第4章 变形岩石应变分析基础

第5章岩石力学性质徐海军地球科学学院第一节岩石力学性质的几个基本概念岩石力学性质`岩石力学性质是岩石受力作用之后的反映，主要指岩石变形特征及岩石的力学强度。岩石变形与岩石本身力学性质有密切关系。`岩石力学性质研究的途径：`野外观察天然岩石力学现象；`实验室内岩石变形实验；`野外对岩体进行实地实验；`理论分析和数值模拟。岩石力学性质是构造分析的基础岩石是如何变形的？地壳变形过程与受力作用0.1MPa高温流变仪样品装置示意图实验室岩石变形实验实验试样及主应力图示σ1σ2=σ3=围压σ3σ1=σ2=围压差（异）应力（differentialstress）σ=σ1-σ3压缩拉伸物体的弹性形变_胡克定律岩石变形的应力－应变曲线弹性变形与塑性变形`弹性变形：岩石在外力作用下发生变形，当外力解除后，又完全恢复到变形前的状态，该变形称为弹性变形。特点：应力和应变成正比，符合虎克定律。σ=EeE—弹性模量/杨氏模量`塑性变形：随着外力继续增加，变形继续增大，当应力超过岩石的弹性极限后，再将应力撤去，变形岩石已不能完全恢复原来的形状，保留一定的永久变形，该变形称为塑性变形。岩石变形的应力－应变曲线滞弹性（anelastic）非理想弹性体的变形：受力不立即产生全部弹性变形，而是随着时间的延长逐渐增大弹性变形到应有的值；当撤除外力后，也不立即恢复原状，而是随时间延长逐渐恢复原状。这种现象称为弹性后效（即滞弹性）。岩石弹性变形通常表现为滞弹性（anelastic）。岩石的滞弹性具有重要意义，上地幔的地震波衰减就被认为与岩石的滞弹性有关。屈服应力σy（yieldstress）`随着变形继续，应力－应变曲线斜率变小，这时如果撤除应力，曲线并不回到原点，而与e轴交于e1，说明试样由于超出其弹性极限而发生了永久变形。这个极限点的应力叫屈服应力σy（yieldstress）。塑性材料的力学行为塑性变形材料理想塑性材料当应力超过一定值时，岩石就会以某种方式而破环，发生断裂变形。这时的应力值称为岩石的极限强度或强度。岩石变形的应力－应变曲线岩石抗压强度(MPa)抗张强度(MPa)抗剪强度(MPa)花岗岩148(37-379)3-515-30大理岩102(31-262)3-910-30石灰岩96(6-360)3-612-20砂岩74(11-252)1-35-15玄武岩275(200-350)10页岩20－802岩石的抗压强度抗剪强度抗张强度常温常压下一些岩石的强度极限脆性`脆性：脆性材料在弹性范围内或弹性变形后立即破裂，即在破裂前没有或有极小的塑性变形，材料的这种性质称为脆性。`脆性破裂：脆性材料的破裂称为脆性破裂。`脆性破裂方式：张破裂和剪破裂。韧性和塑性区别`韧性（延性）是用来描述允许大应变，以宏观均质变形为特征，而不管所包括的微观变形机制如何的流变性质。`塑性是一种永久变形，它涉及晶内的位错运动的微观机制，可能还包括扩散。`岩石变形机制通常有三种：1.碎裂机制（cataclasis）；2.晶内塑性（intracrystallineplasticity）3.物质扩散流动（flowbydiffusivemasstransfer）2流体的粘性是指流体内部各流层之间相对滑动时，层面之间存在的一种内摩擦效应。2流体沿着x方向流动的n个不同流层。它们的流速u是y的函数，u在y轴方向的变化率称为速度梯度，du/dy。同一位置上的剪应力（摩擦阻力）与速度梯度呈正比关系τ=ηdu/dyη粘度（Pa·s）2（1）式中可作下列变换2（1）改写为2（1）、（3）式称为牛顿粘性定律，服从牛顿粘性定律的材料称为牛顿流体（或线粘性流体）。（2）（1）（3）（4）粘性和粘度xy0u=u(y)......材料的粘弹性`非线粘性流体：非牛顿流体。其发生流动变形时，各点剪应力与剪应变速率成非线性关系。`粘弹性：既具有弹性，又能发生粘性流动的材料，称为粘弹性体，它所表现出来的力学性质，称为粘弹性。`流体具有流动性，具有粘性。岩石也具有流动性和粘性。只是其流动速度比液体要缓慢得多而不易觉察出来，从而说明岩石的粘度较大。例如在常温下，石灰岩的粘度约为冰川冰粘度的1亿倍。第二节影响岩石力学性质的因素1.各向异性（anisotropy）橄榄石晶体沉积岩的水平层理2.围压（pressure）增大围压的效应有两方面：1.增大了岩石极限强度；2.增大了岩石的韧性。3.温度（temperature）`温度是影响岩石力学性质和流变强度的重要因素。`温度的升高使岩石的韧性增大，屈服强度降低；`温度升高和围压增加，导致岩石从脆性向韧性过渡，孕育着发震层；`温度对沥青的变形强度影响是一个很生动的例子（夏天的沥青和冬天的沥青强度大不一样）。4.流体（fluid）`孔隙流体对岩石力学性质影响表现为两个方面：物理方面影响和化学方面影响。`当岩石中流体含量增加时，岩石强度降低。流体促使矿物在应力作用下的溶解和重结晶，从而促使塑性变形；`产生孔隙流体压力效应：地壳中流体孔隙压力（静水压力）为静岩压力的40％。在变形过程中孔隙压力（Pp）的作用会抵消围压（Pc）的作用，对变形实际起作用时有效围压（Pe）Pe=Pc-Pp`有效压力（Pe）降低，使岩石易于破裂，强度降低。`硅酸盐矿物在高压和高温条件下的水弱化作用[Si-O-Si]+H2O→X→2[SiOH]X是活化了的化合物。`水弱化结果：`产生大量扩张应变，诱发裂纹尖端高应力；`Si-O共价键被H-O代替，加速岩石塑性变形；`H-O键加速热力学的反应；`H2O含量增加，降低岩石熔点，加速熔体弱化。孔隙压力效应对岩石破裂的影响莫尔圆I－代表孔隙压力为零时应力状态，岩石是稳定的，未破裂；莫尔圆II－总正应力（横坐标）不变，σe正应力减小，σe=σ-σc，岩石发生破裂。5.时间（time）`与实验室岩石力学研究不同，地质条件的岩石变形时间很长，一个造山带变形要经历几百万年才完成。`应变速率的影响（έ=ε/t）`έ降低，材料强度降低，向韧性方向转变`陨石的碰撞或地震是快速έ`阿尔卑斯山变形速率10-12/s-10-14/s左右应变速率对岩石变形的影响（Heard,1963）时间对岩石蠕变和松弛的影响`蠕变是在恒定应力作用下，应变随时间持续增加的变形。`松弛是在恒定变形情况下，岩石中应力随时间增长不断减小。`蠕变和松弛现象是岩石变形表现的两方面，都表现出时间对岩石性质的影响。实例：贵州乌江电站水力破裂第三节岩石的能干性岩石的能干性岩石能干性是指不同岩石在相同变形环境中变形行为的相对差异。岩石按能干性的差异分为能干的（强的）和不能干的（弱的）。第四节岩石变形的微观机制岩石变形的微观机制脆性变形机制塑性变形机制`微破裂作用`碎裂作用`碎裂流`位错蠕变`扩散蠕变`颗粒边界滑动`超塑性变形位错蠕变晶体缺陷包括：点缺陷、线缺陷（位错）和面缺陷。位错蠕变是通过位错运动而使材料变形的一种变形机制，包括低温下的位错滑动和高温下的位错攀移两种机制。点位错（pointdefects）空位移动（MigrationofaVacancy）刃位错和螺位错（EdgeandScrewDislocations）Typicalsubgrainstructureinolivine,Katin,LauningMultiplecross-slipscrewandloops,Mingxi,Fujian,EasternChina.扩散蠕变`扩散蠕变是通过晶内和晶界的空位和原子运动来改变晶粒形状的一种塑性变形机制，包括晶内扩散蠕变（Nabarro-Herring蠕变）和晶界扩散蠕变（Coble蠕变）。`压溶蠕变实际上是一种低温扩散蠕变形式。Pressuresolution/DisolutioncreepConceptualmechanismofdiffusioncreepNabarro-Herring(VolumeDiffusion)Creep颗粒边界滑动`颗粒边界滑动是通过颗粒边界之间的滑动来调节岩石总体变形的一种变形机制。`颗粒边界滑动跟扩散蠕变一样，都要求颗粒粒度很小以及高温环境。`超塑性变形是通过颗粒边界滑动机制实现的一种变形结果，通常样品变形量在1000倍以上。DeformationMechanismMaps:Quartzite,Marble,andOlivineDeformationmechanismmapDepthDifferentialStressThedominantdeformationmechanismisdislocationcreepintheuppermantle.第五节岩石断裂准则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。库仑准则`库仑准则，又称最大剪应力准则，其表达式为τmax=(σ1-σ3)/2=τ0σττ02θ2θ库仑－纳维叶准则将库仑公式（τ＝τ0＋μσn）中的内摩擦系数μ用内摩擦角来表示，将其转换成τ＝τ0+σntanϕ即为库仑－纳维叶准则。由于该理论既有一定的适用性，又比较简单，所以应用比较广泛。σφσ3σ1φ2θτ格里菲斯准则库仑准则是通过实验说明岩石破裂时各应力之间的关系，但它们不能对导致破坏的内部机制作出令人满意的物理学方面的解释。为此提出了格里菲斯准则τn2=4T0(T0+σn)该准则认为，任何脆性材料，都存在大量微小裂缝，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σ1-3σ3σ3=－T0当σ1-3σ3τn2=4T0(T0+σn)