知名大学构造地质学讲义第章岩石力学性质

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：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0.1MPa高温流变仪样品装置示意图实验室岩石变形实验实验试样及主应力图示σ1σ2=σ3=

围压σ3σ1=σ2=

围压差（异）应力（differentialstress）σ=σ1-σ3压缩拉伸物体的弹性形变_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。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（yieldstress）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（yieldstress）。塑性材料的力学行为塑性变形材料理想塑性材料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。

岩石变形的应力－应变曲线岩石抗压强度(MPa)抗张强度(MPa)抗剪强度(MPa)花岗岩148(37-379)3-515-30大理岩102(31-262)3-910-30石灰岩96(6-360)3-612-20砂岩74(11-252)1-35-15玄武岩275(200-350)10页岩20－802岩石的抗压强度>抗剪强度>抗张强度常温常压下一些岩石的强度极限脆性脆性：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：碎裂机制（cataclasis）；晶内塑性（intracrystallineplasticity）物质扩散流动（flowbydiffusivemasstransfer）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。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

τ=ηdu/dyη粘度（Pa·s）（1）式中可作下列变换（1）改写为（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）。（2）（1）（3）（4）粘性和粘度xy0u=u(y)......材料肤的粘江弹性非线粘嫩性流体：非牛碑顿流体资。其发槐生流动蹄变形时烛，各点末剪应力饭与剪应蒙变速率嚷成非线绿性关系爸。粘弹炸性：既蔽具有启弹性毅，又州能发旱生粘役性流旧动的蜘材料园，称棉为粘隐弹性肝体，虏它所谊表现备出来吃的力吉学性原质，葡称为酬粘弹坛性。流体具呢有流动驻性，具续有粘性鸭。岩石溉也具有和流动性盘和粘性刻。只是骂其流动壤速度比悉液体要告缓慢得肆多而不病易觉察疲出来，预从而说埋明岩石赔的粘度妄较大。蜂例如在示常温下谷，石灰桃岩的粘香度约为调冰川冰分粘度的1亿倍颈。第二节影响眨岩石哗力学也性质验的因熔素1.各向异壤性（an弟is嘱ot袜ro好py）橄榄衬石晶络体沉积岩认的水平为层理2.围压（pre仇ssu东re）增大围源压的效糕应有两社方面：增大了阵岩石极皮限强度毫；增大了泡岩石的养韧性。3.温度边（tem幻玉per稼atu叨re）温度是歼影响岩酷石力学异性质和片流变强会度的重恳要因素能。温度的汁升高使纵岩石的滴韧性增扩大，屈续服强度重降低；温度胡升高赞和围蜡压增按加，迷导致貌岩石绝从脆欧性向遗韧性芹过渡非，孕乔育着让发震岸层；温度俊对沥吃青的芦变形怪强度掘影响辆是一膝个很而生动煎的例计子（侮夏天症的沥伯青和告冬天腐的沥丘青强辅度大洒不一腥样）胶。4.流体称（fl眼ui嗓d）孔隙流掩体对岩荐石力学访性质影商响表现谷为两个讲方面：垂物理方传面影响聚和化学崭方面影远响。当岩尊石中而流体刮含量狐增加饰时，踏岩石杰强度每降低网。流务体促删使矿叔物在馒应力镜作用柳下的龙溶解席和重夕结晶窑，从收而促件使塑心性变候形；产生孔科隙流体跨压力效折应：地牢壳中流扛体孔隙钻压力（法静水压序力）为营静岩压支力的40％。在暖变形过拒程中孔浸隙压力宏（Pp）的作考用会抵备消围压挡（Pc）的作亿用，对候变形实错际起作旋用时有暖效围压衬（Pe）Pe顷=P眼c-捐Pp有效永压力超（Pe）降低后，使岩翼石易于需破裂，喇强度降贫低。硅酸盐准矿物在改高压和潮高温条捕件下的笔水弱化周作用[Si拨-O-使Si]鸦+H2O→屈X法→2揭[S懂iO闻H]X是活转化了荡的化孕合物羽。水弱化座结果：产生大锤量扩张稀应变，寇诱发裂疯纹尖端稻高应力介；Si-模O共价键帆被H-秩O代替备，加代速岩劣石塑俊性变所形；H-四O键加营速热蔽力学绪的反掌应；H2缩慧O含量冲增加叙，降董低岩赌石熔湿点，慢加速估熔体要弱化驰。孔隙压音力效应恩对岩石鱼破裂的畅影响莫尔圆I－代善表孔榨隙压父力为捐零时倡应力店状态洞，岩列石是长稳定肯的，误未破绞裂；莫尔悉圆II－总正虾应力（尼横坐标吧）不变饰，σe正应候力减斗小，σe=σ-σc，岩石泥发生破特裂。5.时间（ti熊me）与实夫验室馒岩石当力学叛研究涛不同杠，地秋质条嘱件的底岩石卧变形于时间做很长荣，一摆个造葬山带执变形碌要经无历几武百万夸年才阴完成锯。应变速狱率的影责响（έ=ε/t）έ降低魂，材碗料强幕度降揪低，眼向韧白性方朽向转宣变陨石的溜碰撞或尽地震是栗快速έ阿尔终卑斯械山变学形速简率10-1蜂2/s-钟10-14/s左右应变谣速率康对岩浮石变销形的夜影响都（Hea西rd,富19忧63）时间沉对岩穴石蠕凶变和苦松弛以的影其响蠕变是在洲恒定夹应力膊作用醒下，溪应变察随时测间持滑续增拍加的馅变形打。松弛是在恒林定变形芝情况下叹，岩石补中应力奴随时间文增长不义断减小础。蠕变和恒松弛现朱象是岩福石变形支表现的碰两方面跌，都表堂现出时那间对岩忆石性质抬的影响香。实例：贵嫩州乌鸦江电咸站水斥力破码裂第三节岩石纪的能枝干性岩石的隔能干性岩石字能干魄性是介指不吃同岩垄石在奥相同辜变形生环境楚中变它形行流为的牲相对钱差异片。岩石按开能干性谅的差异恋分为能司干的（势强的）续和不能屈干的（拨弱的）沫。第四奸节岩石变孩形的微犹观机制岩石证和矿窄物的帮主要却变形监机制Dav忙is（199惨6）方斥案岩石变颜形机制智通常有踪蝶三大类显微脆破裂给、碎霜裂作杰用和天摩擦妄滑动机械双双晶和扭壶折位错爪蠕变扩散蠕防变溶解蠕功变碎裂裙机制ca饭ta讲cl郊as红is晶内逼塑性in配tr肤ac婚ry刘st仔al肿li软ne奖p孤la蛮st单ic建it玻y物质烦扩散羊流动fl旧ow繁b动y茅di睁ff旨us初iv盯e碌ma柜ss叔tr基an膝sf嘉er胡玲疯编著《显微响构造盆地质向学概幕论》地质订出版花社，19渡98年第一骂版岩石变怒形的微教观机制脆性变献形机制塑性脑变形钳机制微破斩裂作扯用碎裂冻作用碎裂臂流位错蠕现变扩散蠕古变颗粒边家界滑动超塑最性变炸形理想晶疮体[u画vw场]墙i塞s耐a捷cr宫ys重ta水l蛙di且re祥ct纱io室n庭<弯uv漫w>日is毁a荒f煌am身il好y掠of庆d挖ir极ec薄ti司on糠s(h俱kl别)望i斩s唱a与cr袜ys宏ta仙l梅pl些an厦e{hk甘l}废is席af甚ami脊ly迅of呢pla菌nes晶格对涝称晶系干，劳虽厄群御，空们间群晶体的耳形成始于筐单位树晶胞遵循振一定东原则重复逮到无肝限位错蠕抵变晶体储缺陷唇包括希：点贡缺陷海、线日缺陷饼（位崭错）匆和面研缺陷婆。位错蠕浆变是通村过位错绒运动而窃使材料喇变形的截一种变瓦形机制犁，包括童低温下经的位错添滑动和跃高温下县的位错招攀移两夏种机制食。点位错被（po毕in郑t顾de盗fe述ct主s）空位前移动乓（Mi减gr忌at事io魔n迁of杨a透V年ac劈燕an背cy）刃位错战和螺位器错（Ed多ge苹a怒nd岸S锯cr幅ew扎D俘is腔lo全ca丝式ti昏on幼s）Typ悦ica哀ls晋ubg控rai止ns业tru灭ctu碰re盛in仅oli守vin演e,切Kat扭in,册La回uni羡ngMu乞lt跟ip阁le辰c门ro淘ss快-s露li耍p标sc福re伙w格an烤d罪lo旅op裙s,死M仇in阅gx唤i,触F典uj抚ia溉n,相E掉as呆te咽rn迎C垒hi著na促.Ki磁nk烧b路an辣dsin舰oli供vin拔ec狐orr邻esp烦ond遍ed遣to妨(10腊0)凑low击an燃gle想di轻slo阳cat饱ion远bo哑und拢ari肌es,馅in义ol前ivi映ne.慰Mi今ngx怠i,价Fuj轮ian劲,C允hin捡a(10场0)Low柳an循gle洗di蕉slo墨cat摩ion必bo学und京ari俯esco盟rr援es耐po酸nd虾ed旬t漂o孙ki脸nk旺b点an客ds仰i稿n色ol脉iv妇in肌e宏an叛d俊(1尊10毒)涂sl笼ip屯b羞an抓ds蔬s待up肯er油po迈se若d围on糊(虫10歉0)仿d供is德lo沃ca阁ti尝on肯w稍al解ls纱,蒸ga厌rn议et融-s竭pi锻ne法l竭pe热ri盗do蚕ti个te翁s,欺M束in险gx谢i,邻F侄uj督ia珍n,剧E预as维te哀rn逝C重hi摊na秘.扩散壮蠕变扩散蠕穴变是通芦过晶内怎和晶界生的空位丙和原子砖运动来杯改变晶贷粒形状惕的一种氏塑性变笼形机制番，包括景晶内扩昆散蠕变婶（Nab亲arr昼o-H寨err宋ing蠕变）辰和晶界革扩散蠕口变（Cob昆le蠕变柳）。压溶腾蠕变凑实际柔上是损一种辩低温劳扩散跪蠕变画形式栽。Pre绣ssu饭re爷sol炭uti组on/膛Dis更olu唇tio深nc蚕ree确pCo鞭nc尖ep禁tu姨al耐m塔ec毫ha钩ni苦sm羊o蔽f怀di约ff宗us释io刃n队cr置ee膝pNa料ba劲rr除o-酿He惹rr咸in僚g护(V何ol海um测e供Di既ff蚁us炸io石n)剑C向re搬ep颗粒边翻界滑动颗粒余边界旷滑动仗是通彼过颗添粒边猜界之获间的犬滑动形来调菊节岩节石总快体变抹形的欲一种植变形希机制尽。颗粒边盘界滑动其跟扩散高蠕变一辛样，都悉要求颗狸粒粒度抽很小以详及高温傅环境。超塑性须变形是蓄通过颗陶粒边界滥滑动机辱制实现稀的一种旧变形结淋果，通桑常样品店变形量刊在100谱0倍以饿上。De碍fo象rm馆at际io需n门me煌ch恋an磨is纳m姓ma纠pDep所thDif扯fer沃ent界ial享St碰res体sTh蚁e疯do驳mi钥na欲nt删d英ef父or当ma庄ti引on桌m亭ec类ha初ni吼sm脂i薄s狮di刻sl组oc移at厕io陶n啄cr画ee主p裹in怠t该he河u腿pp隙er授m音an半tl拆e.De水fo拢rm兄at渡io堪n店Me蜡ch恳an任is找m设Ma劫ps脏:协Q乱ua痛rt贸zi是te坡,哲Ma斥rb碰le滨,姑an苦d引Ol划iv直in题e第五节岩石断洋裂准则岩石断得裂准则断裂悼是指写由于灶外力才作用破在物捷体中脊产生究的介良质不霜连续嘉面。控制因聋素：临榆界应力夕状态/极限应覆力状态；材料力理学性质。断裂准活则：在嚷极限应沸力状态搁下各点钉极限应枕力分量态所应满怕足的条状件，称价为断裂汉条件或糖者准则保。莫尔启包络途线：就箩是材收料破络坏时吊的各朵种极断限应奥力状波态应敲力圆参的公铅切线宅。=寨f(轰)判别条训件：当一点亩的应力拖状态的冷应力圆别与莫尔卖包络线位相切，这恰点就鲁开始克破裂毙。库仑准产则库仑准扬则，又析称最大醒剪应饭力准雕则，其表版达式为τma兆x=(第1-3)/颂2=截00：抗纯剪径断裂极收限，也援称岩石贡的内聚找力。按照距该理茶论，涉剪裂狱面与腿最大贩主应虹力的柄夹角浮（剪裂角南）θ＝45°，共轭前断裂夹茂角（共炭轭角）遵为2θ＝90程°。该理论急适用于塑性毅材料。022库仑－匹纳维叶久准则将库毛仑公伯式（＝舒0＋n）中的疤内摩擦斧系数用内若摩擦拔角来馅表示挥，将粒其转狱换成＝0+nta深n即为库链仑－纳猾维叶准前则。由于该喜理论既效有一定负的适用柏性，又炮比较简枯单，所需以应用忧比较广励泛。剪裂角权大小取旱决于岩鹿石变形芦时候内俗摩擦角诉的