岩石物理学6(岩石的断裂)ppt

2020/4/13地球物理与石油资源学院1《岩石物理学》授课人：黄文新地球物理与石油资源学院长江大学联系方式：E-mail：[e-mail]@tom.comtel:8060418(o)137072191812020/4/13地球物理与石油资源学院2《岩石物理学》第1章岩石第2章岩石孔隙度和渗透率第3章岩石中波的传播与衰减第4章岩石的弹性第5章岩石的变形第6章岩石的断裂第7章岩石的强度2020/4/13地球物理与石油资源学院3《岩石物理学》第6章岩石的断裂6.1差应力作用下岩石的特性6.2脆性断裂（brittlefracture)6.3岩石断裂力学6.4流体对断裂的影响2020/4/13地球物理与石油资源学院4我们所见到的岩石,都包含有大小不一的裂纹。大的裂纹，如巨大的地质断层，长达几千km，小的裂纹，如岩石样品中矿物内部的小裂纹，仅长几个μm。这些裂纹都是断裂的结果，可以说，地球表面岩石中的断裂无所不在。第6章岩石的断裂大的断层：和地球动力学有关，特别是与地震的发生有密切关系。岩石断裂性质的研究已然成为研究地震过程的有力工具。类似于滑坡等地质灾害的研究，断裂以及沿断裂面的滑动，是决定发生失稳运动最重要的条件。’中型断层：如岩石中的节理、解理等层面，往往是决定岩石或岩体强度最主要的因素。决定岩石或岩体强度的因素很多，但在地下高温高压环境中，其中最重要的因案是岩石断裂后产生的断裂面的力学性状，这些断层对工程或开挖的稳定性有重要影响。小型断层：包括微型的裂纹，对于岩石的输运特性有着关键的影响。它们形成的裂纹网络是岩石中液体输运的通道。许多矿产的形成，正是各种化学元素沿这些通道富集的过程，研究岩石内部的断裂和流体的输运，对于石油、天然气、地热开采等问题都是十分重要的。2020/4/13地球物理与石油资源学院5第6章岩石的断裂6.1差应力作用下岩石的特性通常发现，在差应力作用下岩石的应力—应变曲线在宏观破坏以前，明显地偏离弹性行为，特别是当差应力较高时更是如此。有趣的是，在很低的流体静压力下，由于裂纹的闭合，岩石偏离线性（OA阶段);当应力增高时，岩石接近线性（AB阶段)，差应力进一步增加时，岩石又偏离线性(BC阶段)，这种偏离主要是由于岩石宏观破坏之前，内部产生许多微裂纹，使岩石中的孔隙增加的缘故。岩石内部产生微裂纹的实验证据主要来自岩石体积应变的测量、声发射测量和岩石中弹性波速度的测量。6.1.1岩石的膨胀(1)岩石膨胀的定义：在差应力作用下，岩石会发生变形，其体积的非弹性增加就叫做岩石的膨胀。2020/4/13地球物理与石油资源学院66.1差应力作用下岩石的特性图6-1岩石膨胀的定义膨胀不是指岩石变形过程中体积的增加，而是指非弹性部分体积的增加。但实测曲线表明．对应于差应力σD的岩石体积应变为θ,偏离弹性的部分θc-θ代表了岩石体积的非弹性增加，叫做岩石的体积膨胀，用符号A来表示，即膨胀A＝θc-θ一般来说随差应力增加，岩石的体积是缩小的，但差应力超过某—值σB后,σd—εv曲线偏离了直线，图6-1典型结晶岩石的差应力—体积应变曲线如果岩石是完全弹性的σd—εv曲线应沿图中的θe直线上升，当差应力为σD时，岩石的体积应变为θc。6.1.1岩石的膨胀2020/4/13地球物理与石油资源学院7为了确定岩石的膨胀A,必须知道在差应力σd作用下岩石的弹性变形．以这种弹性变形为参考基准，才能得到膨胀A·。通常是把在低差应力下岩石应力-应变曲线的线性部分外推，得到σd—εv曲线。但当岩石孔隙度较高，或者岩石巳发生了微破裂时，低应力下应力—应变曲线的线性不好，难于进行外推，这时可以把膨胀定义为观测到的实际体应变θ与在同样平均应力下由流体静压力实验得到的体积应变之差。前一种方法比较简单，在处理实验资料时紧常采用，后一种方法物理意义清楚，在理论分析时经常采用。6.1差应力作用下岩石的特性6.1.1岩石的膨胀2020/4/13地球物理与石油资源学院86.1差应力作用下岩石的特性图6-2给出了四种岩石的体积膨胀实验绍果6.1.1岩石的膨胀2020/4/13地球物理与石油资源学院9（2）岩石膨胀的特点6.1差应力作用下岩石的特性岩石膨胀的局部化现象：在岩石宏观破坏之前，膨胀在岩石内部不是均匀发生的，而是集中在局部地区，这个特点几乎是所有岩石膨胀的共同特征，为了说明这种局部化现象，以济南辉长岩单轴压缩时膨胀的发展过程为例。从一块大岩块上，取五块相同的辉长岩样品进行单轴压缩．将样品分别加载到应力—应变曲线的ABCD和E点后卸载（图6—3），把加载过的样品切开，作为岩石光片，观测岩石内部微裂纹的发展情况。6.1.1岩石的膨胀2020/4/13地球物理与石油资源学院10图6—3随差应力增加辉长岩颜色的变化没有受到差应力的辉长岩是黑色的(A），随差应力的增加，岩石光片的颜色由黑变白（BCD)，破裂后在样品的中间部位颜色非常白(E)。’·6.1差应力作用下岩石的特性6.1.1岩石的膨胀2020/4/13地球物理与石油资源学院11图6-5裂纹密度空间分布随差应力的变化图6-4测量反射率的装置为了探讨辉长岩颜色变化和膨胀(即微裂纹发展程度)的关系，可用图6-4所示的装置测定岩石光片的白光漫反射率。颜色越白，反射率就高，这样通过漫反射率的测量，给岩石变自程度以定量的描述。图6-5给出了随差应力的增大，5块样品上微裂纹的发展过程。6.1差应力作用下岩石的特性6.1.1岩石的膨胀2020/4/13地球物理与石油资源学院12表6—1单轴实验辉长岩中微裂纹的统计实验说明了岩石膨胀局部化的特点。膨胀局部化几乎是所有岩石宏观脆性破坏的前兆。岩石的膨胀会引起岩石性质的变化，所以膨胀局部化必然造成变形过程中岩石性质在空间分布上的变化。通常我们测量的岩石性质，是指整个岩石的平均性质，当差应力很小时，这种平均性质实际上代表了岩石内部各点的特性。一旦差应力较高，岩石膨胀发生局部化后，岩石各点变形十分不同，而平均方法会掩盖许多岩石破坏前兆的信息，因此，研究这种变形局部化的规律对于岩石破坏预报是十分重要的。6.1差应力作用下岩石的特性6.1.1岩石的膨胀2020/4/13地球物理与石油资源学院136.1差应力作用下岩石的特性（3）膨胀强化现象考虑在有孔隙流体存在的情况下，由于发生膨胀引起岩石强度增高的现象。根据有效应力定律，岩石强度是由有效应力决定的。在围压为σ3(固定值)，增加σ1使岩石发生脆性破裂的三轴压缩实验中，如果岩样中含有孔隙液体，而且处于不排水条件，岩石的膨胀发生，造成岩石中原有裂纹的张开、扩散，新裂纹的产生，孔隙度增加，孔隙空间增大，使得孔隙压力降低，造成有效应力增加，特别是有效围压的增加，最终导致了岩石强度增加，出现了“膨胀硬化”现象。6.1.1岩石的膨胀2020/4/13地球物理与石油资源学院146.1差应力作用下岩石的特性图6-6花岗岩的膨胀强化实验结果即使当岩石不是处于不排水情况，当加载速度足够高时，流体来不及从岩石外部流入，此时孔隙空间的增大也会导致孔隙压力的下降。因此，当应变速率高于某个临界值时，岩石强度也会增加，从而出现“膨胀硬化”现象。这种现象被用来作为地震孕育发生的一种可能的机制(图6—6)。6.1.1岩石的膨胀2020/4/13地球物理与石油资源学院156.1.2岩石破裂的膨胀模型6.1差应力作用下岩石的特性图6—7岩石破裂的膨胀模型Ⅰ阶段：岩石中存在着许多呈张开状的微裂纹Ⅱ阶段：原来张开的微裂纹发生闭合，岩石总的体积减小．而且这种减小的趋势是线性的Ⅲ阶段：微裂纹发生了扩展。如果岩石是一个完全的弹性体，则它的体积应按图上虚线那样进一步减小。但实际情况不是这样，由于微裂纹的扩展，裂纹占据空间有增大趋势。相对于理想弹性体而言，岩石的体积反而增加了，即出现了“膨胀”现象Ⅳ、Ⅴ阶段：岩石的体积进一步膨胀，直至发生岩石整体的破裂。膨胀是破裂前出现的物理过程许多学者不仅研究破裂发生的条件，而且还研究破裂过程中的各种现象变化，借以寻找破裂的前兆2020/4/13地球物理与石油资源学院166.1.3声发射及其他性质6.1差应力作用下岩石的特性1、高差应力下，由于微破裂引起的岩石明显偏离弹性行为的第二个实验证据，是来自岩石变形时的声发射测量。岩石受力后，内部产生的微裂纹可以造成弹性波的发射，这叫做声发射。声发射对于探测岩石内部微裂纹的扩展、新裂纹的产生等是个有用的工具。2、在单轴或三轴实验中，当差应力很小时．声发射较多，这对应于岩石孔洞的塌陷和裂纹的闭合。在随后的弹性变形阶段，声发射较少。当差应力达到岩石强度的1／3至2／3时，声发射急剧增多，变形过程中声发射的这些特点，可以从图6-8中看出来。图6-8非弹性体积应变与声发射总数N随应力变化曲线，中细粒闪长岩紫硅质灰岩中细粒辉长岩百大理岩2020/4/13地球物理与石油资源学院176.1.3声发射及其他性质6.1差应力作用下岩石的特性3、岩石内部微裂纹的产生，一方面将辐射出弹性波(声发射)，另一方面形成了新的裂纹或者扩展了原有的裂纹，这将增加岩石的体积，而增加的这部分体积是属于非弹性性质的。因此，岩石中微裂纹产生的过程，必将在岩石表面进行的声发射测量和体积应变测量上有所反映。可以预料，声发射和岩石体积膨胀这两种测量有着内在的联系。作为一种粗略估计，如果暂不考虑各个声发射的大小．假定每次声发射对岩石非弹性体积变化都有一分贡献．那么可以得到结论：非弹性体积应变与声发射累积总数之间存在着正比的关系。由图6—8可以看出，几种不同岩石随着差应力的增加，膨胀A与声发射总数N是同步增脑的。4、岩石在差应力作用下内部产生微破裂，体积发生膨胀，改变了孔隙体积，使得由基质和孔隙组成的二相体的岩石的其他一些物理、力学性质均发生变化。图6-9给出了差应力增加过程中岩石的膨胀、声发射、渗透率和弹性P波速度的变化情况。2020/4/13地球物理与石油资源学院186.1.3声发射及其他性质6.1差应力作用下岩石的特性图6-9岩石的膨胀、声发射、渗透率和Vp随差应力的变化2020/4/13地球物理与石油资源学院196.1.3声发射及其他性质6.1差应力作用下岩石的特性5、用声发射研究岩石的破裂过程岩石变形直至发生破裂的过程中，岩石内部不断地产生微破裂，微破裂产生时会有声波辐射出来，这就是声发射(acousticemission)。用仪器测定每个声发射发生的地点，就可以知道微破裂产生的地点，并可以从其辐射图形(radiationpattern)定出其破裂机制(focalmechansim)。记录下岩石变形时微破裂不断产生的位置、频度，这样用声发射的方法就可以知道岩石破裂微破裂的发展演变，以及和岩石最终破裂的关系2020/4/13地球物理与石油资源学院206.1.3声发射及其他性质6.1差应力作用下岩石的特性图6-10用声发射研究岩石的破裂过程是与最终破裂面走向平行的方向上声发射源位置的投影是与最终破裂面走向垂直方向的声发射源位置投影。从声发射观测结果可以看出破裂过程的早期(a、b、c)，声发射源在样品内部空间分布是杂乱的，近似于均匀分布，破裂过程晚期（d、e、f),声发射大量出现，而且丛集在最终破裂面附近的有限空间范围内。2020/4/13地球物理与石油资源学院216.2脆性断裂(brittlefracture)按照经典的观点，破裂(facture)就是岩石的解体：完整的岩石分离成若干部分，脆性破裂是指破裂之前没有或很少发生永久变形。研究脆性破裂有两种方法：第一种方法：企图建立脆性破裂过程的物理模型，这些模型应能代表实际破裂的物理机制，基于这些模型而进行的理论指导，应能有助于理解破裂的物理本质，预言岩石的各种破裂行为，特别是岩石强度。这叫做物理强度理论研究方法，断裂力学中的格里菲斯理论就是这种方法的代表。第二种方法：通过一些特定条件下的实验结果，找出表达破裂发生条件的经验关系，然后将这种经验关系推广到更为复杂的应力状态。库仑和莫尔理论即是这种方法的代表。尽管这些理论中也涉及到许多解释，但基本上还是属于经验性