知名大學(xué)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)講義第5章巖石力學(xué)性質(zhì)

第5章巖巖石力學(xué)學(xué)性質(zhì)徐海軍地球科學(xué)學(xué)學(xué)院第一節(jié)巖石力學(xué)學(xué)性質(zhì)的的幾個基基本概念念巖石力學(xué)學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)學(xué)性質(zhì)是是巖石受受力作用用之后的的反映，，主要指指巖石變形特征征及巖石的的力學(xué)強(qiáng)度度。巖石變變形與巖巖石本身身力學(xué)性性質(zhì)有密密切關(guān)系系。巖石力學(xué)學(xué)性質(zhì)研研究的途途徑：野外觀察察天然巖巖石力學(xué)學(xué)現(xiàn)象；；實驗室內(nèi)內(nèi)巖石變變形實驗驗；野外對巖巖體進(jìn)行行實地實實驗；理論分析析和數(shù)值值模擬。。巖石力學(xué)學(xué)性質(zhì)是是構(gòu)造分分析的基基礎(chǔ)巖石是如如何變形形的？地殼變形形過程與與受力作作用0.1MPa高溫流變變儀樣品裝置置示意圖圖實驗室?guī)r巖石變形形實驗實驗試樣樣及主應(yīng)應(yīng)力圖示示σ1σ2=σ3=圍壓σ3σ1=σ2=圍壓差（異））應(yīng)力（（differentialstress）σ=σ1-σ3壓縮拉伸物體的彈彈性形變變_胡克定律律巖石變形形的應(yīng)力力－應(yīng)變變曲線彈性變形形與塑性性變形彈性變形形：巖石在在外力作作用下發(fā)發(fā)生變形形，當(dāng)外外力解除除后，又又完全恢恢復(fù)到變變形前的的狀態(tài)，，該變形形稱為彈彈性變形形。特特點(diǎn)：應(yīng)應(yīng)力和應(yīng)應(yīng)變成正正比，符符合虎克克定律。。σ=EeE—彈性模量量/楊氏模量量塑性變形形：隨著外外力繼續(xù)續(xù)增加，，變形繼繼續(xù)增大大，當(dāng)應(yīng)應(yīng)力超過過巖石的的彈性極極限后，，再將應(yīng)應(yīng)力撤去去，變形形巖石已已不能完完全恢復(fù)復(fù)原來的的形狀，，保留一一定的永永久變形形，該變變形稱為為塑性變變形。。巖石變形形的應(yīng)力力－應(yīng)變變曲線滯彈性（（anelastic）非理想彈彈性體的的變形：：受力不不立即產(chǎn)產(chǎn)生全部部彈性變變形，而而是隨著著時間的的延長逐逐漸增大大彈性變變形到應(yīng)應(yīng)有的值值；當(dāng)撤撤除外力力后，也也不立即即恢復(fù)原原狀，而而是隨時時間延長長逐漸恢恢復(fù)原狀狀。這種種現(xiàn)象稱稱為彈性性后效（（即滯彈彈性）。。巖石彈性性變形通通常表現(xiàn)現(xiàn)為滯彈彈性（anelastic）。巖石石的滯彈彈性具有有重要意意義，上上地幔的的地震波波衰減就就被認(rèn)為為與巖石石的滯彈彈性有關(guān)關(guān)。屈服應(yīng)力力σy（yieldstress）隨著變形形繼續(xù)，，應(yīng)力－－應(yīng)變曲曲線斜率率變小，，這時如如果撤除除應(yīng)力，，曲線并并不回到到原點(diǎn)，，而與e軸交于e1，說明試試樣由于于超出其其彈性極極限而發(fā)發(fā)生了永永久變形形。這個個極限點(diǎn)點(diǎn)的應(yīng)力力叫屈服服應(yīng)力σy（yieldstress）。塑性材料料的力學(xué)學(xué)行為塑性變形形材料理想塑性性材料當(dāng)應(yīng)力超超過一定定值時，，巖石就就會以某某種方式式而破環(huán)環(huán)，發(fā)生生斷裂變形形。這時的的應(yīng)力值值稱為巖石的極極限強(qiáng)度度或強(qiáng)度。巖石變形的應(yīng)力－應(yīng)變曲線巖石抗壓強(qiáng)度(MPa)抗張強(qiáng)度(MPa)抗剪強(qiáng)度(MPa)花崗巖148(37-379)3-515-30大理巖102(31-262)3-910-30石灰?guī)r96(6-360)3-612-20砂巖74(11-252)1-35-15玄武巖275(200-350)10頁巖20－802巖石的抗抗壓強(qiáng)度度>抗剪強(qiáng)度度>抗張強(qiáng)度度常溫常壓壓下一些些巖石的的強(qiáng)度極極限脆性脆性：脆脆性材料料在彈性性范圍內(nèi)內(nèi)或彈性性變形后后立即破破裂，即即在破裂前沒沒有或有有極小的的塑性變變形，材料的的這種性性質(zhì)稱為為脆性。。脆性破裂裂：脆性性材料的的破裂稱稱為脆性性破裂。。脆性破裂裂方式：：張破裂裂和剪破破裂。韌性和塑塑性區(qū)別別韌性（延性））是用來來描述允許大應(yīng)應(yīng)變，以宏觀均質(zhì)質(zhì)變形為為特征，而不管管所包括括的微觀觀變形機(jī)機(jī)制如何何的流變變性質(zhì)。。塑性是一種永久變形形，它涉及及晶內(nèi)的的位錯運(yùn)運(yùn)動的微觀機(jī)制制，可能還還包括擴(kuò)擴(kuò)散。巖石變形形機(jī)制通通常有三三種：碎裂機(jī)制制（cataclasis）；晶內(nèi)塑性性（intracrystallineplasticity）物質(zhì)擴(kuò)散散流動（（flowbydiffusivemasstransfer）流體的粘性是指流體體內(nèi)部各各流層之之間相對對滑動時時，層面面之間存存在的一一種內(nèi)摩摩擦效應(yīng)應(yīng)。流體沿著著x方向流動動的n個不同流流層。它它們的流流速u是y的函數(shù)，，u在y軸方向的的變化率率稱為速速度梯度度，du/dy。同一位位置上的的剪應(yīng)力力（摩擦擦阻力））與速度度梯度呈呈正比關(guān)關(guān)系τ=ηdu/dyη粘度（Pa·s）（1）式中可可作下列列變換（1）改寫為為（1）、（3）式稱為為牛頓粘粘性定律律，服從從牛頓粘粘性定律律的材料料稱為牛頓流體體（或線粘性流流體）。（2）（1）（3）（4）粘性和粘粘度xy0u=u(y)......材料的粘粘彈性非線粘性性流體：非牛頓頓流體。。其發(fā)生生流動變變形時，，各點(diǎn)剪剪應(yīng)力與與剪應(yīng)變變速率成成非線性性關(guān)系。。粘彈性：既具有有彈性，，又能發(fā)發(fā)生粘性性流動的的材料，，稱為粘粘彈性體體，它所所表現(xiàn)出出來的力力學(xué)性質(zhì)質(zhì)，稱為為粘彈性性。流體具有有流動性性，具有有粘性。。巖石也也具有流流動性和和粘性。。只是其其流動速速度比液液體要緩緩慢得多多而不易易覺察出出來，從從而說明明巖石的的粘度較較大。例例如在常常溫下，，石灰?guī)r巖的粘度度約為冰冰川冰粘粘度的1億倍。第二節(jié)影響巖石石力學(xué)性性質(zhì)的因因素巖石力學(xué)性質(zhì)各向異性圍壓溫度孔隙流體時間1.各向異性（anisotropy）橄欖石晶體沉積巖的水平平層理2.圍壓（pressure）增大圍壓的效效應(yīng)有兩方面面：增大了巖石極極限強(qiáng)度；增大了巖石的的韌性。3.溫度（temperature）溫度是影響巖巖石力學(xué)性質(zhì)質(zhì)和流變強(qiáng)度度的重要因素素。溫度的升高使使巖石的韌性性增大，屈服服強(qiáng)度降低；溫度升高和圍圍壓增加，導(dǎo)導(dǎo)致巖石從脆脆性向韌性過過渡，孕育著著發(fā)震層；溫度對瀝青的的變形強(qiáng)度影影響是一個很很生動的例子子（夏天的瀝瀝青和冬天的的瀝青強(qiáng)度大大不一樣）。。4.流體（fluid）孔隙流體對巖巖石力學(xué)性質(zhì)質(zhì)影響表現(xiàn)為為兩個方面：：物理方面影影響和化學(xué)方方面影響。當(dāng)巖石中流體體含量增加時時，巖石強(qiáng)度度降低。流體體促使礦物在在應(yīng)力作用下下的溶解和重重結(jié)晶，從而而促使塑性變變形；產(chǎn)生孔隙流體體壓力效應(yīng)：：地殼中流體體孔隙壓力（（靜水壓力））為靜巖壓力力的40％。在變形過過程中孔隙壓壓力（Pp）的作用會抵抵消圍壓（Pc）的作用，對對變形實際起起作用時有效效圍壓（Pe）Pe=Pc-Pp有效壓力（Pe）降低，使巖巖石易于破裂裂，強(qiáng)度降低低。硅酸鹽礦物在在高壓和高溫溫條件下的水水弱化作用[Si-O-Si]+H2O→X→2[SiOH]X是活化了的化化合物。水弱化結(jié)果：：產(chǎn)生大量擴(kuò)張張應(yīng)變，誘發(fā)發(fā)裂紋尖端高高應(yīng)力；Si-O共價鍵被H-O代替，加速巖巖石塑性變形形；H-O鍵加速熱力學(xué)學(xué)的反應(yīng)；H2O含量增加，降降低巖石熔點(diǎn)點(diǎn)，加速熔體體弱化。孔隙壓力效應(yīng)應(yīng)對巖石破裂裂的影響莫爾圓I－代表孔隙壓壓力為零時應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)，巖巖石是穩(wěn)定的的，未破裂；；莫爾圓II－總正應(yīng)力（（橫坐標(biāo)）不不變，σe正應(yīng)力減小，，σe=σ-σc，巖石發(fā)生破破裂。5.時間（time）與實驗室?guī)r石石力學(xué)研究不不同，地質(zhì)條條件的巖石變變形時間很長長，一個造山山帶變形要經(jīng)經(jīng)歷幾百萬年年才完成。應(yīng)變速率的影影響（?=ε/t）?降低，材料強(qiáng)強(qiáng)度降低，向向韌性方向轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變隕石的碰撞或或地震是快速速?阿爾卑斯山變變形速率10-12/s-10-14/s左右應(yīng)變速率對巖巖石變形的影影響（Heard,1963）時間對巖石蠕蠕變和松弛的的影響蠕變是在恒定應(yīng)力力作用下，應(yīng)應(yīng)變隨時間持持續(xù)增加的變變形。松弛是在恒定變形形情況下，巖巖石中應(yīng)力隨隨時間增長不不斷減小。蠕變和松弛現(xiàn)現(xiàn)象是巖石變變形表現(xiàn)的兩兩方面，都表表現(xiàn)出時間對對巖石性質(zhì)的的影響。實例：貴州烏江電電站水力破裂裂第三節(jié)巖石的能干性性巖石的能干性性巖石能干性是是指不同巖石石在相同變形形環(huán)境中變形形行為的相對對差異。巖石按能干性性的差異分為為能干的（強(qiáng)強(qiáng)的）和不能能干的（弱的的）。第四節(jié)巖石變形的微微觀機(jī)制巖石和礦物的的主要變形機(jī)機(jī)制Davis（1996）方案巖石變形機(jī)制制通常有三大大類顯微破裂、碎碎裂作用和摩摩擦滑動機(jī)械雙晶和扭扭折位錯蠕變擴(kuò)散蠕變?nèi)芙馊渥兯榱褭C(jī)制cataclasis晶內(nèi)塑性intracrystallineplasticity物質(zhì)擴(kuò)散流動動flowbydiffusivemasstransfer胡玲編著《顯微構(gòu)造地質(zhì)質(zhì)學(xué)概論》地質(zhì)出版社，，1998年第一版巖石變形的微微觀機(jī)制脆性變形機(jī)制制塑性變形機(jī)制制微破裂作用碎裂作用碎裂流位錯蠕變擴(kuò)散蠕變顆粒邊界滑動動超塑性變形理想晶體[uvw]isacrystaldirection<uvw> isafamilyofdirections(hkl)isacrystalplane{hkl}isafamilyofplanes晶格對稱晶系，勞厄群群，空間群晶體的形成始于單位晶胞胞遵循一定原則則重復(fù)到無限位錯蠕變晶體缺陷包括括：點(diǎn)缺陷、、線缺陷（位位錯）和面缺缺陷。位錯蠕變是通通過位錯運(yùn)動動而使材料變變形的一種變變形機(jī)制，包包括低溫下的的位錯滑動和和高溫下的位位錯攀移兩種種機(jī)制。點(diǎn)位錯（pointdefects）空位移動（MigrationofaVacancy）刃位錯和螺位位錯（EdgeandScrewDislocations）Typicalsubgrainstructureinolivine,Katin,LauningMultiplecross-slipscrewandloops,Mingxi,Fujian,EasternChina.Kinkbandsinolivinecorrespondedto(100)lowangledislocationboundaries,inolivine.Mingxi,Fujian,China(100)Lowangledislocationboundariescorrespondedtokinkbandsinolivineand(110)slipbandssuperposedon(100)dislocationwalls,garnet-spinelperidotites,Mingxi,Fujian,EasternChina.擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變是通通過晶內(nèi)和晶晶界的空位和和原子運(yùn)動來來改變晶粒形形狀的一種塑塑性變形機(jī)制制，包括晶內(nèi)內(nèi)擴(kuò)散蠕變（（Nabarro-Herring蠕變）和晶界界擴(kuò)散蠕變（（Coble蠕變）。壓溶蠕變實際際上是一種低低溫擴(kuò)散蠕變變形式。Pressuresolution/DisolutioncreepConceptualmechanismofdiffusioncreepNabarro-Herring(VolumeDiffusion)Creep顆粒邊界滑動動顆粒邊界滑動動是通過顆粒粒邊界之間的的滑動來調(diào)節(jié)節(jié)巖石總體變變形的一種變變形機(jī)制。顆粒邊界滑動動跟擴(kuò)散蠕變變一樣，都要要求顆粒粒度度很小以及高高溫環(huán)境。超塑性變形是是通過顆粒邊邊界滑動機(jī)制制實現(xiàn)的一種種變形結(jié)果，，通常樣品變變形量在1000倍以上。DeformationmechanismmapDepthDifferentialStressThedominantdeformationmechanismisdislocationcreepintheuppermantle.DeformationMechanismMaps:Quartzite,Marble,andOlivine第五節(jié)巖石斷裂準(zhǔn)則則巖石斷裂準(zhǔn)則則斷裂是指由于于外力作用在在物體中產(chǎn)生生的介質(zhì)不連連續(xù)面?？刂埔蛩兀号R臨界應(yīng)力狀態(tài)態(tài)/極限應(yīng)力狀態(tài)態(tài)；材料力學(xué)性質(zhì)質(zhì)。斷裂準(zhǔn)則：在在極限應(yīng)力狀狀態(tài)下各點(diǎn)極極限應(yīng)力分量量所應(yīng)滿足的的條件，稱為為斷裂條件或或者準(zhǔn)則。莫爾包絡(luò)線：就是材料破破壞時的各種種極限應(yīng)力狀狀態(tài)應(yīng)力圓的的公切線。=f()判別條件：當(dāng)一點(diǎn)的應(yīng)力力狀態(tài)的應(yīng)力力圓與莫爾包包絡(luò)線相切，這點(diǎn)就開始始破裂。庫侖準(zhǔn)則庫侖準(zhǔn)則，又又稱最大剪應(yīng)力準(zhǔn)準(zhǔn)則，其表達(dá)式為為τmax=(1-3)/2=00：抗純剪斷裂極極限，也稱巖巖石的內(nèi)聚力力。按照該理論，，剪裂面與最最大主應(yīng)力的的夾角（剪裂角）θ＝45°，共軛斷裂夾夾角（共軛角角）為2θ＝90°。該理論適用于于塑性材料。022庫侖－納維葉葉準(zhǔn)則將庫侖公式（（＝0＋n）中的內(nèi)摩擦擦系數(shù)用內(nèi)摩擦角來來表示，將其其轉(zhuǎn)換成＝0+nt