岩石力学性质

1、岩石力学性质研究的途径岩石力学性质研究的途径 （1）观察天然岩石的力学现象（天然露头等）； （2）实验室内对岩石进行变形实验； （3）在野外对岩体进行实地试验； （4）理论分析和数值模拟。 塑性变形塑性变形 脆性变形脆性变形 天然岩石变形天然岩石变形 0.1MPa0.1MPa高温流变仪高温流变仪 样品装置示意图样品装置示意图 实验室岩石变形实验实验室岩石变形实验 1 2=3 =围压围压 1=2 =围压围压 1 3 3 差应力（差应力（differential stress）=1-3 l在受到外界应力作用时，固体材料的力学 响应具有很大变化性。即使对某种特定的 材料，它的力学响应也要取决于变形的

2、物 理和化学条件。 l目前，人们将材料的力学响应主要划分为 弹性（elastic）、粘性（viscous）和塑性 （plastic）等类型。 岩石力学性质的一些基本概念（一）岩石力学性质的一些基本概念（一） l弹性变形：弹性变形：指物体在外力作用下变形，当外力除 去后物体能完全恢复原状。具有这种性能的物体 称为弹性体，它的变形称为弹性变形。弹性分理 想弹性和非理想弹性。 l理想弹性体理想弹性体的变形是可逆过程，它的应力与应变 之间有一个确定的单值关系，符合虎克定律： =Ee 其中E为杨氏弹性模量。 岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线 l非理想弹性体非理想弹性体的变形：受力不立即产生全

3、部弹性的变形：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，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。这种现象称为而是随时间延长逐渐恢复原状。这种现象称为弹弹 性后效（即滞弹性）性后效（即滞弹性）。 l岩石弹性变形通常表现为滞弹性（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。减就被认为与岩石的滞弹性有关。 滞弹性（滞弹性（anela

4、stic） 岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线 随着变形继续，应力随着变形继续，应力 应变曲线斜率变小，这应变曲线斜率变小，这 时如果撤除应力，曲线时如果撤除应力，曲线 并不回到原点，而与并不回到原点，而与e 轴交于轴交于e1，说明试样由，说明试样由 于超出其弹性极限而发于超出其弹性极限而发 生了永久变形。这个极生了永久变形。这个极 限点的应力叫限点的应力叫屈服应力屈服应力 y（yield stress）。）。 l塑性变形塑性变形是指物体在外力施加的同时产生变形， 但在外力解除之后，变形永远不会自动恢复的这 种性能，具有这种性能的物体称为塑性体，它的 变形称为塑性变形。 l在应力不超

5、过某一临界值y的条件下，理想塑性理想塑性 材料材料可以持续永久变形，在这一临界值之下，材 料不发生变形。 岩石力学性质的一些基本概念（二）岩石力学性质的一些基本概念（二） 岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线 岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线 y 理想塑性材料的力学行为理想塑性材料的力学行为 岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线 韧性和塑性区别韧性和塑性区别 n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。 n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

6、还包括扩散。 n岩石变形机制通常有三种： （1）碎裂机制（cataclasis）； （2）晶内塑性（intracrystalline plasticity） （3）物质扩散流动（flow by diffusive mass transfer） n脆韧性转化从宏观上描述 n脆塑性转化从微观机制上描述 n脆塑性转换域是一个十分重要的问题， 地球上大部分地震都发生在脆塑性转换 域的深度。 世界上一些地区地震震源深度分布柱状图 （据Maggi et al., 2000a） 岩石力学性质的一些基本概念（三）岩石力学性质的一些基本概念（三） l流体粘性是流体内部各流层之间相对滑动时，层面间存在一种内摩擦效

7、应。 l流体沿着x方向流动的n个不同流层。它们的流速是y的函数，在y轴方向的 变化率称为速度梯度，d/dy。同一位置上的剪应力（摩擦阻力）与速度梯度 呈正比关系 l=d/dy 粘度（Pas） l（1）式中可作下列变换 l（1）改写为 l（1）、（3）式称为线性粘性定律（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）。具牛顿粘性变形称为粘性流体变形。 dt d y du dt d t du dy d dy ud )()( （2） （1） （3） （4） 理想粘性材料的力学行为理想粘性材料的力学行为 l弹塑性变形指有些物体同时具有弹性和塑性的性 能。在弹塑性变形中，有一部分是

8、弹性，其余为塑 性变形。 l既具有弹性，又能发生粘性流动的材料，称为粘弹 性，它所表现的力学性质，称为粘弹性。如蛋清就 是一种粘弹性体。 l岩石在长期力作用下是一种同时具有弹性和塑性的 物质，这种弹性和塑性是指在弹性范围内显现的弹 性和塑性；当岩层具有高度塑性时还能发生半粘性 流动。 n岩石也是一种粘弹性体，它不像蛋清这样明显，这主要 是它的流动需要在长时间载荷下表现出来。对于固体或 流体而言，温度越高，粘度越低，反映易流动性越大。 n岩石具有非常缓慢的流动性。 n粘度是衡量地球动力学的一个重要参数。 n近代，人们把物体所有这些力学性质概括为物质的流变 性（rheological proper

9、ties），并形成一门新兴学科 流变学（rheology） n流变学是研究固体物质流动的科学。因此，从近代地球 科学观念来看，地球物质具有流变性。把研究地球物质 流动性质和规律的科学，称为“地球流变学（Rheology of Earth Materials）”。 影响岩石力学性质的因素影响岩石力学性质的因素 应力应力应变应变岩石力学性质岩石力学性质 影响因素影响因素 l应力和应变是岩石或地块在外界力影响下的重要响应。应力是物 理方面的反映之一，应变是几何学方面的反映之一； l岩石力学性质是指在应力和应变作用下，岩石出现塑性变形或 脆性变形（破裂）的条件； l岩石力学性质是约束岩石变形和构造几何

10、特征的重要条件。例如 同样的压应力作用在不同岩层上，力学表象不同： 在柔性岩层中褶皱构造 在相对硬岩层中断裂构造 在软硬相间岩层中香肠构造 影响岩石力学性质的因素影响岩石力学性质的因素 u各向异性对岩石力学性质的影响； u围压对岩石力学性质的影响； u温度对岩石力学性质的影响； u孔隙流体对岩石力学性质的影响； u时间因素对岩石力学性质的影响。 u总之，岩石的变形是环境、时间和材料的函数。 岩性和各向异性的影响岩性和各向异性的影响 n岩石组成的成分不同的影响； n不同岩石具有不同的力学强度，例如花岗 岩的挤压强度是页岩挤压强度的8倍； n岩石的结构构造不同（层理引起的力学各 向异性）； n不同

11、岩石剪切破裂角有明显变化。 岩石材料分类岩石材料分类 n岩石材料在力学上可以分为均匀和非均匀材料。 n均匀材料在力学上是各向同性的或各向异性的。 n力学性质各向异性是指物体内同一点各个方向上力学性 质不同。 橄榄石单晶体橄榄石单晶体 围压对岩石力学性质的影响围压对岩石力学性质的影响 增大围压的效应有两方面： l增大了岩石极限强度； l增大了岩石的韧性。 温度的影响温度的影响 l温度使影响岩石力学性质和流变强度的一个重要因素。 l温度的升高使岩石的韧性增大，屈服强度降低； l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； l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

12、和冬天的沥青强度大不一样） 孔隙流体的影响孔隙流体的影响 l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。 l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； l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 l有效压力（Pe）降低，使岩石易于破裂，强度降低。 孔隙压力效应对岩石破裂的影响 l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； l莫尔圆II总正应力（横坐标

13、）不变，e正应力减小，e=- c，岩石发生破裂。 流体的化学反应和水弱化作用流体的化学反应和水弱化作用 n硅酸盐矿物在高压和高温条件下的水弱化作用 Si-O-Si+H2O X2SiOH(Freiman,1984) X是活化了的化合物。 n水弱化结果： u产生大量扩张应变，诱发裂纹尖端高应力； uSi-O共价键被H-O代替，加速岩石塑性变形； uH-O键加速热力学的反应； uH2O含量增加，降低岩石熔点，加速熔体弱化。 时间影响因素时间影响因素 u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。 u应变速率的影响（=/t） l降低，材料强度降低，向韧

14、性方向转变（例如 用不同 冲击沥青，变形结果是不一样的） l陨石的碰撞或地震是快速 l阿尔卑斯山变形速率10-12/s-10-14/s左右 时间对岩石蠕变和松弛的影响时间对岩石蠕变和松弛的影响 n蠕变是在恒定应力作用下，应变随时间持续增加的变形。 n蠕变的结果在低于岩石弹性极限的情况下使岩石产生永 久变形。 n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。 n松弛的结果：使部分弹性变形转化为永久变形，相当于 降低了岩石的弹性极限。 n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。 岩石的能干性岩石的能干性 u岩石能干性是指不同岩石 在相同变形环境中变形行 为的

15、相对差异。 u研究途径： l有限应变的对比； l劈理折射程度的比较； l香肠构造对比； l褶皱形态的对比。 影响因素影响因素强度强度韧性韧性 围压增大围压增大增大增大 温度增大温度增大减小增大 孔隙压力增大孔隙压力增大减小减小 溶液增多溶液增多减小增大 应变速率减小应变速率减小减小增大 影响岩石力学性质的各种因素 0.1MPa0.1MPa高温流变仪高温流变仪 样品装置示意图样品装置示意图 实验室岩石变形实验实验室岩石变形实验 岩石力学性质的一些基本概念（一）岩石力学性质的一些基本概念（一） l弹性变形：弹性变形：指物体在外力作用下变形，当外力除 去后物体能完全恢复原状。具有这种性能的物体 称为

16、弹性体，它的变形称为弹性变形。弹性分理 想弹性和非理想弹性。 l理想弹性体理想弹性体的变形是可逆过程，它的应力与应变 之间有一个确定的单值关系，符合虎克定律： =Ee 其中E为杨氏弹性模量。 l非理想弹性体非理想弹性体的变形：受力不立即产生全部弹性的变形：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，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。这种现象称为而是随时间延长逐渐恢复原状。这种现象称为弹弹 性后效（即滞弹性）性后效（即滞弹性）。 l岩石弹性变形通常表现

17、为滞弹性（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。减就被认为与岩石的滞弹性有关。 岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线 随着变形继续，应力随着变形继续，应力 应变曲线斜率变小，这应变曲线斜率变小，这 时如果撤除应力，曲线时如果撤除应力，曲线 并不回到原点，而与并不回到原点，而与e 轴交于轴交于e1，说明试样由，说明试样由 于超出其弹性极限而发于超出其弹性极限而发 生了永久变形。这个极生了永久变形。这个极 限点的应力叫限点的应力叫屈服应力屈服应力 y（yi

18、eld stress）。）。 n岩石也是一种粘弹性体，它不像蛋清这样明显，这主要 是它的流动需要在长时间载荷下表现出来。对于固体或 流体而言，温度越高，粘度越低，反映易流动性越大。 n岩石具有非常缓慢的流动性。 n粘度是衡量地球动力学的一个重要参数。 n近代，人们把物体所有这些力学性质概括为物质的流变 性（rheological properties），并形成一门新兴学科 流变学（rheology） n流变学是研究固体物质流动的科学。因此，从近代地球 科学观念来看，地球物质具有流变性。把研究地球物质 流动性质和规律的科学，称为“地球流变学（Rheology of Earth Materials）”。 应力应力应变应变岩石力学性质岩石力学性质 影响因素影响因素 l应力和应变是岩石或地块在外界力影响下的重要响应。应力是物 理方面的反映之一，应变是几何学方面的反映之一； l