講14-1斷層3

1、第十一章 斷層 (Fault)概論 3 斷層的力學(xué)分析斷層形成的相關(guān)因素斷層形成的相關(guān)因素斷層形成是一個復(fù)雜的動力學(xué)過程，也是一個復(fù)雜的課題，涉及以下有關(guān)因素：n破裂發(fā)生和斷層的形成n斷層作用與應(yīng)力狀態(tài)n巖石本身的力學(xué)性質(zhì)n斷層形成的物理環(huán)境巖石破裂的基本條件巖石破裂的基本條件l材料（巖石）類型l圍壓條件（P）l溫度條件（T）l應(yīng)變速率（）l施加應(yīng)力類型（壓縮、拉伸）l孔隙流體影響l右圖代表材料從脆性到韌性的過渡，也反映脆性材料隨T、P增加而出現(xiàn)向韌性轉(zhuǎn)化的趨勢。巖石斷裂準(zhǔn)則巖石斷裂準(zhǔn)則l巖石斷裂是指由于外力作用時使物體產(chǎn)生的介質(zhì)不連續(xù)面。為什么巖石會產(chǎn)生斷裂？l影響因素很多，有兩個因素是關(guān)鍵

2、因素：n巖石要發(fā)生破裂時截面內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，要達(dá)到臨界（或極限）應(yīng)力狀態(tài)；n材料力學(xué)本質(zhì)的影響。l在極限應(yīng)力狀態(tài)下，各點極限應(yīng)力分量所應(yīng)滿足的條件稱為斷裂破壞條件或斷裂準(zhǔn)則。斷裂準(zhǔn)則類型斷裂準(zhǔn)則類型l庫倫理論（最大剪應(yīng)力理論，水平直線型包絡(luò)線理論）；l納維葉理論（庫倫納維葉斷裂準(zhǔn)則）斜直線型莫爾包絡(luò)線理論；l拋物線型莫爾包絡(luò)線理論；l格里菲斯斷裂準(zhǔn)則。l在4000，15000，30000（psi）圍壓下，對三根圓柱體灰?guī)r做標(biāo)準(zhǔn)壓縮試驗。l每一次實驗記錄破裂時1、3,最大主應(yīng)力與斷層面夾角，畫成不同應(yīng)力圖。l三個圓分別代表了試驗期斷裂時的應(yīng)力狀態(tài),分別畫出一條與n軸呈2角的半徑,半徑與圓的交點坐標(biāo)

3、反映巖石破裂時斷層面上的正應(yīng)力（n）和剪應(yīng)力（）,交點就是“破壞”點。l連接各個應(yīng)力圓的破壞點，即為灰?guī)r破壞時的莫爾包絡(luò)線。l莫爾包絡(luò)線就是材料破壞時的各種極限應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力圓的公切線。1112=33322莫爾包絡(luò)線特征和意義莫爾包絡(luò)線特征和意義l包絡(luò)線代表了斷層作用的應(yīng)力的臨界值，當(dāng)一點的應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力圓與莫當(dāng)一點的應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力圓與莫爾包絡(luò)線相切，這點就開始破裂，爾包絡(luò)線相切，這點就開始破裂，稱為莫爾包絡(luò)線為破壞曲線。l莫爾包絡(luò)線分開了不穩(wěn)定域和穩(wěn)定域。l莫爾包絡(luò)線可以是一對直線，也可以是曲線。l莫爾包絡(luò)線總是向最大主應(yīng)力（壓應(yīng)力）方向張開，它表示巖石在壓縮條件下比拉伸條件下要強。l莫爾包絡(luò)

4、線與原點相交，說明材料不能經(jīng)受任何張應(yīng)力，即內(nèi)聚性（如干砂的例子）。斷裂線不穩(wěn)定域穩(wěn)定域=0+ntan0不同應(yīng)力狀態(tài)下的摩爾圓不同應(yīng)力狀態(tài)下的摩爾圓u表示應(yīng)力的莫爾圓是研究巖石破壞理論各種準(zhǔn)則的有價值的形象化手段。u表示三種應(yīng)力狀態(tài)：純張、純剪和純壓。u表示應(yīng)力值大小：拉伸時一個主應(yīng)力為負(fù)值，另一個主應(yīng)力為0；純剪切時是一對相等的正值和負(fù)值；壓縮時一個主應(yīng)力為正值，另一個主應(yīng)力為0。u圓的直徑逐漸增大，表示最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之間的差逐漸增加（=1-3 ），當(dāng)應(yīng)力差達(dá)到某一特定值時，材料即發(fā)生破壞。u純拉伸莫爾圓直徑最小，暗示材料抗拉強度比抗壓強度小得多（兩者相差10-20倍）。斷裂線（包絡(luò)

5、線）純張純剪純壓一般壓縮一般壓縮13破裂方位與莫爾包絡(luò)線形狀的破裂方位與莫爾包絡(luò)線形狀的相互關(guān)系相互關(guān)系l對于圖中每一個應(yīng)力圓來說，預(yù)期大致在P平面上發(fā)生破裂，包絡(luò)線斜率為正的，一般角度（1與斷裂面夾角）小于45。lP1點：斷裂面與1呈30斜交，剪破裂；lP2點：斷裂面與1呈25斜交，張剪切破裂；lP3點：張裂面與1平行（0）。庫倫理論（最大剪應(yīng)力理論）庫倫理論（最大剪應(yīng)力理論）u包絡(luò)線方程式：0為抗純剪斷裂極限，也稱為巖石的內(nèi)聚力。u包絡(luò)線特征：為水平直線型的破壞曲線。u理論意義：（1）最大剪應(yīng)力（max）為常量0 。即達(dá)到材料抗剪強度極限時開始斷裂，稱最大剪應(yīng)力理論或庫倫斷裂準(zhǔn)則。（2）剪

6、裂面與最大主應(yīng)力1的夾角（剪裂角）=45,共軛斷裂夾角（共軛角）為2=90。u適用條件：對于塑性材料或高圍壓情況下，該理論比較合適。因此適用于地表深層次構(gòu)造環(huán)境。031max2庫倫納維葉斷裂準(zhǔn)則庫倫納維葉斷裂準(zhǔn)則l庫倫理論存在問題：庫倫理論存在問題：實驗證明，當(dāng)材料因剪切而破壞時，剪切面與最大主應(yīng)力方向絕大部分都小于45（即290 ）；l庫倫準(zhǔn)則不適用于拉伸實驗。l納維葉提出：納維葉提出：巖石抵抗斷裂的強度，由兩個因素決定：（1）巖石的自然粘結(jié)強度（0）：使巖石聚合的力；（2）內(nèi)摩擦阻力，要使巖石斷開的力，必須大于粘結(jié)強度。l包絡(luò)線方程式：包絡(luò)線方程式：=0 0+ +n n 0粘結(jié)強度； n作

7、用在該剪切面上的正應(yīng)力； 內(nèi)摩擦系數(shù)； =tan=(-=tan=(-0 0)/)/n n 內(nèi)摩擦角； 斷裂發(fā)生所需要的臨界剪應(yīng)力。l包絡(luò)線特征：斜直線型包絡(luò)線。l理論意義：巖石發(fā)生破裂不僅與巖石本身粘結(jié)強度（0）有關(guān)，還要克服斷裂作用的內(nèi)摩擦力。l適用條件：該理論較好解釋野外所見構(gòu)造現(xiàn)象。剪切破裂面位于最大主應(yīng)力為平分線的銳角兩邊，兩組共軛的剪切面的夾角一般為25-30。花崗巖 15 大理巖 28-30輝綠巖 20 頁巖 40 砂巖 25 l兩組共軛的剪切面的交線即中間應(yīng)力方向（2），內(nèi)摩擦系數(shù)一般為0.466-0.70。斷裂線不穩(wěn)定域穩(wěn)定域=0+ntan0格里菲斯斷裂準(zhǔn)則格里菲斯斷裂準(zhǔn)則u庫

8、倫納維葉準(zhǔn)則存在問題：（1）通常巖石破壞時的臨界剪切應(yīng)力遠(yuǎn)小于根據(jù)傳統(tǒng)理論（分子結(jié)構(gòu)理論）預(yù)測的應(yīng)力值。（2）實驗結(jié)果包絡(luò)線不是直線而是拋物線。（3）在高圍壓條件下，兩斷裂面的共軛角可以接近90。uGriffith理論：Griffith（1924）檢查庫倫納維葉準(zhǔn)則時發(fā)現(xiàn)，在微觀尺度上，巖石像玻璃一樣，它的破裂受到材料原始先前存在的微觀裂縫影響，這種裂隙稱為Griffith裂隙。由于在裂隙口的尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，使巖石對斷裂作用的阻力減弱。實驗結(jié)果的拋物線形包絡(luò)線與Griffith模式一致。l方程式：當(dāng)1-33時，n2=4T0(T0+n) （2）單軸壓縮下抗壓強度單軸壓縮下抗壓強度式中，T0為單

9、軸拉張強度值 n 和n分別為剪裂面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力。l包絡(luò)線特征：拋物線形包絡(luò)線。l適用條件：在脆性變形方面邁出了一大步，適用于原始材料具有各向 異性和已存在不同微裂隙條件下。斷層方位與應(yīng)力方向的關(guān)系（安德森模式）提出模式前提： 1）地面與空氣之間無剪應(yīng)力作用； 2）三軸應(yīng)力狀態(tài)中一個主應(yīng)力軸垂直地面； 3）斷層面是剪切破裂面。斷層應(yīng)力狀態(tài)：u正斷層：1直立，2和3水平。u逆斷層：1和2（中間主應(yīng)力軸）水平，3垂直。u平移斷層（走滑斷層）：1和3水平，中間軸（2）直立。正斷層形成條件正斷層形成條件l應(yīng)力狀態(tài)：1直立，2和3水平。l斷層產(chǎn)狀特征：2與斷層走向一致，上盤順斷層傾向下滑。l正斷層形

10、成條件：最大主應(yīng)力（1）在垂直方向上逐漸增大，或者最小主應(yīng)力（3）在水平方向上減小。地殼水平拉伸和垂向上隆是最適合于發(fā)生正斷層的應(yīng)力狀態(tài)。逆斷層形成條件逆斷層形成條件l應(yīng)力狀態(tài)：1和2（中間主應(yīng)力軸）水平，3垂直。l斷層產(chǎn)狀特征：2平行于斷層走向，上盤順斷層傾向向上滑動。l逆斷層產(chǎn)生條件：1在水平方向上逐漸增大，或者3逐漸減小。地殼中水平擠壓有利于逆沖斷層的發(fā)育（例如大陸造山帶擠壓碰撞帶）。平移（走滑）斷層形成條件平移（走滑）斷層形成條件l應(yīng)力狀態(tài)：1和3水平，中間軸（2）直立。l產(chǎn)狀特征：斷層面走向在垂直于2方向上滑動，兩盤順斷層走向滑動。左旋滑動：逆時針方向滑動。右旋滑動：順時針方向活動。l形成條件：滑動方向與1、3應(yīng)力大小有關(guān)。l安德森模式是解釋近地表或地殼淺部脆性斷裂的依據(jù)。沙箱實驗?zāi)M正斷層和逆斷層的形成沙箱實驗?zāi)M正斷層和逆斷層的形成Hubbert（1951）的實驗材料：沙子實驗過程：轉(zhuǎn)動螺桿推動力推動金屬隔板。l隔板向右運動，在左間內(nèi)發(fā)育了正斷層，它傾角為典型的60，為沙子內(nèi)摩擦角的余角。l隔板繼續(xù)向右運動，當(dāng)沙子受到壓縮形成逆斷層，斷層傾角約為30。動力學(xué)分析：（1）沙子在兩室都處于靜巖應(yīng)力狀態(tài)，各方 向的應(yīng)