第二章 岩石变形及影响因素.ppt

1、第一章 绪 论 思考问题 1 显微构造定义、研究内容 2怎样进行显微构造研究,第二章 岩石变形及影响因素,一、岩石矿物变形的基本概念,1.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，当外力取消后，便又恢复到变形前的状态。岩石的这种力学性质称为弹性，这种变形称弹性变形。这时应力与应变成正比，符合虎克定律： =E 式中为应力，E为弹性模量（杨氏模量），它的物理意义是代表拉、压时，材料对弹性变 形的抵抗能力，为应变值。 P点为弹性极限,外力继续增加，变形继续增强，当应力超过岩石的弹性极限，即使外力去掉后，岩石也不能完全恢复到原来的形状，从而使一部分变形保留下来，这种变形称塑性变形（即出现剩

2、余变形或永久变形），岩石的这种性质称为塑性。 如图1-1-8中B点开始，岩石进入塑性变形阶段，过B点后，曲线显著弯曲，当达到C点时曲线很快就变成水平，这就意味着在没有增加载荷的情况下变形却显著地增加，此时岩石抵抗变形的能力就很弱了，这种现象称为岩石的屈服，C为屈服点，对应此点的应力值，称为屈服极限。过C点后应力缓慢增加，一直到D点，应力值增加到最大值。,塑性变形,一、岩石矿物变形的基本概念,2.脆性行为与韧性行为； 脆性是指岩石和矿物出现明显破裂，在破裂之前未出现永久变形； 韧性是指岩石和矿物在没有明显破裂情况下，其大小和形状发生了显著的变化。 小于2%的应变量为脆性；在2-8%为脆韧性；8%

3、为韧性。,据Griggs,1960,根据岩石破坏前应变的百分数可以将岩石破坏分成五种类型 （1）岩石处于地表或近地表的情况，在常温常压环境下或稍有围压而应力差值1-3很大时，岩石破坏前永久应变1%，岩石表现为脆性状态，应力应变近于直线关系。在上述前提下，当应力达到一定值时，岩石垂直于小主应力方向产生张性破裂，这是由于围压、温度较低或空隙水压力及应变速率较大，允许岩石有一定侧向膨胀的结果。,据Griggs,1960,3、岩石破坏类型,据Griggs,1960,（2）岩石离地表有一定深度，其围压与温度较第一种情况稍高，但应变速率及空隙水压力很低的情况，岩石表现出少量的塑性，随着塑性增加破坏前永久应

4、变增加到15%，岩石破坏时边缘出现与最大主应力1方向夹角小于45的局部剪切破裂面，而大范围仍沿着最大主应力方向成张性破裂，其应力应变曲线最初呈现近似线性关系，超过弹性极限则略有向下弯曲的部分，仍可归纳为脆性破裂范围。,据Griggs,1960,（3）相当于岩石处于离地表更深处（约25km），围压、温度较前更高或围压较大，均可产生这种情况的破坏。其破坏面属于单一剪切面，破坏面与最大主应力方向夹角小于45，破坏前应变为2%到8%，为脆性向塑性过渡状态。这种情况相当于薄的破坏带，断层泥少的逆断层，正断层、平移断层及X节理等构造形迹也可以也可能在断层一侧或两侧有序次的羽裂。剪切破裂面的角度随着围压而变

5、化，共轭剪切破裂面角随着围压的增加而增大。,据Griggs,1960,（4）相当于离地表1020km处的岩石。其围压与温度更高，或应变速率很低时或岩石本身具有一定塑性（如碳酸岩类岩石）其破坏前总应变为5%到10%，前者为脆性转化塑性的界线，后者已处于塑性状态。破坏时剪切破裂带较宽且有一定的相对错动，断层面与最大压应力方向夹角略小于45或接近45，这相当于较宽的断层泥较多的破碎带，有时其一侧或两侧伴有牵引褶皱。,据Griggs,1960,（5）相当于岩石离地表更深，围压大于500Mpa，温度超过500或应变速率小于10-12/s 情况，岩石呈现出完全塑性状态，这可能相当于各种复杂流变褶皱形成的物

6、理环境，塑性增加使永久变形大于10%。,4.应变硬化和应变软化,影响应变软化的显微机制： （1）流体和水的作用； （2）变形过程中矿物定向排列； （3）变形过程中矿物粒度细化； （4）变形过程中显微分层构造形成； （5）变形过程中矿物边界的动态迁移； （6）变形过程中的动态重结晶作用； （7）构造变质作用； （8）应变能和摩擦热能的积累；,5.蠕变 小的恒定应力长期作用下，固态岩石变形连续增加。 蠕变过程可以划分为三个阶段：第一阶段A-B应变速率不断减小，为过度蠕变；第二阶段，B-C阶段应变速率恒定，为稳态蠕变；第三阶段C-D阶段；应变速率增加，加速蠕变。,时间应变曲线,6.构造层次主要是因为

7、向地下深处温压升高引起岩石力学性质变化导致构造变形变化和分层，在同一次构造变形过程中，不同深度的各层中变形机制和构造要素组合特征都不相同，不同深度各层称为构造层次。,二、影响岩石和矿物变形的因素,外部因素（围压、温度、应变速率、流体）； 内部因素（成分、结构等） 1.围压 围压增高会提高岩石强度，当围压达到一定程度时，岩石变形行为也由脆性转变为韧性。,Carrara大理岩在不同围压下变形差异应力-应变曲线,拉伸和挤压实验中脆-韧性过度与温压的关系,2.温度 温度是影响岩石强度和变形行为的一个重要因素。温度升高降低岩石强度，岩石变形由脆性转变为韧性。 引起热蠕变，当温度达到500岩石蠕变强度变的

8、极低（0.11MPa)。热蠕变对解释深部构造层次变质岩中各种复杂的应变具有特殊的意义。,温度升高使岩石强度明显降低两个实验结果,3.流体 流体决定了地壳中的物资和能量的运动和交换，因而影响和控制地壳内部的成岩作用、岩浆作用、变质作用、构造作用和成矿作用等地质作用过程，以及地质动力学机制和演化。 流体决定矿物变形行为主要表现在以下几个方面： 1）均衡传递空隙压，水压越大裂隙末端越易扩张，使岩石强度降低； 2）作为溶剂，促进物资的溶解和运移，改变岩石的成分和结构使得岩石易于变形； 3）润滑作用，降低颗粒之间的粘结力，易于产生滑动。最为典型的实例是逆冲推覆构造；,均衡传递空隙压，水压越大裂隙末端越易

9、扩张，使岩石强度降低,作为溶剂，促进物资的溶解和运移,4）颗粒边界弱化作用，使岩石变形机制由位错蠕变向扩散蠕变转化，使岩石强度降低。,5)水解弱化: 6)流体存在引起流体压力增高，引起脆性破裂。,大青山地区熔体构成的条带,4.外部加载条件： 1）加载方式，因为岩石抗压强度、抗张强度和抗剪强度明显不一样； 2）加载方位；当岩石内先存在面状构造（破裂面、叶里面等）或结构不均匀时，加载方位不同，岩石强度明显不同。,含不同角度石膏夹层的大理岩模型在单轴压缩下的应力-应变曲线（马瑾，1981）,5.应变速率 应变速率直接影响了岩石变形方式； White(1975）把构造变形应变速率划为高、中、低三种应变

10、速率体制； 1）高应变速率（10-3/s),脆性变形、玻化岩 2）中应变速率（ 10-4/s 10-9/s)，塑性变形和碎裂变形共存； 3）低应变速率（ 10-9/s)明显发生了塑性变形，形成了糜棱岩。,6.岩石的成分及结构构造 1）在相同的变形条件下，不同成分的岩石和矿物其变形行为有很大差异。,岩石的能干性,Competent 能干的competence能干性 Incompetent不能干的 岩石的相对易流变性，与岩石变形时的粘度有关。强硬材料比软弱材料的刚性强，粘度大，不易流动或容易破碎。,劈理的折射 劈理从一个层到另一个层的方位改变的现象称为劈理折射；反映了变形强度的差异。 劈理平行于X

11、Y面，在变形岩层中劈理的方向的变化反映岩石的能干性。 劈理的发育强度与X/Z成正比。劈理的密度：条/cm,劈理平行砾石的压扁面,劈理折射,大连金石滩灰岩与页岩互层中的劈理折射,砂泥质岩石中的劈理折射,京西大灰厂灰岩和白云岩中的劈理折射,房山孤山口白云岩和钙质千枚岩中的褶皱和劈理折射,大连金石滩褶皱与劈理型式,香肠构造：石香肠断面的形态与岩石的能干性差异： 矩形菱形藕结形肿缩构造,北京西山奥陶纪灰岩夹白云岩中的矩形石香肠,云蒙山眼球状片麻岩中伟晶岩的菱形石香肠,灰岩夹白云岩的褶皱和香肠,恒山片麻岩中角闪岩的透镜状香肠构造,大别长英质片麻岩中辉长岩的石香肠,褶皱构造：褶皱的初始波长与岩石的粘度比,尖圆褶皱的形态与韧性差,2）具有相同化学成分和矿物成分岩石的结构不同，其变形方式也不同。 粒度可以导致矿物和岩石的变形机制的不同：对花岗岩变形实验表明，粒度在1050m样品中长石变形以位错蠕变为主，当粒度减至210m时，长石变形转变为颗粒边界扩散蠕变为主。 3）岩石中的矿物组成、粒度、结构构造等因素决定了岩石的能干性的差异，进而影响了岩石固态流变的形态、样式、变形机制不同。 白云岩-长石砂岩-石英砂