构造地质学四

第三章（三）影响岩石力学性质及岩石变形的因素

岩石的力学性质并不是固定不变的，主要决定于岩石本身的成分、结构和构造等，但岩石所处的外界地质环境因素，包括围压、温度、溶液和应力作用时间及变形速度等，都对岩石的力学性质以致岩石变形有着明显的影响。本章主要阐述外界因素的影响。2023/3/141一、围压

地壳岩石的围压(静岩压力)随埋深的增加而增高，两者大体呈线性关系。非均匀的各向压缩能增强岩石的弹、韧性，并提高岩石的强度。通常在地壳表面显示脆性较强的岩石，在地下深处围压较大的条件下可以呈高度的韧性。岩石在围压作用下力学性质的变化，已有不少实验结果。这些实验结果表明随着围压的提高，岩石逐渐从脆性过渡为韧性。在温度不变的条件下，随着围压的提高，碳酸盐岩石的永久变形明显逐渐增大(图5-2)，且其弹性极限和强度极限的提高很明显。对于不同的矿物也有类似的实验结果，如磁黄铁矿和闪锌矿，前者相对脆性·，增大围压的影响主要反映在弹性极限和强度极限的提高;后者相对塑性，提高围压使得矿物的永久变形明显增加(图5-1)。2023/3/142图5-1不同围压下矿物的压缩应力-应变曲线图(据BlUCe，1973)a－磁黄铁矿;b－闪锌矿

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围压影响岩石力学性质的原因在于高围压下使晶体凝聚力增大，质点彼此接近，其晶格不易破坏，即不易发生断裂，只能滑移，故表现为塑性变形。图5-2不同围压下大理岩压缩的应力-应变曲线图(据Paterson，1978)2023/3/144二、温度

随着温度增高，可以使常温常压下脆性的岩石，变得强度降低，弹性减弱，塑性增大，韧性增强，易于变形。也就是说，提高温度，加速了岩石由脆性向韧性的转化。但是，影响的程度随岩性不同有所差异。2023/3/145矿物同岩石一样，温度升高，弹性极限和抗压强度明显降低，易于形成塑性变形。图5-4中的磁黄铁矿和闪锌矿在围压固定，温度从25℃、100℃、200℃、300℃、400℃到500℃逐渐升高的情况下，弹性极限等也逐渐降低，并且温度升的越高，降得越快。

温度影响岩石力学特性的原因在于，随着温度的升高，晶体质点的热运动增强，质点间的凝聚力就减弱，质点容易位移;从而降低了岩石的弹性极限与强度极限，提高了岩石的塑性和韧性。2023/3/146图5-4在围压100MPa和不同温度作用下磁黄铁矿(a)和闪锌矿(b)的应力-应变曲线(据Bruce，1973)2023/3/147三、溶液

溶液和水汽能渗入到岩石的内部，引起岩石的力学性质两个方面的变化:一方面是降低了岩石的弹性极限，提高了岩石的塑性，使岩石软化。White(1980)认为孔隙液体有促成剪切软化的作用，从而改变了岩石的力学性质，使之韧性提高;另一方面，在构造应力作用背景下，溶液特别容易促使重结晶作用的产生，造成矿物溶解和新矿物的形成。2023/3/148

据Griggs在围压为1000MPa及不同的温度条件下，用大理岩压缩实验的结果表明，在温度条件相同时(150℃)，湿性比干性的大理岩更容易发生塑性变形。若使之产生10％始的变形量。所需要的压应力，对于干的大理岩是300MPa，对于湿的大理岩只需要200MPa就够了(图5-5)(据Griggs，1951)。表5-1列举了岩石在湿性条件下抗压强度不同的降低率，不难看出，湿性条件对抗压强度的影响是非常明显的。2023/3/149石英在1400MPa围压下，干性和湿性两种情况所测得的应力-应变曲线图(图5-6)中A－D条曲线表示在干性条件下，随着温度不断升高，石英的弹性极限依次降低，塑性相应增大。在干性条件下，950C的曲线应在C与D之间，但在湿性条件下，950℃曲线E却降到曲线D之下，说明强度大大降低了。溶液影响岩石力学性质的原因在于，溶液的加入使分子的活动力加强，由于水具有一定的势能，可以进入晶体结构。对石英来说，就可打破Si－O的束缚，使分子间的凝聚力减小，从而降低岩石的强度。2023/3/1410图5-5溶溶液和温度对大理岩变形影响的应力-应变曲线图(Griggs，围压为1000MPa)2023/3/611图5－6溶液液和温度对石英变形影响的应力-应变曲线图(围压为1400MPa)2023/3/612四、孔隙隙压力在地壳岩石中，常常有孔隙流体存在在。这种孔隙流体体的压力称为孔隙隙压力或孔隙液压压。存在于岩石中中的流体可以促进进岩石的重结晶作作用，并影响岩石石的变形。如果不不透水层阻挡含水层中的孔隙流流体流出，岩石中中的孔隙压力就会会加大。孔隙压力力的存在抵消了部部分围压的影响。。即有效围压(Pe)为围压(Pc)与孔隙液压(Pp)之差:Pe=Pc－Pe…..(5-1)因此;孔隙压力的的存在也降低了岩石的强度，使得岩石易于发发生脆性破坏。2023/3/613五、时时间间1、蠕变变若保持应力力不变，，应变则则随时间间的增长长而逐渐渐加大，，这种现现象称蠕蠕变。2023/3/614典型的蠕蠕变过程程可以分分三个阶阶段:第第一阶段段称过渡蠕变变阶段(图图5-9中的曲曲线ａ的AB段)，其其应变速率率不断减减小，达到B点时为最最小值;第二阶阶段称平稳蠕变变阶段，或或定常蠕蠕变阶段段，即曲曲线ａ的的BC段，其应应变速率率大致保保持一定定，这也也是应变变速率最最小的一一个阶段段;第三三阶段为为加速蠕变变阶段，即即曲线ａａ的CD段，随随着时间间的增长长，其应应变速率率显著加加快，由由于试件件颈缩的的缘故，，到达D点后试件件破坏。。2023/3/6152、松松弛若保持持变形形不变变，而而应力力随时时间的的增长长逐渐渐减小小，这这种现现象称称为松松弛。从典典型的的松弛弛曲线线图上上(图图５-10)可可见，，松弛弛过程程分两两个阶阶段，，第一一阶段段(即即AB线段)的应应力迅迅速减减小，，松驰驰急剧剧下降降;第第二阶阶段(即BC线段)的应应力减减小速速度缓缓慢，，松弛弛速度度逐渐渐下降降，并并趋于于某一一极限限值。。图5－－9蠕蠕变曲曲线A－典型蠕变曲曲线ｂ－低低温低应力力下的蠕变变曲线;C－高温高应应力下的蠕蠕变曲线图5－10松弛曲曲线2023/3/616(表中“+”示提高高、增强;“－”示示降低、、减弱，岩石物性影响因素强度弹性塑性韧性增大围压＋＋＋＋增高温度－－＋＋增加溶液－－＋＋长期施力－－＋＋表5-2概概括列出围围压、温度度、溶液和和时间诸因因素对岩石物理性性质的影响响。表5-2各各种因因素对岩石石物理性质质的影响2023/3/6173、快速施力、、缓慢施力与重重复施力对岩石石变形的影响(一)、快速施施力与缓慢施力力快速施力，可加加快岩石变形速速度，降低岩石石的塑性，使塑塑性变形阶段缩缩短，甚至完全全没有，表现为为脆性变形。反反之，缓慢施力力，会提高岩石石的塑性，则脆脆性物质也能表表现出显著的塑塑性变形，抗剪剪强度相对降低低，易于剪裂。。岩石受到长时间间力的缓慢作用用，质点就会有有充分时间进行行重新排列，而而变形也有充分分时间固定下来来，于是产生永永久变形。当快快速变形时，质质点来不及重新新排列，就产生生破裂，尤其易易于产生张破裂裂。2023/3/618(二)重重复施力力岩石重复复施力，，即使作作用力不不大，也也能使岩岩石破裂裂。图5-12表示一一种金属属破裂时时的应力力与发生生破裂所所需加力力次数之之间的关关系。由由图上可可见，当当力的作作用次数数增加时时，破裂裂时的应应力就降降低，及及至降低低到图上上曲线呈呈水平状状态，这这时应力力代表物物体重复复受力情情况下发发生破裂裂的最低低限度，，称为疲疲劳极限限或耐力力极限，，低于该该极限的的应力