演示文稿巖石變形及影響因素

演示文稿巖石變形及影響因素當(dāng)前第1頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)第二章巖石變形及影響因素當(dāng)前第2頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)第二章巖石變形及影響因素一、巖石礦物變形的基本概念1.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)外力取消后，便又恢復(fù)到變形前的狀態(tài)。巖石的這種力學(xué)性質(zhì)稱為彈性，這種變形稱彈性變形。這時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變成正比，符合虎克定律：

σ=Eε式中σ為應(yīng)力，E為彈性模量（楊氏模量），它的物理意義是代表拉、壓時(shí)，材料對(duì)彈性變形的抵抗能力，ε為應(yīng)變值。P點(diǎn)為彈性極限當(dāng)前第3頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)

外力繼續(xù)增加，變形繼續(xù)增強(qiáng)，當(dāng)應(yīng)力超過巖石的彈性極限，即使外力去掉后，巖石也不能完全恢復(fù)到原來的形狀，從而使一部分變形保留下來，這種變形稱塑性變形（即出現(xiàn)剩余變形或永久變形），巖石的這種性質(zhì)稱為塑性。如圖1-1-8中B點(diǎn)開始，巖石進(jìn)入塑性變形階段，過B點(diǎn)后，曲線顯著彎曲，當(dāng)達(dá)到C點(diǎn)時(shí)曲線很快就變成水平，這就意味著在沒有增加載荷的情況下變形卻顯著地增加，此時(shí)巖石抵抗變形的能力就很弱了，這種現(xiàn)象稱為巖石的屈服，C為屈服點(diǎn)，對(duì)應(yīng)此點(diǎn)的應(yīng)力值σγ，稱為屈服極限。過C點(diǎn)后應(yīng)力緩慢增加，一直到D點(diǎn)，應(yīng)力值增加到最大值。塑性變形當(dāng)前第4頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)一、巖石礦物變形的基本概念2.脆性行為與韌性行為；脆性是指巖石和礦物出現(xiàn)明顯破裂，在破裂之前未出現(xiàn)永久變形；韌性是指巖石和礦物在沒有明顯破裂情況下，其大小和形狀發(fā)生了顯著的變化。小于2%的應(yīng)變量為脆性；在2-8%為脆韌性；<8%為韌性。據(jù)Griggs,1960當(dāng)前第5頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)當(dāng)前第6頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)根據(jù)巖石破壞前應(yīng)變的百分?jǐn)?shù)可以將巖石破壞分成五種類型（1）巖石處于地表或近地表的情況，在常溫常壓環(huán)境下或稍有圍壓而應(yīng)力差值σ1-σ3很大時(shí)，巖石破壞前永久應(yīng)變＜1%，巖石表現(xiàn)為脆性狀態(tài)，應(yīng)力—應(yīng)變近于直線關(guān)系。在上述前提下，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，巖石垂直于小主應(yīng)力方向產(chǎn)生張性破裂，這是由于圍壓、溫度較低或空隙水壓力及應(yīng)變速率較大，允許巖石有一定側(cè)向膨脹的結(jié)果。

據(jù)Griggs,19603、巖石破壞類型當(dāng)前第7頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)據(jù)Griggs,1960（2）巖石離地表有一定深度，其圍壓與溫度較第一種情況稍高，但應(yīng)變速率及空隙水壓力很低的情況，巖石表現(xiàn)出少量的塑性，隨著塑性增加破壞前永久應(yīng)變增加到1~5%，巖石破壞時(shí)邊緣出現(xiàn)與最大主應(yīng)力σ1方向夾角小于45°的局部剪切破裂面，而大范圍仍沿著最大主應(yīng)力方向成張性破裂，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線最初呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，超過彈性極限則略有向下彎曲的部分，仍可歸納為脆性破裂范圍。

當(dāng)前第8頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)據(jù)Griggs,1960（3）相當(dāng)于巖石處于離地表更深處（約2~5km），圍壓、溫度較前更高或圍壓較大，均可產(chǎn)生這種情況的破壞。其破壞面屬于單一剪切面，破壞面與最大主應(yīng)力方向夾角小于45°，破壞前應(yīng)變?yōu)?%到8%，為脆性向塑性過渡狀態(tài)。這種情況相當(dāng)于薄的破壞帶，斷層泥少的逆斷層，正斷層、平移斷層及X節(jié)理等構(gòu)造形跡也可以也可能在斷層一側(cè)或兩側(cè)有序次的羽裂。剪切破裂面的角度隨著圍壓而變化，共軛剪切破裂面角隨著圍壓的增加而增大。

當(dāng)前第9頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)據(jù)Griggs,1960（4）相當(dāng)于離地表10~20km處的巖石。其圍壓與溫度更高，或應(yīng)變速率很低時(shí)或巖石本身具有一定塑性（如碳酸巖類巖石）其破壞前總應(yīng)變?yōu)?%到10%，前者為脆性轉(zhuǎn)化塑性的界線，后者已處于塑性狀態(tài)。破壞時(shí)剪切破裂帶較寬且有一定的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，斷層面與最大壓應(yīng)力方向夾角略小于45°或接近45°，這相當(dāng)于較寬的斷層泥較多的破碎帶，有時(shí)其一側(cè)或兩側(cè)伴有牽引褶皺。

當(dāng)前第10頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)據(jù)Griggs,1960（5）相當(dāng)于巖石離地表更深，圍壓大于500Mpa，溫度超過500℃或應(yīng)變速率小于10-12/s情況，巖石呈現(xiàn)出完全塑性狀態(tài)，這可能相當(dāng)于各種復(fù)雜流變褶皺形成的物理環(huán)境，塑性增加使永久變形大于10%。

當(dāng)前第11頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)4.

應(yīng)變硬化和應(yīng)變軟化當(dāng)前第12頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)影響應(yīng)變軟化的顯微機(jī)制：（1）流體和水的作用；（2）變形過程中礦物定向排列；（3）變形過程中礦物粒度細(xì)化；（4）變形過程中顯微分層構(gòu)造形成；（5）變形過程中礦物邊界的動(dòng)態(tài)遷移；（6）變形過程中的動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用；（7）構(gòu)造變質(zhì)作用；（8）應(yīng)變能和摩擦熱能的積累；當(dāng)前第13頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)5.蠕變小的恒定應(yīng)力長期作用下，固態(tài)巖石變形連續(xù)增加。蠕變過程可以劃分為三個(gè)階段：第一階段A-B應(yīng)變速率不斷減小，為過度蠕變；第二階段，B-C階段應(yīng)變速率恒定，為穩(wěn)態(tài)蠕變；第三階段C-D階段；應(yīng)變速率增加，加速蠕變。時(shí)間－應(yīng)變曲線當(dāng)前第14頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)6.構(gòu)造層次

主要是因?yàn)橄虻叵律钐帨貕荷咭饚r石力學(xué)性質(zhì)變化導(dǎo)致構(gòu)造變形變化和分層，在同一次構(gòu)造變形過程中，不同深度的各層中變形機(jī)制和構(gòu)造要素組合特征都不相同，不同深度各層稱為構(gòu)造層次。當(dāng)前第15頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)當(dāng)前第16頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)二、影響巖石和礦物變形的因素外部因素（圍壓、溫度、應(yīng)變速率、流體）；內(nèi)部因素（成分、結(jié)構(gòu)等）1.圍壓圍壓增高會(huì)提高巖石強(qiáng)度，當(dāng)圍壓達(dá)到一定程度時(shí)，巖石變形行為也由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性。當(dāng)前第17頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)Carrara大理巖在不同圍壓下變形差異應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸和擠壓實(shí)驗(yàn)中脆-韌性過度與溫壓的關(guān)系當(dāng)前第18頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)2.溫度溫度是影響巖石強(qiáng)度和變形行為的一個(gè)重要因素。溫度升高降低巖石強(qiáng)度，巖石變形由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性。引起熱蠕變，當(dāng)溫度達(dá)到500℃巖石蠕變強(qiáng)度變的極低（0.1~1MPa)。熱蠕變對(duì)解釋深部構(gòu)造層次變質(zhì)巖中各種復(fù)雜的應(yīng)變具有特殊的意義。當(dāng)前第19頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)溫度升高使巖石強(qiáng)度明顯降低兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)前第20頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)當(dāng)前第21頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)3.流體流體決定了地殼中的物資和能量的運(yùn)動(dòng)和交換，因而影響和控制地殼內(nèi)部的成巖作用、巖漿作用、變質(zhì)作用、構(gòu)造作用和成礦作用等地質(zhì)作用過程，以及地質(zhì)動(dòng)力學(xué)機(jī)制和演化。流體決定礦物變形行為主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）均衡傳遞空隙壓，水壓越大裂隙末端越易擴(kuò)張，使巖石強(qiáng)度降低；2）作為溶劑，促進(jìn)物資的溶解和運(yùn)移，改變巖石的成分和結(jié)構(gòu)使得巖石易于變形；3）潤滑作用，降低顆粒之間的粘結(jié)力，易于產(chǎn)生滑動(dòng)。最為典型的實(shí)例是逆沖推覆構(gòu)造；當(dāng)前第22頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)均衡傳遞空隙壓，水壓越大裂隙末端越易擴(kuò)張，使巖石強(qiáng)度降低當(dāng)前第23頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)作為溶劑，促進(jìn)物資的溶解和運(yùn)移當(dāng)前第24頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)4）顆粒邊界弱化作用，使巖石變形機(jī)制由位錯(cuò)蠕變向擴(kuò)散蠕變轉(zhuǎn)化，使巖石強(qiáng)度降低。幾種巖石在干濕條件下的抗壓強(qiáng)度巖石名稱干燥狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度MPa潮濕狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度MPa強(qiáng)度降低率%花崗巖193~213162~17016~20閃長巖12310821.8煌斑巖18314312石灰?guī)r150118.521礫巖85.654.836砂巖87.153.139頁巖52.220.460當(dāng)前第25頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)5)水解弱化:6)流體存在引起流體壓力增高，引起脆性破裂。當(dāng)前第26頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)大青山地區(qū)熔體構(gòu)成的條帶當(dāng)前第27頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)4.外部加載條件：1）加載方式，因?yàn)閹r石抗壓強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度明顯不一樣；2）加載方位；當(dāng)巖石內(nèi)先存在面狀構(gòu)造（破裂面、葉里面等）或結(jié)構(gòu)不均勻時(shí)，加載方位不同，巖石強(qiáng)度明顯不同。當(dāng)前第28頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)含不同角度石膏夾層的大理巖模型在單軸壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（馬瑾，1981）當(dāng)前第29頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)當(dāng)前第30頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)5.應(yīng)變速率應(yīng)變速率直接影響了巖石變形方式；White(1975）把構(gòu)造變形應(yīng)變速率劃為高、中、低三種應(yīng)變速率體制；1）高應(yīng)變速率（>10-3/s),脆性變形、玻化巖2）中應(yīng)變速率（10-4/s~10-9/s)，塑性變形和碎裂變形共存；3）低應(yīng)變速率（<10-9/s)明顯發(fā)生了塑性變形，形成了糜棱巖。當(dāng)前第31頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)6.巖石的成分及結(jié)構(gòu)構(gòu)造1）在相同的變形條件下，不同成分的巖石和礦物其變形行為有很大差異。當(dāng)前第32頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)巖石的能干性Competent能干的competence能干性Incompetent不能干的巖石的相對(duì)易流變性，與巖石變形時(shí)的粘度有關(guān)。強(qiáng)硬材料比軟弱材料的剛性強(qiáng)，粘度大，不易流動(dòng)或容易破碎。當(dāng)前第33頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)劈理的折射劈理從一個(gè)層到另一個(gè)層的方位改變的現(xiàn)象稱為劈理折射；反映了變形強(qiáng)度的差異。劈理平行于XY面，在變形巖層中劈理的方向的變化反映巖石的能干性。劈理的發(fā)育強(qiáng)度與X/Z成正比。劈理的密度：條/cm當(dāng)前第34頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)劈理平行礫石的壓扁面當(dāng)前第35頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)當(dāng)前第36頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)劈理折射當(dāng)前第37頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)大連金石灘灰?guī)r與頁巖互層中的劈理折射當(dāng)前第38頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)砂泥質(zhì)巖石中的劈理折射當(dāng)前第39頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)京西大灰廠灰?guī)r和白云巖中的劈理折射當(dāng)前第40頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)房山孤山口白云巖和鈣質(zhì)千枚巖中的褶皺和劈理折射當(dāng)前第41頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)大連金石灘褶皺與劈理型式當(dāng)前第42頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)香腸構(gòu)造：石香腸斷面的形態(tài)與巖石的能干性差異：矩形—菱形—藕結(jié)形—腫縮構(gòu)造當(dāng)前第43頁\共有57頁\編于星期日\7點(diǎn)北京西山奧陶紀(jì)灰?guī)r夾白云巖中的矩形石香腸當(dāng)前第44頁\共有57頁\編于星期日\7