第五章I岩石的力学性质

1、第五章(I)岩石的力学性质参考书目：朱志澄等构造地质学第五章Fossen H. Structural Geology, Chapters 6Davis et al., Structural Geology of Rocks and Regions Part I, Chapters 3, 4, p.121-191与岩石力学性质有关的与岩石力学性质有关的一些基本概念一些基本概念岩石力学性质岩石力学性质u岩石力学性质是岩石受力作用之后的反映。u岩石力学性质主要是指岩石变形特征岩石变形特征及岩石的力学强度岩石的力学强度。u岩石变形与岩石本身力学性质有密切关系。l在受到外界应力作用时，固体材料的力学响应

2、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物理和化学条件。l根据材料的力学响应（应力与应变关系），岩石的力学性质主要划分为弹性（elastic）、粘性（viscous）、塑性（plastic）和脆性（brittle）。 弹性弹性(elastic)l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理想线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的变形：受力不立

3、即产生全部弹性变形，而是随着时间的延长逐渐增大弹弹性变形，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。即恢复原状，而是随时间延长逐渐恢复原状。这种现象称为这种现象称为弹性后效（即滞弹性）。弹性后效（即滞弹性）。l岩石的弹性变形通常表现为滞弹性岩石的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，）。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上地幔的地震波衰减就被认为与岩石的滞弹性有关。性有关。弹性变形弹性变形线弹性理想弹性滞弹性泊松比（泊松比（Po

4、issons ratio）泊松比（泊松比（Poissons ratio）体积模量（体积模量（bulk modulus）Viscous materials 黏性材料（黏性材料（fluids）符合上述方程的力学性质的材料也称牛顿流体（Newtonian fluid）。是黏度 （单位Pa S）只有流体是真正的黏性体。因此，地质黏性体只有岩浆、岩盐和饱水的泥是真黏性介质。但在实际研究中，特别是数学模拟过程中，慢速变形地质体通常也可以被当作黏性体处理。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。

5、l在应力不超过某一临界值y的条件下，理想理想塑性材料塑性材料可以持续永久变形，在这一临界值之下，材料不发生永久变形。 塑性（塑性（Plastic）塑性变形塑性变形随着变形继续，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y（yield stress）。e1塑性变形的幂律本构方程塑性变形的幂律本构方程应变硬化应变软化（Steady-state）稳态变形 = A d-m Cr n exp (E+P V) /RTWhere is the strain rate, A is the pre-expon

6、ential factor related with material, d is the grain size, m is the grain size exponent, C is the water content, r is the water fugacity exponent, is the steady-state flow stress, n is the stress exponent related with deformation mechanism, E is the activation energy, P is the pressure, V is the acti

7、vation volume, R is the gas constant, T is the absolute temperature.变形性质的基本类型变形性质的基本类型Xe组合组合变形变形性质性质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

8、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）”。 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

9、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。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。岩石岩石抗压强度抗压强度 (MPa)抗张强度抗张强度 (MPa)抗剪强度抗剪强度 (MPa)花岗岩花岗岩148 (37379)351530大理岩大理岩102 (31262)391030石灰岩石灰岩96 (6360)361220砂岩砂岩74 (11252) 13515玄武岩玄武岩275 (200350) 10页岩页岩20802岩石的抗压强度岩石的抗压强度 抗剪强度抗剪强度 抗张强度抗张强度常温常压下一些岩石的强度极限岩石力

10、学性质的研究方法岩石力学性质的研究方法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。有关室内的高温高压实验基本常识还有专门讲解和实验室参观。为什么要研究岩石的力学性质？为什么要研究岩石的力学性质？韧性变形韧性变形脆性变形脆性变形天然岩石变形天然岩石变形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。0.1MPa0.1MPa高温流变仪高温流变仪

11、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12=3=围压围压1=2=围压围压133差（异）应力（差（异）应力（differential stress）=1-3塑性变形材料的典型应变时间曲线塑性变形材料的典型应变时间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，可能还包括扩散。n岩石变形机制通常有以下四种：（1）碎裂机制（cataclasis）；（2）晶内塑性（intracrystalline plasticity）（3）扩散蠕变（fl

12、ow by diffusive mass transfer）（4）颗粒边界滑移（grain boundary sliding）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。( 1 3)Depth (km)摩擦定律: t = c + mn*(linear with depth)塑性塑性: (non-linear with depth & temperature)de/dt = C n e-E/RTLog() = (1/n)log(de/dt) log(c) + E/(RT)世界上一些地区地震震源深度分布

13、柱状图（据Maggi et al., 2000a） 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；u围压；u温度；u孔隙流体；u时间因素(

14、应变速率)；u颗粒大小总之，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）。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均匀材料在力学上可以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。沉积岩的水平层理沉积岩的水平层理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

15、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

16、时有效围压（Pe）Pe=Pc-Ppl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）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水弱化作用：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（应变速率）影响因素时间（应变速率）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l应变速率降低，材料强度降低，向韧性方向转变（例如用不同应变速率变形沥青，变形结果是不一样的）l陨石的碰撞或地震是快速应变速率