構(gòu)造地質(zhì)學(xué)四

第三章（三）影響巖石力學(xué)性質(zhì)及巖石變形的因素

巖石的力學(xué)性質(zhì)并不是固定不變的，主要決定于巖石本身的成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等，但巖石所處的外界地質(zhì)環(huán)境因素，包括圍壓、溫度、溶液和應(yīng)力作用時(shí)間及變形速度等，都對(duì)巖石的力學(xué)性質(zhì)以致巖石變形有著明顯的影響。本章主要闡述外界因素的影響。2023/3/141一、圍壓

地殼巖石的圍壓(靜巖壓力)隨埋深的增加而增高，兩者大體呈線(xiàn)性關(guān)系。非均勻的各向壓縮能增強(qiáng)巖石的彈、韌性，并提高巖石的強(qiáng)度。通常在地殼表面顯示脆性較強(qiáng)的巖石，在地下深處圍壓較大的條件下可以呈高度的韌性。巖石在圍壓作用下力學(xué)性質(zhì)的變化，已有不少實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著圍壓的提高，巖石逐漸從脆性過(guò)渡為韌性。在溫度不變的條件下，隨著圍壓的提高，碳酸鹽巖石的永久變形明顯逐漸增大(圖5-2)，且其彈性極限和強(qiáng)度極限的提高很明顯。對(duì)于不同的礦物也有類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如磁黃鐵礦和閃鋅礦，前者相對(duì)脆性·，增大圍壓的影響主要反映在彈性極限和強(qiáng)度極限的提高;后者相對(duì)塑性，提高圍壓使得礦物的永久變形明顯增加(圖5-1)。2023/3/142圖5-1不同圍壓下礦物的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖(據(jù)BlUCe，1973)a－磁黃鐵礦;b－閃鋅礦

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圍壓影響巖石力學(xué)性質(zhì)的原因在于高圍壓下使晶體凝聚力增大，質(zhì)點(diǎn)彼此接近，其晶格不易破壞，即不易發(fā)生斷裂，只能滑移，故表現(xiàn)為塑性變形。圖5-2不同圍壓下大理巖壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖(據(jù)Paterson，1978)2023/3/144二、溫度

隨著溫度增高，可以使常溫常壓下脆性的巖石，變得強(qiáng)度降低，彈性減弱，塑性增大，韌性增強(qiáng)，易于變形。也就是說(shuō)，提高溫度，加速了巖石由脆性向韌性的轉(zhuǎn)化。但是，影響的程度隨巖性不同有所差異。2023/3/145礦物同巖石一樣，溫度升高，彈性極限和抗壓強(qiáng)度明顯降低，易于形成塑性變形。圖5-4中的磁黃鐵礦和閃鋅礦在圍壓固定，溫度從25℃、100℃、200℃、300℃、400℃到500℃逐漸升高的情況下，彈性極限等也逐漸降低，并且溫度升的越高，降得越快。

溫度影響巖石力學(xué)特性的原因在于，隨著溫度的升高，晶體質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，質(zhì)點(diǎn)間的凝聚力就減弱，質(zhì)點(diǎn)容易位移;從而降低了巖石的彈性極限與強(qiáng)度極限，提高了巖石的塑性和韌性。2023/3/146圖5-4在圍壓100MPa和不同溫度作用下磁黃鐵礦(a)和閃鋅礦(b)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(據(jù)Bruce，1973)2023/3/147三、溶液

溶液和水汽能滲入到巖石的內(nèi)部，引起巖石的力學(xué)性質(zhì)兩個(gè)方面的變化:一方面是降低了巖石的彈性極限，提高了巖石的塑性，使巖石軟化。White(1980)認(rèn)為孔隙液體有促成剪切軟化的作用，從而改變了巖石的力學(xué)性質(zhì)，使之韌性提高;另一方面，在構(gòu)造應(yīng)力作用背景下，溶液特別容易促使重結(jié)晶作用的產(chǎn)生，造成礦物溶解和新礦物的形成。2023/3/148

據(jù)Griggs在圍壓為1000MPa及不同的溫度條件下，用大理巖壓縮實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在溫度條件相同時(shí)(150℃)，濕性比干性的大理巖更容易發(fā)生塑性變形。若使之產(chǎn)生10％始的變形量。所需要的壓應(yīng)力，對(duì)于干的大理巖是300MPa，對(duì)于濕的大理巖只需要200MPa就夠了(圖5-5)(據(jù)Griggs，1951)。表5-1列舉了巖石在濕性條件下抗壓強(qiáng)度不同的降低率，不難看出，濕性條件對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響是非常明顯的。2023/3/149石英在1400MPa圍壓下，干性和濕性?xún)煞N情況所測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖(圖5-6)中A－D條曲線(xiàn)表示在干性條件下，隨著溫度不斷升高，石英的彈性極限依次降低，塑性相應(yīng)增大。在干性條件下，950C的曲線(xiàn)應(yīng)在C與D之間，但在濕性條件下，950℃曲線(xiàn)E卻降到曲線(xiàn)D之下，說(shuō)明強(qiáng)度大大降低了。溶液影響巖石力學(xué)性質(zhì)的原因在于，溶液的加入使分子的活動(dòng)力加強(qiáng)，由于水具有一定的勢(shì)能，可以進(jìn)入晶體結(jié)構(gòu)。對(duì)石英來(lái)說(shuō)，就可打破Si－O的束縛，使分子間的凝聚力減小，從而降低巖石的強(qiáng)度。2023/3/1410圖5-5溶溶液和溫度對(duì)大理巖變形影響的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖(Griggs，圍壓為1000MPa)2023/3/611圖5－6溶液液和溫度對(duì)石英變形影響的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖(圍壓為1400MPa)2023/3/612四、孔隙隙壓力在地殼巖石中，常常有孔隙流體存在在。這種孔隙流體體的壓力稱(chēng)為孔隙隙壓力或孔隙液壓壓。存在于巖石中中的流體可以促進(jìn)進(jìn)巖石的重結(jié)晶作作用，并影響巖石石的變形。如果不不透水層阻擋含水層中的孔隙流流體流出，巖石中中的孔隙壓力就會(huì)會(huì)加大。孔隙壓力力的存在抵消了部部分圍壓的影響。。即有效圍壓(Pe)為圍壓(Pc)與孔隙液壓(Pp)之差:Pe=Pc－Pe…..(5-1)因此;孔隙壓力的的存在也降低了巖石的強(qiáng)度，使得巖石易于發(fā)發(fā)生脆性破壞。2023/3/613五、時(shí)時(shí)間間1、蠕變變?nèi)舯３謶?yīng)力力不變，，應(yīng)變則則隨時(shí)間間的增長(zhǎng)長(zhǎng)而逐漸漸加大，，這種現(xiàn)現(xiàn)象稱(chēng)蠕蠕變。2023/3/614典型的蠕蠕變過(guò)程程可以分分三個(gè)階階段:第第一階段段稱(chēng)過(guò)渡蠕變變階段(圖圖5-9中的曲曲線(xiàn)ａ的AB段)，其其應(yīng)變速率率不斷減減小，達(dá)到B點(diǎn)時(shí)為最最小值;第二階階段稱(chēng)平穩(wěn)蠕變變階段，或或定常蠕蠕變階段段，即曲曲線(xiàn)ａ的的BC段，其應(yīng)應(yīng)變速率率大致保保持一定定，這也也是應(yīng)變變速率最最小的一一個(gè)階段段;第三三階段為為加速蠕變變階段，即即曲線(xiàn)ａａ的CD段，隨隨著時(shí)間間的增長(zhǎng)長(zhǎng)，其應(yīng)應(yīng)變速率率顯著加加快，由由于試件件頸縮的的緣故，，到達(dá)D點(diǎn)后試件件破壞。。2023/3/6152、松松弛若保持持變形形不變變，而而應(yīng)力力隨時(shí)時(shí)間的的增長(zhǎng)長(zhǎng)逐漸漸減小小，這這種現(xiàn)現(xiàn)象稱(chēng)稱(chēng)為松松弛。從典典型的的松弛弛曲線(xiàn)線(xiàn)圖上上(圖圖５-10)可可見(jiàn)，，松弛弛過(guò)程程分兩兩個(gè)階階段，，第一一階段段(即即AB線(xiàn)段)的應(yīng)應(yīng)力迅迅速減減小，，松馳馳急劇劇下降降;第第二階階段(即BC線(xiàn)段)的應(yīng)應(yīng)力減減小速速度緩緩慢，，松弛弛速度度逐漸漸下降降，并并趨于于某一一極限限值。。圖5－－9蠕蠕變曲曲線(xiàn)A－典型蠕變曲曲線(xiàn)ｂ－低低溫低應(yīng)力力下的蠕變變曲線(xiàn);C－高溫高應(yīng)應(yīng)力下的蠕蠕變曲線(xiàn)圖5－10松弛曲曲線(xiàn)2023/3/616(表中“+”示提高高、增強(qiáng);“－”示示降低、、減弱，巖石物性影響因素強(qiáng)度彈性塑性韌性增大圍壓＋＋＋＋增高溫度－－＋＋增加溶液－－＋＋長(zhǎng)期施力－－＋＋表5-2概概括列出圍圍壓、溫度度、溶液和和時(shí)間諸因因素對(duì)巖石物理性性質(zhì)的影響響。表5-2各各種因因素對(duì)巖石石物理性質(zhì)質(zhì)的影響2023/3/6173、快速施力、、緩慢施力與重重復(fù)施力對(duì)巖石石變形的影響(一)、快速施施力與緩慢施力力快速施力，可加加快巖石變形速速度，降低巖石石的塑性，使塑塑性變形階段縮縮短，甚至完全全沒(méi)有，表現(xiàn)為為脆性變形。反反之，緩慢施力力，會(huì)提高巖石石的塑性，則脆脆性物質(zhì)也能表表現(xiàn)出顯著的塑塑性變形，抗剪剪強(qiáng)度相對(duì)降低低，易于剪裂。。巖石受到長(zhǎng)時(shí)間間力的緩慢作用用，質(zhì)點(diǎn)就會(huì)有有充分時(shí)間進(jìn)行行重新排列，而而變形也有充分分時(shí)間固定下來(lái)來(lái)，于是產(chǎn)生永永久變形。當(dāng)快快速變形時(shí)，質(zhì)質(zhì)點(diǎn)來(lái)不及重新新排列，就產(chǎn)生生破裂，尤其易易于產(chǎn)生張破裂裂。2023/3/618(二)重重復(fù)施力力巖石重復(fù)復(fù)施力，，即使作作用力不不大，也也能使巖巖石破裂裂。圖5-12表示一一種金屬屬破裂時(shí)時(shí)的應(yīng)力力與發(fā)生生破裂所所需加力力次數(shù)之之間的關(guān)關(guān)系。由由圖上可可見(jiàn)，當(dāng)當(dāng)力的作作用次數(shù)數(shù)增加時(shí)時(shí)，破裂裂時(shí)的應(yīng)應(yīng)力就降降低，及及至降低低到圖上上曲線(xiàn)呈呈水平狀狀態(tài)，這這時(shí)應(yīng)力力代表物物體重復(fù)復(fù)受力情情況下發(fā)發(fā)生破裂裂的最低低限度，，稱(chēng)為疲疲勞極限限或耐力力極限，，低于該該極限的的應(yīng)力