構(gòu)造地質(zhì)學(xué)第5章巖石力學(xué)性質(zhì)

1、第5章 巖石力學(xué)性質(zhì)徐海軍地球科學(xué)學(xué)院第一節(jié) 巖石力學(xué)性質(zhì)的幾個(gè)基本概念巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì)是巖石受力作用之后的反映，主要指巖石變形特征及巖石的力學(xué)強(qiáng)度。巖石變形與巖石本身力學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系。巖石力學(xué)性質(zhì)研究的途徑：野外觀察天然巖石力學(xué)現(xiàn)象；實(shí)驗(yàn)室內(nèi)巖石變形實(shí)驗(yàn)；野外對(duì)巖體進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)；理論分析和數(shù)值模擬。巖石力學(xué)性質(zhì)是構(gòu)造分析的基礎(chǔ)巖石是如何變形的？地殼變形過(guò)程與受力作用0.1MPa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)試樣及主應(yīng)力圖示12=3= 圍壓圍壓31=2= 圍壓圍壓差（異）應(yīng)力（差（異）應(yīng)力（differential stress）=1-3壓縮拉

2、伸物體的彈性形變_胡克定律巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線彈性變形與塑性變形彈性變形 ：巖石在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力解除后，又完全恢復(fù)到變形前的狀態(tài)，該變形稱為彈性變形 。特點(diǎn)：應(yīng)力和應(yīng)變成正比，符合虎克定律。=EeE彈性模量/楊氏模量塑性變形：隨著外力繼續(xù)增加，變形繼續(xù)增大，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)巖石的彈性極限后，再將應(yīng)力撤去，變形巖石已不能完全恢復(fù)原來(lái)的形狀，保留一定的永久變形，該變形稱為塑性變形 。巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線滯彈性（滯彈性（anelastic）非理想彈性體的變形：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應(yīng)有的值；當(dāng)撤除外力后，也不立即恢復(fù)原狀，而是

3、隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸恢復(fù)原狀。這種現(xiàn)象稱為彈性后效（即滯彈性）。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，上地幔的地震波衰減就被認(rèn)為與巖石的滯彈性有關(guān)。屈服應(yīng)力y（yield stress）隨著變形繼續(xù)，應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率變小，這時(shí)如果撤除應(yīng)力，曲線并不回到原點(diǎn)，而與e軸交于e1，說(shuō)明試樣由于超出其彈性極限而發(fā)生了永久變形。這個(gè)極限點(diǎn)的應(yīng)力叫屈服應(yīng)力y（yield stress）。塑性材料的力學(xué)行為塑性變形材料塑性變形材料理想塑性材料理想塑性材料當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定值時(shí)，巖石就會(huì)以某種方式而破環(huán)，發(fā)生斷裂變形。這時(shí)的應(yīng)力值稱為巖石的極限強(qiáng)度或強(qiáng)度。巖石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線巖

4、石變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線巖石巖石抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度 (MPa)抗張強(qiáng)度抗張強(qiáng)度 (MPa)抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度 (MPa)花崗巖花崗巖148 (37-379)3-515-30大理巖大理巖102 (31-262)3-910-30石灰?guī)r石灰?guī)r96 (6-360)3-612-20砂巖砂巖74 (11-252) 1-35-15玄武巖玄武巖275 (200-350) 10頁(yè)巖頁(yè)巖20802巖石的抗壓強(qiáng)度巖石的抗壓強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度 抗張強(qiáng)度抗張強(qiáng)度常溫常壓下一些巖石的強(qiáng)度極限脆性脆性脆性：脆性材料在彈性范圍內(nèi)或彈性變形后立即破裂，即在破裂前沒(méi)有或有極小的塑性變形，材料的這種性質(zhì)稱為脆性。脆性破裂：脆性材料的破

5、裂稱為脆性破裂。脆性破裂方式：張破裂和剪破裂。韌性和塑性區(qū)別韌性（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)。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，可能還包括擴(kuò)散。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）O流體的粘性是指流體內(nèi)部各流層之間相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，層面之間存在的一種內(nèi)摩擦效應(yīng)。O流體沿著x方向流動(dòng)的n個(gè)不同流層。它們的流速u是y的函數(shù)，u在y軸方向的變化率稱為

6、速度梯度，du/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=du/dy 粘度（Pas）O（1）式中可作下列變換O（1）改寫為O（1）、（3）式稱為牛頓粘性定律，服從牛頓粘性定律的材料稱為牛頓流體（或線粘性流體）。 dtd)dydu(dtd)dtdu(dyddyud （2）（1）（3）（4）粘性和粘度xy0u=u(y). .材料的粘彈性非線粘性流體：非牛頓流體。其發(fā)生流動(dòng)變形時(shí)，各點(diǎn)剪應(yīng)力與剪應(yīng)變速率成非線性關(guān)系。粘彈性：既具有彈性，又能發(fā)生粘性流動(dòng)的材料，稱為粘彈性體，它所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性質(zhì)，稱為粘彈性。流體具有流動(dòng)性，具有粘性。巖石也具有流動(dòng)性和粘性。只是其流動(dòng)速度比液體要緩慢

7、得多而不易覺(jué)察出來(lái)，從而說(shuō)明巖石的粘度較大。例如在常溫下，石灰?guī)r的粘度約為冰川冰粘度的1億倍。第二節(jié) 影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素巖石力學(xué)性質(zhì)各向異性圍壓溫度孔隙流體時(shí)間1.各向異性（anisotropy）橄欖石晶體沉積巖的水平層理2.圍壓（pressure）增大圍壓的效應(yīng)有兩方面：1. 增大了巖石極限強(qiáng)度；2. 增大了巖石的韌性。3.溫度（temperature）溫度是影響巖石力學(xué)性質(zhì)和流變強(qiáng)度的重要因素。溫度的升高使巖石的韌性增大，屈服強(qiáng)度降低；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；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（夏天的瀝青和冬天的瀝青強(qiáng)度大不一樣）。4.流體（

8、fluid）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。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；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有效壓力（Pe）降低，使巖石易于破裂，強(qiáng)度降低。硅酸鹽礦物在高壓和高溫條件下的水弱化作用Si-O-Si+H2O X2SiOHX是活化了的化合物。水弱化結(jié)果：產(chǎn)生大量擴(kuò)張應(yīng)變，誘發(fā)裂紋尖端高應(yīng)力；Si-O共價(jià)鍵被H-O代替，加速巖石塑性變形；H

9、-O鍵加速熱力學(xué)的反應(yīng)；H2O含量增加，降低巖石熔點(diǎn)，加速熔體弱化?？紫秹毫π?yīng)對(duì)巖石破裂的影響莫爾圓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；莫爾圓II總正應(yīng)力（橫坐標(biāo)）不變，e正應(yīng)力減小，e=-c，巖石發(fā)生破裂。5.時(shí)間（時(shí)間（time）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。應(yīng)變速率的影響（=/t）降低，材料強(qiáng)度降低，向韌性方向轉(zhuǎn)變隕石的碰撞或地震是快速阿爾卑斯山變形速率10-12/s-10-14/s左右應(yīng)變速率對(duì)巖石變形的應(yīng)變速率對(duì)巖石變形的影響（影響（Heard, 1963）時(shí)間對(duì)巖石蠕變和松弛的影響蠕變是在恒定應(yīng)力作用下，

10、應(yīng)變隨時(shí)間持續(xù)增加的變形。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。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。實(shí)例：貴州烏江電站水力破裂第三節(jié) 巖石的能干性巖石的能干性巖石的能干性巖石能干性是指不同巖石在相同變形環(huán)境中變形行為的相對(duì)差異。巖石按能干性的差異分為能干的（強(qiáng)的）和不能干的（弱的）。第四節(jié) 巖石變形的微觀機(jī)制巖石和礦物的主要變形機(jī)制巖石和礦物的主要變形機(jī)制顯微破裂、碎裂作用和摩顯微破裂、碎裂作用和摩擦滑動(dòng)擦滑動(dòng)機(jī)械雙晶和扭折機(jī)械雙晶和扭折位錯(cuò)蠕變位錯(cuò)蠕變擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變?nèi)芙馊渥內(nèi)芙馊渥兯榱褭C(jī)制cataclasis晶內(nèi)塑性intracrystall

11、ine plasticity物質(zhì)擴(kuò)散流動(dòng)flow by diffusive mass transfer胡玲編著顯微構(gòu)造地質(zhì)學(xué)概論地質(zhì)出版社，1998年第一版巖石變形的微觀機(jī)制脆性變形機(jī)制脆性變形機(jī)制塑性變形機(jī)制塑性變形機(jī)制微破裂作用碎裂作用碎裂流位錯(cuò)蠕變擴(kuò)散蠕變顆粒邊界滑動(dòng)超塑性變形理想晶體uvw is a crystal direction is a family of directions(hkl) is a crystal planehklis a family of planes晶格對(duì)稱晶格對(duì)稱 晶系，勞厄群，空間群晶系，勞厄群，空間群晶體的形成晶體的形成 始于單位晶胞始于單位晶胞 遵

12、循一定原則遵循一定原則 重復(fù)到無(wú)限重復(fù)到無(wú)限位錯(cuò)蠕變位錯(cuò)蠕變晶體缺陷包括：點(diǎn)缺陷、線缺陷（位錯(cuò)）和面缺陷。位錯(cuò)蠕變是通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而使材料變形的一種變形機(jī)制，包括低溫下的位錯(cuò)滑動(dòng)和高溫下的位錯(cuò)攀移兩種機(jī)制。點(diǎn)位錯(cuò)（點(diǎn)位錯(cuò)（point defects）空位移動(dòng)（空位移動(dòng)（Migration of a Vacancy）刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)（刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)（Edge and Screw Dislocations）Typical subgrain structure in olivine, Katin, LauningMultiple cross-slip screw and loops, Mingxi, F

13、ujian, Eastern China.in olivine corresponded to (100) low angle dislocation boundaries, in olivine. Mingxi, Fujian, China(100) corresponded to kink bands in olivine and (110) slip bands superposed on (100) dislocation walls, garnet-spinel peridotites, Mingxi, Fujian, Eastern China.擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變是通過(guò)晶內(nèi)和晶界的空

14、位和原子運(yùn)動(dòng)來(lái)改變晶粒形狀的一種塑性變形機(jī)制，包括晶內(nèi)擴(kuò)散蠕變（Nabarro-Herring蠕變）和晶界擴(kuò)散蠕變（Coble蠕變）。壓溶蠕變實(shí)際上是一種低溫?cái)U(kuò)散蠕變形式。Pressure solution/Disolution creepConceptual mechanism of diffusion creepNabarro-Herring (Volume Diffusion) Creep顆粒邊界滑動(dòng)顆粒邊界滑動(dòng)是通過(guò)顆粒邊界之間的滑動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)巖石總體變形的一種變形機(jī)制。顆粒邊界滑動(dòng)跟擴(kuò)散蠕變一樣，都要求顆粒粒度很小以及高溫環(huán)境。超塑性變形是通過(guò)顆粒邊界滑動(dòng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的一種變形結(jié)果，通常樣品

15、變形量在1000倍以上。Deformation mechanism mapDepthDifferential StressThe dominant deformation mechanism is dislocation creep in the upper mantle.Deformation Mechanism Maps: Quartzite, Marble, and Olivine第五節(jié)巖石斷裂準(zhǔn)則巖石斷裂準(zhǔn)則斷裂是指由于外力作用在物體中產(chǎn)生的介質(zhì)不連續(xù)面?？刂埔蛩兀号R界應(yīng)力狀態(tài)/極限應(yīng)力狀態(tài)；材料力學(xué)性質(zhì)。斷裂準(zhǔn)則：在極限應(yīng)力狀態(tài)下各點(diǎn)極限應(yīng)力分量所應(yīng)滿足的條件，稱為斷裂條件或者準(zhǔn)則。

16、莫爾包絡(luò)線：就是材料破壞時(shí)的各種極限應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力圓的公切線。 = f( )判別條件：當(dāng)一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力圓與莫爾包絡(luò)線相切，這點(diǎn)就開(kāi)始破裂。庫(kù)侖準(zhǔn)則庫(kù)侖準(zhǔn)則庫(kù)侖準(zhǔn)則，又稱最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則，其表達(dá)式為max=(1-3)/2=00：抗純剪斷裂極限，也稱巖石的內(nèi)聚力。按照該理論，剪裂面與最大主應(yīng)力的夾角（剪裂角）45，共軛斷裂夾角（共軛角）為290。該理論適用于塑性材料。022庫(kù)侖納維葉準(zhǔn)則將庫(kù)侖公式（ 0n ）中的內(nèi)摩擦系數(shù)用內(nèi)摩擦角來(lái)表示，將其轉(zhuǎn)換成0+n tan即為庫(kù)侖納維葉準(zhǔn)則。由于該理論既有一定的適用性，又比較簡(jiǎn)單，所以應(yīng)用比較廣泛。剪裂角大小取決于巖石變形時(shí)候內(nèi)摩擦角的大小。312 2 拋物線型莫爾包絡(luò)線理論王維襄準(zhǔn)則1：材料在各向等值拉伸條件下的抗張斷裂極限。m=(1+3)/2：平均應(yīng)力。該準(zhǔn)則更為接近實(shí)際，剪裂角度不僅與物性參數(shù)有關(guān)，而且與各點(diǎn)極限應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。211m220122231122311122)2(12arctan21)(4)(2)()(1010000格里菲斯準(zhǔn)則庫(kù)侖準(zhǔn)則是通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明巖石破裂時(shí)各應(yīng)力之間的關(guān)系，但它們不能對(duì)導(dǎo)致作出令人滿意的物理學(xué)方面的解釋。為此提出了格里菲斯準(zhǔn)則 n2=4T0(T0+ n) 該準(zhǔn)則認(rèn)為，任何脆性材料，都存在大