第十章I节理和断层的力学基础岩石的脆性破裂和摩擦滑动

第十章节理和断裂的力学基础:岩石的脆性破裂和摩擦滑动参考书目：Fossen,《StructuralGeology》,Chapter7岩石的脆性破裂（fracture）破裂（fracture）破裂构造的两方面特征：1）断裂─存在裂隙，地质体不再连续；2）位移（沿破裂面）a）没有位移─节理b）有位移─断层如果裂隙被矿物充填─脉体节理（joint）断层（fault）脉体（vein）断层节理周口店龙门口破裂的方式A.拉张破裂（模式I）：相对运动方向垂直于破裂面B.剪切破裂（模式II）：相对运动方向平行于破裂面，但垂直于破裂边缘C.剪切破裂（模式III）：相对运动方向平行于破裂面和破裂边缘破裂的方式岩石的破裂方式破裂的力学分析σ3σ1σ2物体中与σ3垂直的平面内任意截面的应力状态都可以用左侧应力莫尔圆上的一点来表示。σ1σ2破裂的力学分析45vs.30岩石断裂准则断裂是指由于外力作用在物体中产生的介质不连续面。断裂准则：在极限应力状态下各点极限应力分量所应满足的条件，称为断裂条件或者准则。莫尔包络线：就是材料破坏时的各种极限应力状态应力圆的公切线。判别条件：当一点的应力状态的应力圆与莫尔包络线相切，这点就开始破裂。张裂的破裂准则库仑准则库仑准则，又称最大剪应力准则，其表达式为max=(1-3)/2=0。022库仑－纳维叶(Coulomb-Navier)破裂准则|τ|=c+μσnτ为临界剪应力，c为内聚力，μ为内摩擦系数，σn为正应力μ为上述直线方程中的直线的斜率,如果以直线的斜角φ表示,则μ=tanφ,因此,上式可写成:|τ|=τ0+tanφσn格里菲斯破裂准则该准则认为,任何脆性材料,都存在大量的微小裂缝,脆性材料的断裂就是由这些微小的、无定向裂缝扩展的结果。当材料受力时,在微裂缝周围,特别是在裂缝尖端发生应力集中,使裂缝扩展,最后导致材料完全破坏。为此,格里菲斯提出了双轴应力状态下裂缝开始扩展的判别式:τ2=4σt(σt-σ)式中τ为断裂面上的剪应力,σ为断裂面上的正应力,σt为岩石的抗张强度。该式表明,断裂的所有极限应力圆的包络线是一条抛物线。格里菲斯破裂准则vs.库伦—纳维叶破裂准则格里菲斯—库伦破裂准则断裂（fault）的微观机制Lockner,1991Scholz,1968脆性破裂的声发射断裂的微观机制：张裂隙的增生和自组织断裂的微观机制：张裂隙的增生和自组织脆性破裂的微观机制：微破裂？缺陷导致的应力集中张裂(modeI)的产生和传播33张裂ClosedCrackScholz,1990剪裂（modeII）的产生和传播岩石的摩擦滑动（frictionsliding）脆性破裂vs摩擦滑动摩擦（Friction）Onceafaulthasbeenformeditsfurthermotioniscontrolledbyfriction,whichisacontactpropertyratherthanabulkproperty.Frictionistheresistancetomotionthatoccurswhenabodyisslidtangentiallytoasurfaceonwhichitcontactsanotherbody.Frictionisnotafundamentalforce,asitisderivedfromelectromagneticforcebetweenchargedparticles,includingelectrons,protons,atoms,andmolecules,andsocannotbecalculatedfromfirstprinciples,butinsteadmustbefoundempirically.Whencontactingsurfacesmoverelativetoeachother,thefrictionbetweenthetwosurfacesconvertskineticenergyintothermalenergy,orheat.Contrarytoearlierexplanations,kineticfrictionisnowunderstoodnottobecausedbysurfaceroughnessbutbychemicalbondingbetweenthesurfaces.Surfaceroughnessandcontactarea,however,doaffectkineticfrictionformicro-andnano-scaleobjectswheresurfaceareaforcesdominateinertialforces.突起（asperities)&接触面（contactarea）摩擦的本质：突起相互作用库伦（Coulomb）摩擦Coulombfriction,namedafterCharles-AugustindeCoulomb,isamodelusedtocalculatetheforceofdryfriction.Itisgovernedbytheequation:=niseithertheforceexertedbyfrictionorinthecaseofequality,themaximumpossiblemagnitudeofthisforce;isthecoefficientoffriction,whichisanempiricalpropertyofthecontactingmaterials;nisthenormalforceexertedbetweenthesurfaces.TherearetwodifferenttypesofCoulombfrictions:staticfrictionandkineticfriction.Byerlee’slawByerlee’slaw粘滑（Stickslip）和稳滑（stablesliding）粘滑稳滑弹簧滑块模型摩擦滑动实验粘滑和稳滑的观测粘滑和稳滑与温度和空隙水压力关系Rateandstate(dependentfriction)law-Dieterich-RuinalawRateandstate(dependentfriction)law-Dieterich-RuinalawDieterich,J.1994.Aconstitutivelawforrateofearthquakeproductionanditsapplicationtoearthquakeclustering.JGR,vol.99,2601-2618.实习作业基本格式图名比例尺方位图例02004006002004006000（m）AB125∠452.5cm地层分界线长1.5cm一般岩性符号长注意：方位、比例尺、图名、图例是图切剖面及一切野外素描图件中必不可少的基本要素。通知期末考试时间：6月14日（周日）15：00-17：00地点：教一楼406，407?课后作业1.分析下附地质图并进行简要文字描述①地层发育状况及其接触关系；②是否发育褶皱构造及其类型；③是否发育断层及其性质判断标志；④侵入体（γ）活动时代；⑤地质事件演化序列。2.分析判别下图，指出断层两盘相对移动方向，分析断层性质课后作业