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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
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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:
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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

实验室岩石变形实验

0.1MPa高温流变仪

样品装置示意图

实验试样及主应力图示
σ1 拉伸 压缩 σ2=σ3= 围压 σ3

σ1=σ2= 围压

差(异)应力(differential stress)σ=σ1-σ3

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
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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=Ee E—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 。

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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(yield stress)
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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 (yield stress)。

塑性材料的力学行为
塑性变形材料 理想塑性材料

常温常压下一些岩石的强度极限 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。
玄武岩 页岩 大理岩 102 (31-262) 石灰岩 砂岩 96 74 (6-360) (11-252) 3-9 3-6 1-3 10-30 12-20 5-15 10 岩石 抗压强度 (MPa) 抗张强度 (MPa) 3-5 抗剪强度 (MPa) 15-30

花岗岩 148 (37-379)

275 (200350)

岩石变形的应力-应变曲线 2 20-80 岩石的抗压强度>抗剪强度>抗张强度

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
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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. 2. 3.

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碎裂机制(cataclasis); 晶内塑性(intracrystalline plasticity) 物质扩散流动(flow by diffusive mass transfer)

粘性和粘度
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 . (1) y τ=ηdu/dy η粘度(Pa·s) . . u=u(y) 2 (1)式中可作下列变换
2 (2) 2

(1)改写为
(3) (4)

x 0 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)。

材料的粘弹性
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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。

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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)
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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)。

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4.流体(fluid)
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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。

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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。

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水弱化结果:
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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。

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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)
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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。

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应变速率的影响(?=ε/t)
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?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? 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
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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。

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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
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塑性变形机制
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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(point defects)

空位移动(Migration of a Vacancy)

刃位错和螺位错(Edge and Screw Dislocations)

Typical subgrain structure in olivine, Katin, Launing

Multiple cross-slip screw and loops, Mingxi, Fujian, Eastern China.

扩散蠕变

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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。

Pressure solution/Disolution creep

Conceptual mechanism of diffusion creep

Nabarro-Herring (Volume Diffusion) Creep

颗粒边界滑动
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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。

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Deformation Mechanism Maps: Quartzite, Marble, and Olivine

Deformation mechanism map
Depth

Differential Stress
The dominant deformation mechanism is dislocation creep in the upper mantle.

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。
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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。

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。

库仑准则
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库仑准则,又称最大剪 应力准则,其表达式为 τ max=(σ1-σ3)/2=τ0
2 θ

τ τ0 2 θ σ

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+σn tan? τ

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。

φ

σ3



φ σ1 σ

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 < -3 σ3 σ3=-T0 当σ1 > -3 σ3 τn2=4T0(T0+ σn)


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