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

第5章巖石力學(xué)性質(zhì)徐海軍地球科學(xué)學(xué)院現(xiàn)在是1頁\一共有78頁\編輯于星期四第一節(jié)

巖石力學(xué)性質(zhì)的幾個基本概念現(xiàn)在是2頁\一共有78頁\編輯于星期四巖石力學(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；實驗室內(nèi)巖石變形實驗；野外對巖體進(jìn)行實地實驗；理論分析和數(shù)值模擬。現(xiàn)在是3頁\一共有78頁\編輯于星期四巖石力學(xué)性質(zhì)是構(gòu)造分析的基礎(chǔ)現(xiàn)在是4頁\一共有78頁\編輯于星期四巖石是如何變形的？現(xiàn)在是5頁\一共有78頁\編輯于星期四地殼變形過程與受力作用現(xiàn)在是6頁\一共有78頁\編輯于星期四0.1MPa高溫流變儀樣品裝置示意圖實驗室?guī)r石變形實驗現(xiàn)在是7頁\一共有78頁\編輯于星期四實驗試樣及主應(yīng)力圖示σ1σ2=σ3=

圍壓σ3σ1=σ2=

圍壓差（異）應(yīng)力（differentialstress）σ=σ1-σ3壓縮拉伸現(xiàn)在是8頁\一共有78頁\編輯于星期四物體的彈性形變_胡克定律現(xiàn)在是9頁\一共有78頁\編輯于星期四巖石變形的應(yīng)力－應(yīng)變曲線現(xiàn)在是10頁\一共有78頁\編輯于星期四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：應(yīng)力和應(yīng)變成正比，符合虎克定律。 σ=Ee E—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)變曲線現(xiàn)在是11頁\一共有78頁\編輯于星期四滯彈性（anelastic）非理想彈性體的變形：受力不立即產(chǎn)生全部彈性變形，而是隨著時間的延長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，而是隨時間延長逐漸恢復(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)?，F(xiàn)在是12頁\一共有78頁\編輯于星期四屈服應(yīng)力σy（yieldstress）隨著變形繼續(xù)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線斜率變小，這時如果撤除應(yīng)力，曲線并不回到原點，而與e軸交于e1，說明試樣由于超出其彈性極限而發(fā)生了永久變形。這個極限點的應(yīng)力叫屈服應(yīng)力σy（yieldstress）?，F(xiàn)在是13頁\一共有78頁\編輯于星期四塑性材料的力學(xué)行為塑性變形材料理想塑性材料現(xiàn)在是14頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是15頁\一共有78頁\編輯于星期四當(dāng)應(yīng)力超過一定值時，巖石就會以某種方式而破環(huán)，發(fā)生斷裂變形。這時的應(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巖石的抗壓強(qiáng)度>抗剪強(qiáng)度>抗張強(qiáng)度常溫常壓下一些巖石的強(qiáng)度極限現(xiàn)在是16頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是17頁\一共有78頁\編輯于星期四脆性脆性：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：脆性材料的破裂稱為脆性破裂。脆性破裂方式：張破裂和剪破裂?，F(xiàn)在是18頁\一共有78頁\編輯于星期四韌性和塑性區(qū)別韌性（延性）是用來描述允許大應(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)的位錯運動的微觀機(jī)制，可能還包括擴(kuò)散。巖石變形機(jī)制通常有三種：碎裂機(jī)制（cataclasis）；晶內(nèi)塑性（intracrystallineplasticity）物質(zhì)擴(kuò)散流動（flowbydiffusivemasstransfer）現(xiàn)在是19頁\一共有78頁\編輯于星期四流體的粘性是指流體內(nèi)部各流層之間相對滑動時，層面之間存在的一種內(nèi)摩擦效應(yīng)。流體沿著x方向流動的n個不同流層。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

τ=ηdu/dyη粘度（Pa·s）（1）式中可作下列變換（1）改寫為（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）。（2）（1）（3）（4）粘性和粘度xy0u=u(y)......現(xiàn)在是20頁\一共有78頁\編輯于星期四材料的粘彈性非線粘性流體：非牛頓流體。其發(fā)生流動變形時，各點剪應(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)生粘性流動的材料，稱為粘彈性體，它所表現(xiàn)出來的力學(xué)性質(zhì)，稱為粘彈性。流體具有流動性，具有粘性。巖石也具有流動性和粘性。只是其流動速度比液體要緩慢得多而不易覺察出來，從而說明巖石的粘度較大。例如在常溫下，石灰?guī)r的粘度約為冰川冰粘度的1億倍?，F(xiàn)在是21頁\一共有78頁\編輯于星期四第二節(jié)

影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素現(xiàn)在是22頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是23頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是24頁\一共有78頁\編輯于星期四1.各向異性（anisotropy）橄欖石晶體沉積巖的水平層理現(xiàn)在是25頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是26頁\一共有78頁\編輯于星期四2.圍壓（pressure）增大圍壓的效應(yīng)有兩方面：增大了巖石極限強(qiáng)度；增大了巖石的韌性?，F(xiàn)在是27頁\一共有78頁\編輯于星期四3.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渡，孕育著發(fā)震層；溫度對瀝青的變形強(qiáng)度影響是一個很生動的例子（夏天的瀝青和冬天的瀝青強(qiáng)度大不一樣）。現(xiàn)在是28頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是29頁\一共有78頁\編輯于星期四4.流體（fluid）孔隙流體對巖石力學(xué)性質(zhì)影響表現(xiàn)為兩個方面：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，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％。在變形過程中孔隙壓力（Pp）的作用會抵消圍壓（Pc）的作用，對變形實際起作用時有效圍壓（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→X→2[SiOH] X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共價鍵被H-O代替，加速巖石塑性變形；H-O鍵加速熱力學(xué)的反應(yīng)；H2O含量增加，降低巖石熔點，加速熔體弱化?，F(xiàn)在是30頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是31頁\一共有78頁\編輯于星期四孔隙壓力效應(yīng)對巖石破裂的影響莫爾圓I－代表孔隙壓力為零時應(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，σe正應(yīng)力減小，σe=σ-σc，巖石發(fā)生破裂?，F(xiàn)在是32頁\一共有78頁\編輯于星期四5.時間（time）與實驗室?guī)r石力學(xué)研究不同，地質(zhì)條件的巖石變形時間很長，一個造山帶變形要經(jīng)歷幾百萬年才完成。應(yīng)變速率的影響（?=ε/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左右現(xiàn)在是33頁\一共有78頁\編輯于星期四應(yīng)變速率對巖石變形的影響（Heard,1963）現(xiàn)在是34頁\一共有78頁\編輯于星期四時間對巖石蠕變和松弛的影響蠕變是在恒定應(yīng)力作用下，應(yīng)變隨時間持續(xù)增加的變形。松弛是在恒定變形情況下，巖石中應(yīng)力隨時間增長不斷減小。蠕變和松弛現(xiàn)象是巖石變形表現(xiàn)的兩方面，都表現(xiàn)出時間對巖石性質(zhì)的影響?，F(xiàn)在是35頁\一共有78頁\編輯于星期四實例：貴州烏江電站水力破裂現(xiàn)在是36頁\一共有78頁\編輯于星期四第三節(jié)

巖石的能干性現(xiàn)在是37頁\一共有78頁\編輯于星期四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）?，F(xiàn)在是38頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是39頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是40頁\一共有78頁\編輯于星期四第四節(jié)

巖石變形的微觀機(jī)制現(xiàn)在是41頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是42頁\一共有78頁\編輯于星期四巖石和礦物的主要變形機(jī)制Davis（1996）方案巖石變形機(jī)制通常有三大類顯微破裂、碎裂作用和摩擦滑動機(jī)械雙晶和扭折位錯蠕變擴(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 flowbydiffusivemasstransfer胡玲編著《顯微構(gòu)造地質(zhì)學(xué)概論》地質(zhì)出版社，1998年第一版現(xiàn)在是43頁\一共有78頁\編輯于星期四巖石變形的微觀機(jī)制脆性變形機(jī)制塑性變形機(jī)制微破裂作用碎裂作用碎裂流位錯蠕變擴(kuò)散蠕變顆粒邊界滑動超塑性變形現(xiàn)在是44頁\一共有78頁\編輯于星期四理想晶體[uvw] isacrystaldirection

<uvw> isafamilyofdirections(hkl) isacrystalplane{hkl} isafamilyofplanes晶格對稱晶系，勞厄群，空間群晶體的形成始于單位晶胞遵循一定原則重復(fù)到無限現(xiàn)在是45頁\一共有78頁\編輯于星期四位錯蠕變晶體缺陷包括：點缺陷、線缺陷（位錯）和面缺陷。位錯蠕變是通過位錯運動而使材料變形的一種變形機(jī)制，包括低溫下的位錯滑動和高溫下的位錯攀移兩種機(jī)制?，F(xiàn)在是46頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是47頁\一共有78頁\編輯于星期四點位錯（pointdefects）空位移動（MigrationofaVacancy）刃位錯和螺位錯（EdgeandScrewDislocations）現(xiàn)在是48頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是49頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是50頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是51頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是52頁\一共有78頁\編輯于星期四Typicalsubgrainstructureinolivine,Katin,LauningMultiplecross-slipscrewandloops,Mingxi,Fujian,EasternChina.現(xiàn)在是53頁\一共有78頁\編輯于星期四Kinkbandsinolivinecorrespondedto(100)lowangledislocationboundaries,inolivine.Mingxi,Fujian,China(100)Lowangledislocationboundariescorrespondedtokinkbandsinolivineand(110)slipbandssuperposedon(100)dislocationwalls,garnet-spinelperidotites,Mingxi,Fujian,EasternChina.現(xiàn)在是54頁\一共有78頁\編輯于星期四擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變是通過晶內(nèi)和晶界的空位和原子運動來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）。壓溶蠕變實際上是一種低溫擴(kuò)散蠕變形式。現(xiàn)在是55頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是56頁\一共有78頁\編輯于星期四Pressuresolution/Disolutioncreep現(xiàn)在是57頁\一共有78頁\編輯于星期四Conceptualmechanismofdiffusioncreep現(xiàn)在是58頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是59頁\一共有78頁\編輯于星期四Nabarro-Herring(VolumeDiffusion)Creep現(xiàn)在是60頁\一共有78頁\編輯于星期四顆粒邊界滑動顆粒邊界滑動是通過顆粒邊界之間的滑動來調(diào)節(jié)巖石總體變形的一種變形機(jī)制。顆粒邊界滑動跟擴(kuò)散蠕變一樣，都要求顆粒粒度很小以及高溫環(huán)境。超塑性變形是通過顆粒邊界滑動機(jī)制實現(xiàn)的一種變形結(jié)果，通常樣品變形量在1000倍以上?，F(xiàn)在是61頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是62頁\一共有78頁\編輯于星期四DeformationmechanismmapDepthDifferentialStressThedominantdeformationmechanismisdislocationcreepintheuppermantle.現(xiàn)在是63頁\一共有78頁\編輯于星期四DeformationMechanismMaps:Quartzite,Marble,andOlivine現(xiàn)在是64頁\一共有78頁\編輯于星期四第五節(jié)

巖石斷裂準(zhǔn)則現(xiàn)在是65頁\一共有78頁\編輯于星期四巖石斷裂準(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。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。=f()

判別條件：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?，F(xiàn)在是66頁\一共有78頁\編輯于星期四現(xiàn)在是67頁\一共有78頁\編輯于星期四庫侖準(zhǔn)則庫侖準(zhǔn)則，又稱最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則，其表達(dá)式為τmax=(1-3)/2=0 0：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）θ＝45°，共軛斷裂夾角（共軛角）為2θ＝90°。該理論適用于塑性材料。022現(xiàn)在是68頁\一共有78頁\編輯于星期四庫侖－納維葉準(zhǔn)則將庫侖公式（＝0＋n）中的內(nèi)摩擦系數(shù)用內(nèi)摩擦角來表示，將其轉(zhuǎn)換成＝0+ntan即為庫侖－納維葉準(zhǔn)則。由于該理論既有一定的適用性，又比較簡單，所以應(yīng)用比較廣泛。剪裂角大小取決于巖石變形時候內(nèi)摩擦角的大小。σφσ3σ1