巖石力學(xué)性質(zhì)概述內(nèi)容豐富

第五章(I)巖石的力學(xué)性質(zhì)參考書目：朱志澄等《構(gòu)造地質(zhì)學(xué)》第五章FossenH.《StructuralGeology》,Chapters6Davisetal.,《StructuralGeologyofRocksandRegions》PartI,Chapters3,4,p.121-191與巖石力學(xué)性質(zhì)有關(guān)的

一些基本概念巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì)是巖石受力作用之后的反映。巖石力學(xué)性質(zhì)主要是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。在受到外界應(yīng)力作用時(shí)，固體材料的力學(xué)響應(yīng)具有很大變化性。即使對(duì)某種特定的材料，它的力學(xué)響應(yīng)也要取決于變形的物理和化學(xué)條件。根據(jù)材料的力學(xué)響應(yīng)（應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系），巖石的力學(xué)性質(zhì)主要?jiǎng)澐譃閺椥裕╡lastic）、粘性（viscous）、塑性（plastic）和脆性（brittle）。彈性(elastic)彈性變形：指物體在外力作用下變形，當(dāng)外力除去后物體能完全恢復(fù)原狀。具有這種性能的物體稱為彈性體，它的變形稱為彈性變形。彈性分理想彈性和非理想彈性。理想線彈性體的變形是可逆過(guò)程，它的應(yīng)力與應(yīng)變之間有一個(gè)確定的單值關(guān)系，符合虎克定律：

σ=Ee

其中E為楊氏彈性模量。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）。巖石的彈性變形通常表現(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)。彈性變形線彈性理想彈性滯彈性泊松比（Poisson’sratio）泊松比（Poisson’sratio）體積模量（bulkmodulus）Viscousmaterials黏性材料（fluids）符合上述方程的力學(xué)性質(zhì)的材料也稱牛頓流體（Newtonianfluid）。是黏度（單位PaS）只有流體是真正的黏性體。因此，地質(zhì)黏性體只有巖漿、巖鹽和飽水的泥是真黏性介質(zhì)。但在實(shí)際研究中，特別是數(shù)學(xué)模擬過(guò)程中，慢速變形地質(zhì)體通常也可以被當(dāng)作黏性體處理。塑性變形是指物體在外力施加的同時(shí)產(chǎn)生變形，但在外力解除之后，變形永遠(yuǎn)不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)的這種性能，具有這種性能的物體稱為塑性體，它的變形稱為塑性變形。在應(yīng)力不超過(guò)某一臨界值σy的條件下，理想塑性材料可以持續(xù)永久變形，在這一臨界值之下，材料不發(fā)生永久變形。塑性（Plastic）塑性變形隨著變形繼續(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σy（yieldstress）。e1塑性變形的冪律本構(gòu)方程應(yīng)變硬化應(yīng)變軟化（Steady-state）穩(wěn)態(tài)變形

=Ad-mCrnexp–[(E+P?V)/RT]Whereisthestrainrate,

Aisthepre-exponentialfactorrelatedwithmaterial,disthegrainsize,misthegrainsizeexponent,Cisthewatercontent,risthewaterfugacityexponent,isthesteady-stateflowstress,nisthestressexponentrelatedwithdeformationmechanism,Eistheactivationenergy,Pisthepressure,Vistheactivationvolume,Risthegasconstant,Tistheabsolutetemperature...變形性質(zhì)的基本類型Xe組合變形性質(zhì)彈塑注性變淺形—指有酷些物俗體同逐時(shí)具惡有彈為性和塔塑性揪的性購(gòu)能。拋在彈吹塑性煎變形程中，該有一燭部分薯是彈傾性，導(dǎo)其余版為塑萄性變毫形。既具史有彈躍性，劑又能獲發(fā)生擔(dān)粘性莖流動(dòng)離的材剃料，東稱為架粘彈帳性，按它所飄表現(xiàn)緣瑞的力介學(xué)性醫(yī)質(zhì)，卵稱為返粘彈承性。肥如蛋珍清就鹽是一茶種粘塔彈性坦體。巖石在遲長(zhǎng)期力耳作用下說(shuō)是一種稅同時(shí)具子有彈性夢(mèng)和塑性港的物質(zhì)杰，這種暑彈性和肅塑性是恥指在彈俱性范圍桿內(nèi)顯現(xiàn)見(jiàn)的彈性緒和塑性款；當(dāng)巖練層具有監(jiān)高度塑皂性時(shí)還怪能發(fā)生忽半粘性亂流動(dòng)。巖石也貢是一種督粘彈性今體，它司不像蛋桌清這樣遼明顯，當(dāng)這主要麻是它的偵流動(dòng)需鳳要在長(zhǎng)楚時(shí)間載追荷下表和現(xiàn)出來(lái)腦。對(duì)于革固體或訓(xùn)流體而把言，溫菌度越高否，粘度資越低，博反映易醬流動(dòng)性蛙越大。巖石者具有丙非常蛋緩慢賴的流壇動(dòng)性銷。粘度是深衡量地你球動(dòng)力羊?qū)W的一器個(gè)重要農(nóng)參數(shù)。近代索，人地們把見(jiàn)物體笛所有爬這些插力學(xué)仆性質(zhì)辟概括遵為物洞質(zhì)的劉流變網(wǎng)性（rh襲eo鳥(niǎo)lo求gi趟ca錯(cuò)l旱pr簡(jiǎn)op嶄er扁ti賭es），并千形成一揭門新興羨學(xué)科－壩流變學(xué)逮（rhe坡olo蒙gy）流變學(xué)副是研究鄙固體物省質(zhì)流動(dòng)心的科學(xué)修。因此廈，從近埋代地球好科學(xué)觀刪念來(lái)看厭，地球各物質(zhì)具依有流變殺性。把食研究地燙球物質(zhì)目流動(dòng)性蕩質(zhì)和規(guī)飛律的科綠學(xué)，稱惹為“地戴球流變斧學(xué)（Rhe爐olo疑gy狹of殿Ear揪th挨Mat攏eri鬼als）”。脆性：脆性統(tǒng)材料在耐彈性范黃圍內(nèi)或加彈性變賭形后立講即破裂曲，即在家破裂前結(jié)沒(méi)有或供有極小孫的塑性遙變形，銹材料的箏這種性轟質(zhì)稱為航脆性。脆性破掩裂：脆性聞材料的頑破裂稱倍為脆性級(jí)破裂。脆性理破裂洽方式：張破春裂和剪彼破裂。當(dāng)應(yīng)篩力超要過(guò)一估定值回時(shí)，旺巖石灘就會(huì)洲以某賽種方怖式而先破環(huán)擋，發(fā)稈生斷裂江變形。這時(shí)疫的應(yīng)力植值稱為巖石許的極呈限強(qiáng)拜度或強(qiáng)度。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(yè)巖20－802巖石的加抗壓強(qiáng)葵度>抗剪舅強(qiáng)度>抗張強(qiáng)浙度常溫逼常壓繼下一逼些巖員石的鄙強(qiáng)度青極限巖石力溝學(xué)性質(zhì)歇的研究槐方法巖石肉力學(xué)喪性質(zhì)辮研究齊的途類徑（1）觀察天術(shù)然巖石乏的力學(xué)蔑現(xiàn)象（挺天然露優(yōu)頭等）旁；（2）實(shí)驗(yàn)室唱內(nèi)對(duì)巖我石進(jìn)行哭變形實(shí)斬驗(yàn)；（3）在野肝外對(duì)巖抽體進(jìn)行傍實(shí)地試糧驗(yàn)；（4）理論新分析和浴數(shù)值模悉擬。有關(guān)室江內(nèi)的高或溫高壓赤實(shí)驗(yàn)基視本常識(shí)陣還有專機(jī)門講解乓和實(shí)驗(yàn)潔室參觀吳。為什肥么要乞研究勇巖石辣的力當(dāng)學(xué)性巨質(zhì)？韌性變孔形脆性變賭形天然寨巖石嗚變形巖石皂的能萌干性巖石能暈干性是景指不同頑巖石在吃相同變陰形環(huán)境摟中變形耽行為的囑相對(duì)差幅異。研究怠途徑暮：有限應(yīng)塑變的對(duì)委比；劈理萄折射剃程度碼的比賭較；香腸汽構(gòu)造綠對(duì)比襪；褶皺評(píng)形態(tài)帖的對(duì)餅比。0.1掛MPa高溫累流變泥儀樣品裝宣置示意扭圖實(shí)驗(yàn)利室?guī)r現(xiàn)石變隱形實(shí)曬驗(yàn)σ1σ2=σ3=圍壓σ1=σ2=圍壓σ1σ3σ3差（異狀）應(yīng)力拼（dif塵fer腥ent食ial藝st哲res僚s）σ=σ1-σ3塑性小變形燦材料藏的典零型應(yīng)款變－賺時(shí)間浙曲線韌性和曠塑性區(qū)明別韌性（還延性）是用膊來(lái)描濤述允朗許大天應(yīng)變技，以周宏觀涂均質(zhì)勒變形島為特蜜征，果而不鞠管所文包括箭的微粗觀變饒形機(jī)渠制如遵何的補(bǔ)流變屬性質(zhì)絞。塑性是一君種永把久變帥形，六它涉蘿及晶內(nèi)漸的位志錯(cuò)運(yùn)披動(dòng)的咸微觀墳機(jī)制擁，可年能還真包括享擴(kuò)散。巖石變軟形機(jī)制飼通常有句以下四沙種：（1）碎矩裂機(jī)態(tài)制（cat榨acl術(shù)asi半s）；（2）晶榜內(nèi)塑歌性（int寫rac虛rys前tal株lin趴ep舟las趕tic饒ity）（3）擴(kuò)邪散蠕各變（flo鼓wb富yd事iff點(diǎn)usi身ve詞mas販s調(diào)tra敞nsf睜er）（4）顆粒演邊界滑存移（gra似in信bou滴nda愁ry紗sli奸din帆g）脆－技韌性鑼轉(zhuǎn)化撞－從童宏觀皂上描捎述脆－版塑性部轉(zhuǎn)化吉－從榜微觀年機(jī)制淘上描憐述脆－貪塑性厘轉(zhuǎn)換自域是抖一個(gè)燈十分臣重要漂的問(wèn)拼題，棉地球母上大侵部分溉地震步都發(fā)就生在撇脆－奶塑性脾轉(zhuǎn)換脈域的招深度竹。(s1–s3)Dep歌th求(km文)摩擦定谷律:t=c導(dǎo)+msn*(li看ne明ar跡w銀it橡h糞de享pt楚h)塑性:(non窗-li趁nea餅rw罵ith送de柳pth未&墳tem培per豪atu邊re)de/以dt繳=CDsne-[E陳/RT達(dá)]Log升(Ds)=卡(1寫/n)鴨[lo棉g(d哨e/d星t)嘆–l歸og(亞c)黑+E買/(R額T)]世界上定一些地毅區(qū)地震犧震源深元度分布膨柱狀圖（據(jù)Mag適gi晶et她al.掙,2測(cè)000言a）影響扁巖石藏力學(xué)剃性質(zhì)墾的因紛素應(yīng)力→偉應(yīng)變→扭巖石力駐學(xué)性質(zhì)鏟→影掩響因素應(yīng)力和區(qū)應(yīng)變是賣巖石或噸地塊在午外界力證影響下辣的重要?jiǎng)P響應(yīng)。執(zhí)應(yīng)力是暢物理方飛面的反鈴映之一霞，應(yīng)變逝是幾何湯學(xué)方面披的反映無(wú)之一；巖石力橋?qū)W性質(zhì)例－是指瞧在應(yīng)力咽和應(yīng)變疏作用下傅，巖石蘿出現(xiàn)塑曉性變形噸或脆性域變形（倒破裂）方的條件艇；巖石力技學(xué)性質(zhì)疏是約束鑼巖石變北形和構(gòu)擁造幾何秤特征的很重要條蠻件。例繞如同樣馳的壓應(yīng)趙力作用覺(jué)在不同香巖層上作，力學(xué)冬表象不太同：在柔坊性巖嬌層中辮→褶屑皺構(gòu)央造在相對(duì)炕硬巖層般中→斷械裂構(gòu)造在軟現(xiàn)硬相虛間巖幅層中菠→香貞腸構(gòu)杯造影響巖迷石力學(xué)退性質(zhì)的艱因素各向崗異性艇；圍壓；溫度慎；孔隙流牙體；時(shí)間因沿素(應(yīng)變榨速率)；顆粒硬大小總之，裹巖石的胃變形是淹環(huán)境、本時(shí)間和疫材料的趕函數(shù)。巖性和霜各向異友性的影再響巖石組匠成的成努分不同民的影響族；不同丙巖石爬具有趣不同揮的力透學(xué)強(qiáng)絡(luò)度，火例如猶花崗遙巖的互擠壓靈強(qiáng)度仿是頁(yè)廣巖擠蝕壓強(qiáng)悠度的8倍；巖石的愛(ài)結(jié)構(gòu)構(gòu)燥造不同拆（層理牙引起的鞏力學(xué)各異向異性終）。巖石穗材料清分類巖石片材料兆在力禍學(xué)上易可以債分為均勻和非均勻材料猾。均勻載材料現(xiàn)在力揀學(xué)上鑰可以靈是各向罩同性的或各向國(guó)異性的。力學(xué)性微質(zhì)各向俱異性是濃指物體源內(nèi)同一底點(diǎn)各個(gè)蜻方向上烏力學(xué)性調(diào)質(zhì)不同蓋。沉積巖璃的水平繭層理橄欖第石單隱晶體圍壓對(duì)稻巖石力川學(xué)性質(zhì)至的影響增大懸圍壓鹿的效添應(yīng)有味兩方違面：增大了皂巖石極悶限強(qiáng)度抗；增大困了巖度石的坦韌性牽。溫度的族影響溫度爽使影康響巖彎石力燒學(xué)性艷質(zhì)和孝流變鉤強(qiáng)度貞的一左個(gè)重貪要因氣素。溫度孔的升顧高使餡巖石世的韌副性增賺大，河屈服刊強(qiáng)度伙降低廣；溫度升今高和圍腳壓增加蘇，導(dǎo)致著巖石從折脆性向辨韌性過(guò)園渡，孕映育著發(fā)揮震層；溫度觸對(duì)瀝侵青的號(hào)變形累強(qiáng)度匪影響堤是一唯個(gè)很母生動(dòng)沙的例奶子（世夏天艙的瀝偷青和躁冬天命的瀝湊青強(qiáng)敵度大則不一憤樣）孔隙攪流體籃的影伶響孔隙流未體對(duì)巖俱石力學(xué)路性質(zhì)影挽響表現(xiàn)蛇為兩個(gè)版方面：物理方蜓面影響仰和化學(xué)們方面影女響。當(dāng)巖石搞中流體葛含量增替加時(shí)，紛巖石強(qiáng)捏度降低釣。流體機(jī)促使礦撈物在應(yīng)醬力作用抓下的溶腥解和重外結(jié)晶，踢從而促斯使塑性體變形；產(chǎn)生孔量隙流體箱壓力效薦應(yīng)：地煌殼中流露體孔隙修壓力（水靜水壓延力）為其靜巖壓折力的40％。衫在變機(jī)形過(guò)古程中斃孔隙唱壓力肆（Pp）的作奮用會(huì)抵憶消圍壓徹（Pc）的飼作用遠(yuǎn)，對(duì)次變形扔實(shí)際攪起作飽用時(shí)至有效橡圍壓枕（Pe）Pe=Pc-Pp有效載壓力校（Pe）降妻低，善使巖者石易厭于破弦裂，敬強(qiáng)度招降低?？紫秹涸捔π?yīng)般對(duì)巖石訂破裂的賺影響莫爾圓I－代表收孔隙壓哀力為零烘時(shí)應(yīng)力腔狀態(tài)，錘巖石是墓穩(wěn)定的駁，未破牛裂；莫爾界圓II－總脂正應(yīng)造力（王橫坐客標(biāo)）春不變慕，σe正應(yīng)力鎖減小，σe=σ-σc，巖示石發(fā)提生破癢裂。流體馬的化定學(xué)反具應(yīng)和嘆水弱疼化作斥用硅酸道鹽礦鉗物在會(huì)高壓傲和高彼溫條墊件下球的水關(guān)弱化方作用[S地i-左O-梢Si興]+鋒H2O→X→2[鄭Si胃OH舍](室Fr豎ei農(nóng)ma斃n,挑19足84阻)X是活化隔了的化柴合物。水弱拆化作灶用：產(chǎn)生大勺量擴(kuò)張油應(yīng)變，疊誘發(fā)裂題紋尖端患高應(yīng)力披；Si蓬-O共價(jià)構(gòu)鍵被H-密O代替僚，加冬