代表孔隙壓力為零時(shí)應(yīng)力狀態(tài)，巖石是穩(wěn)定的， 未破裂； l莫爾圓II總正應(yīng)力（橫坐標(biāo)

13、）不變，e正應(yīng)力減小，e=- c，巖石發(fā)生破裂。 流體的化學(xué)反應(yīng)和水弱化作用流體的化學(xué)反應(yīng)和水弱化作用 n硅酸鹽礦物在高壓和高溫條件下的水弱化作用 Si-O-Si+H2O X2SiOH(Freiman,1984) X是活化了的化合物。 n水弱化結(jié)果： u產(chǎn)生大量擴(kuò)張應(yīng)變，誘發(fā)裂紋尖端高應(yīng)力； uSi-O共價(jià)鍵被H-O代替，加速巖石塑性變形； uH-O鍵加速熱力學(xué)的反應(yīng)； uH2O含量增加，降低巖石熔點(diǎn)，加速熔體弱化。 時(shí)間影響因素時(shí)間影響因素 u與實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)研究不同，地質(zhì)條件的巖石變 形時(shí)間很長(zhǎng)，一個(gè)造山帶變形要經(jīng)歷幾百萬(wàn)年才 完成。 u應(yīng)變速率的影響（=/t） l降低，材料強(qiáng)度降低，向韌

14、性方向轉(zhuǎn)變（例如 用不同 沖擊瀝青，變形結(jié)果是不一樣的） l隕石的碰撞或地震是快速 l阿爾卑斯山變形速率10-12/s-10-14/s左右 時(shí)間對(duì)巖石蠕變和松弛的影響時(shí)間對(duì)巖石蠕變和松弛的影響 n蠕變是在恒定應(yīng)力作用下，應(yīng)變隨時(shí)間持續(xù)增加的變形。 n蠕變的結(jié)果在低于巖石彈性極限的情況下使巖石產(chǎn)生永 久變形。 n松弛是在恒定變形情況下，巖石中應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)不斷 減小。 n松弛的結(jié)果：使部分彈性變形轉(zhuǎn)化為永久變形，相當(dāng)于 降低了巖石的彈性極限。 n蠕變和松弛現(xiàn)象是巖石變形表現(xiàn)的兩方面，都表現(xiàn)出時(shí) 間對(duì)巖石性質(zhì)的影響。 巖石的能干性巖石的能干性 u巖石能干性是指不同巖石 在相同變形環(huán)境中變形行 為的

15、相對(duì)差異。 u研究途徑： l有限應(yīng)變的對(duì)比； l劈理折射程度的比較； l香腸構(gòu)造對(duì)比； l褶皺形態(tài)的對(duì)比。 影響因素影響因素強(qiáng)度強(qiáng)度韌性韌性 圍壓增大圍壓增大增大增大 溫度增大溫度增大減小增大 孔隙壓力增大孔隙壓力增大減小減小 溶液增多溶液增多減小增大 應(yīng)變速率減小應(yīng)變速率減小減小增大 影響巖石力學(xué)性質(zhì)的各種因素 0.1MPa0.1MPa高溫流變儀高溫流變儀 樣品裝置示意圖樣品裝置示意圖 實(shí)驗(yàn)室?guī)r石變形實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石變形實(shí)驗(yàn) 巖石力學(xué)性質(zhì)的一些基本概念（一）巖石力學(xué)性質(zhì)的一些基本概念（一） l彈性變形：彈性變形：指物體在外力作用下變形，當(dāng)外力除 去后物體能完全恢復(fù)原狀。具有這種性能的物體 稱(chēng)為

16、彈性體，它的變形稱(chēng)為彈性變形。彈性分理 想彈性和非理想彈性。 l理想彈性體理想彈性體的變形是可逆過(guò)程，它的應(yīng)力與應(yīng)變 之間有一個(gè)確定的單值關(guān)系，符合虎克定律： =Ee 其中E為楊氏彈性模量。 l非理想彈性體非理想彈性體的變形：受力不立即產(chǎn)生全部彈性的變形：受力不立即產(chǎn)生全部彈性 變形，而是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大彈性變形到變形，而是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大彈性變形到 應(yīng)有的值；當(dāng)撤除外力后，也不立即恢復(fù)原狀，應(yīng)有的值；當(dāng)撤除外力后，也不立即恢復(fù)原狀， 而是隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸恢復(fù)原狀。這種現(xiàn)象稱(chēng)為而是隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸恢復(fù)原狀。這種現(xiàn)象稱(chēng)為彈彈 性后效（即滯彈性）性后效（即滯彈性）。 l巖石彈性變形通常表現(xiàn)

17、為滯彈性（巖石彈性變形通常表現(xiàn)為滯彈性（anelastic）。）。 巖石的滯彈性具有重要意義，上地幔的地震波衰巖石的滯彈性具有重要意義，上地幔的地震波衰 減就被認(rèn)為與巖石的滯彈性有關(guān)。減就被認(rèn)為與巖石的滯彈性有關(guān)。 巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn) 隨著變形繼續(xù)，應(yīng)力隨著變形繼續(xù)，應(yīng)力 應(yīng)變曲線(xiàn)斜率變小，這應(yīng)變曲線(xiàn)斜率變小，這 時(shí)如果撤除應(yīng)力，曲線(xiàn)時(shí)如果撤除應(yīng)力，曲線(xiàn) 并不回到原點(diǎn)，而與并不回到原點(diǎn)，而與e 軸交于軸交于e1，說(shuō)明試樣由，說(shuō)明試樣由 于超出其彈性極限而發(fā)于超出其彈性極限而發(fā) 生了永久變形。這個(gè)極生了永久變形。這個(gè)極 限點(diǎn)的應(yīng)力叫限點(diǎn)的應(yīng)力叫屈服應(yīng)力屈服應(yīng)力 y（yi

18、eld stress）。）。 n巖石也是一種粘彈性體，它不像蛋清這樣明顯，這主要 是它的流動(dòng)需要在長(zhǎng)時(shí)間載荷下表現(xiàn)出來(lái)。對(duì)于固體或 流體而言，溫度越高，粘度越低，反映易流動(dòng)性越大。 n巖石具有非常緩慢的流動(dòng)性。 n粘度是衡量地球動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要參數(shù)。 n近代，人們把物體所有這些力學(xué)性質(zhì)概括為物質(zhì)的流變 性（rheological properties），并形成一門(mén)新興學(xué)科 流變學(xué)（rheology） n流變學(xué)是研究固體物質(zhì)流動(dòng)的科學(xué)。因此，從近代地球 科學(xué)觀念來(lái)看，地球物質(zhì)具有流變性。把研究地球物質(zhì) 流動(dòng)性質(zhì)和規(guī)律的科學(xué)，稱(chēng)為“地球流變學(xué)（Rheology of Earth Materials）”。 應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì) 影響因素影響因素 l應(yīng)力和應(yīng)變是巖石或地塊在外界力影響下的重要響應(yīng)。應(yīng)力是物 理方面的反映之一，應(yīng)變是幾何學(xué)方面的反映之一； l