岩石力学性质概述内容丰富

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FossenH.《StructuralGeology》,Chapters6Davisetal.,《StructuralGeologyofRocksandRegions》PartI,Chapters3,4,p.121-191与岩石力学性质有关的

一些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。岩石力学性质主要是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。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物理和化学条件。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(elastic)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。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：

σ=Ee

其中E为杨氏弹性模量。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，上地幔的地震波衰减就被认为与岩石的滞弹性有关。弹性变形线弹性理想弹性滞弹性泊松比（Poisson’sratio）泊松比（Poisson’sratio）体积模量（bulkmodulus）Viscousmaterials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（Newtonianfluid）。是黏度（单位PaS）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。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。在应力不超过某一临界值σy的条件下，理想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（Plastic）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σy（yieldstress）。e1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

=Ad-mCrnexp–[(E+P•V)/RT]Whereisthestrainrate,

Aisthepre-exponentialfactorrelatedwithmaterial,disthegrainsize,misthegrainsizeexponent,Cisthewatercontent,risthewaterfugacityexponent,isthesteady-stateflowstress,nisthestressexponentrelatedwithdeformationmechanism,Eistheactivationenergy,Pisthepressure,Vistheactivationvolume,Risthegasconstant,Tistheabsolutetemperature...变形性质的基本类型Xe组合变形性质弹塑注性变浅形—指有酷些物俗体同逐时具恶有弹为性和塔塑性揪的性购能。抛在弹吹塑性煎变形程中，该有一烛部分薯是弹倾性，导其余版为塑萄性变毫形。既具史有弹跃性，剂又能获发生担粘性茎流动离的材剃料，东称为架粘弹帐性，按它所飘表现缘瑞的力介学性医质，卵称为返粘弹承性。肥如蛋珍清就盐是一茶种粘塔弹性坦体。岩石在迟长期力耳作用下说是一种税同时具子有弹性梦和塑性港的物质杰，这种暑弹性和肃塑性是耻指在弹俱性范围杆内显现见的弹性绪和塑性款；当岩练层具有监高度塑皂性时还怪能发生忽半粘性乱流动。岩石也贡是一种督粘弹性今体，它司不像蛋桌清这样辽明显，当这主要麻是它的侦流动需凤要在长楚时间载追荷下表和现出来脑。对于革固体或训流体而把言，温菌度越高否，粘度资越低，博反映易酱流动性蛙越大。岩石者具有丙非常蛋缓慢赖的流坛动性销。粘度是深衡量地你球动力羊学的一器个重要农参数。近代索，人地们把见物体笛所有爬这些插力学仆性质辟概括遵为物洞质的刘流变网性（rh袭eo鸟lo求gi趟ca错l旱pr简op崭er扁ti赌es），并千形成一揭门新兴羡学科－坝流变学逮（rhe坡olo蒙gy）流变学副是研究鄙固体物省质流动心的科学修。因此厦，从近埋代地球好科学观删念来看厌，地球各物质具依有流变杀性。把食研究地烫球物质目流动性荡质和规飞律的科绿学，称惹为“地戴球流变斧学（Rhe炉olo疑gy狭of殿Ear揪th挨Mat拢eri鬼als）”。脆性：脆性统材料在耐弹性范黄围内或加弹性变赌形后立讲即破裂曲，即在家破裂前结没有或供有极小孙的塑性遥变形，锈材料的筝这种性轰质称为航脆性。脆性破掩裂：脆性闻材料的顽破裂称倍为脆性级破裂。脆性理破裂洽方式：张破春裂和剪彼破裂。当应筛力超要过一估定值回时，旺岩石滩就会洲以某赛种方怖式而先破环挡，发秆生断裂江变形。这时疫的应力植值称为岩石许的极呈限强拜度或强度。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岩石的加抗压强葵度>抗剪舅强度>抗张强浙度常温逼常压继下一逼些岩员石的鄙强度青极限岩石力沟学性质歇的研究槐方法岩石肉力学丧性质辫研究齐的途类径（1）观察天术然岩石乏的力学蔑现象（挺天然露优头等）旁；（2）实验室唱内对岩我石进行哭变形实斩验；（3）在野肝外对岩抽体进行傍实地试粮验；（4）理论新分析和浴数值模悉拟。有关室江内的高或温高压赤实验基视本常识阵还有专机门讲解乓和实验洁室参观吴。为什肥么要乞研究勇岩石辣的力当学性巨质？韧性变孔形脆性变赌形天然寨岩石呜变形岩石皂的能萌干性岩石能晕干性是景指不同顽岩石在吃相同变阴形环境搂中变形耽行为的嘱相对差幅异。研究怠途径暮：有限应塑变的对委比；劈理萄折射剃程度码的比赌较；香肠汽构造绿对比袜；褶皱评形态帖的对饼比。0.1挂MPa高温累流变泥仪样品装宣置示意扭图实验利室岩现石变隐形实晒验σ1σ2=σ3=围压σ1=σ2=围压σ1σ3σ3差（异状）应力拼（dif尘fer腥ent食ial艺st哲res僚s）σ=σ1-σ3塑性小变形灿材料藏的典零型应款变－赚时间浙曲线韧性和旷塑性区明别韧性（还延性）是用膊来描涛述允朗许大天应变技，以周宏观涂均质勒变形岛为特蜜征，果而不鞠管所文包括箭的微粗观变饶形机渠制如遵何的补流变属性质绞。塑性是一君种永把久变帅形，六它涉萝及晶内渐的位志错运披动的咸微观坟机制拥，可年能还真包括享扩散。岩石变软形机制饲通常有句以下四沙种：（1）碎矩裂机态制（cat榨acl术asi半s）；（2）晶榜内塑歌性（int写rac虚rys前tal株lin趴ep舟las赶tic饶ity）（3）扩邪散蠕各变（flo鼓wb富yd事iff点usi身ve词mas贩s调tra敞nsf睁er）（4）颗粒演边界滑存移（gra似in信bou滴nda愁ry纱sli奸din帆g）脆－技韧性锣转化撞－从童宏观皂上描捎述脆－版塑性部转化吉－从榜微观年机制淘上描怜述脆－贪塑性厘转换自域是抖一个灯十分臣重要漂的问拼题，棉地球母上大侵部分溉地震步都发就生在撇脆－奶塑性脾转换脉域的招深度竹。(s1–s3)Dep歌th求(km文)摩擦定谷律:t=c导+msn*(li看ne明ar迹w银it橡h粪de享pt楚h)塑性:(non窗-li趁nea饼rw骂ith送de柳pth未&坟tem培per豪atu边re)de/以dt缴=CDsne-[E陈/RT达]Log升(Ds)=卡(1写/n)鸭[lo棉g(d哨e/d星t)叹–l归og(亚c)黑+E买/(R额T)]世界上定一些地毅区地震牺震源深元度分布膨柱状图（据Mag适gi晶et她al.挣,2测000言a）影响扁岩石藏力学剃性质垦的因纷素应力→伟应变→扭岩石力驻学性质铲→影掩响因素应力和区应变是卖岩石或吨地块在午外界力证影响下辣的重要凯响应。执应力是畅物理方飞面的反铃映之一霞，应变逝是几何汤学方面披的反映无之一；岩石力桥学性质例－是指瞧在应力咽和应变疏作用下傅，岩石萝出现塑晓性变形吨或脆性域变形（倒破裂）方的条件艇；岩石力技学性质疏是约束锣岩石变北形和构拥造几何秤特征的很重要条蛮件。例绕如同样驰的压应赵力作用觉在不同香岩层上作，力学冬表象不太同：在柔坊性岩娇层中辫→褶屑皱构央造在相对炕硬岩层般中→断械裂构造在软现硬相虚间岩幅层中菠→香贞肠构杯造影响岩迷石力学退性质的艰因素各向岗异性艇；围压；温度慎；孔隙流牙体；时间因沿素(应变榨速率)；颗粒硬大小总之，裹岩石的胃变形是淹环境、本时间和疫材料的赶函数。岩性和霜各向异友性的影再响岩石组匠成的成努分不同民的影响族；不同丙岩石爬具有趣不同挥的力透学强络度，火例如犹花岗遥岩的互挤压灵强度仿是页广岩挤蚀压强悠度的8倍；岩石的爱结构构燥造不同拆（层理牙引起的巩力学各异向异性终）。岩石穗材料清分类岩石片材料兆在力祸学上易可以债分为均匀和非均匀材料猾。均匀载材料现在力拣学上钥可以灵是各向罩同性的或各向国异性的。力学性微质各向俱异性是浓指物体源内同一底点各个蜻方向上乌力学性调质不同盖。沉积岩璃的水平茧层理橄榄第石单隐晶体围压对稻岩石力川学性质至的影响增大悬围压鹿的效添应有味两方违面：增大了皂岩石极闷限强度抗；增大困了岩度石的坦韧性牵。温度的族影响温度爽使影康响岩弯石力烧学性艳质和孝流变钩强度贞的一左个重贪要因气素。温度孔的升顾高使馅岩石世的韧副性增赚大，河屈服刊强度伙降低广；温度升今高和围脚压增加苏，导致著岩石从折脆性向辨韧性过园渡，孕映育着发挥震层；温度触对沥侵青的号变形累强度匪影响堤是一唯个很母生动沙的例奶子（世夏天舱的沥偷青和躁冬天命的沥凑青强敌度大则不一愤样）孔隙搅流体篮的影伶响孔隙流未体对岩俱石力学路性质影挽响表现蛇为两个版方面：物理方蜓面影响仰和化学们方面影女响。当岩石搞中流体葛含量增替加时，纷岩石强捏度降低钓。流体机促使矿捞物在应酱力作用抓下的溶腥解和重外结晶，踢从而促斯使塑性体变形；产生孔量隙流体箱压力效荐应：地煌壳中流露体孔隙修压力（水静水压延力）为其静岩压折力的40％。衫在变机形过古程中毙孔隙唱压力肆（Pp）的作奋用会抵忆消围压彻（Pc）的饲作用远，对次变形扔实际搅起作饱用时至有效橡围压枕（Pe）Pe=Pc-Pp有效载压力校（Pe）降妻低，善使岩者石易厌于破弦裂，敬强度招降低。孔隙压话力效应般对岩石订破裂的赚影响莫尔圆I－代表收孔隙压哀力为零烘时应力腔状态，锤岩石是墓稳定的驳，未破牛裂；莫尔界圆II－总脂正应造力（王横坐客标）春不变慕，σe正应力锁减小，σe=σ-σc，岩示石发提生破痒裂。流体马的化定学反具应和叹水弱疼化作斥用硅酸道盐矿钳物在会高压傲和高彼温条垫件下球的水关弱化方作用[S地i-左O-梢Si兴]+锋H2O→X→2[郑Si胃OH舍](室Fr竖ei农ma毙n,挑19足84阻)X是活化隔了的化柴合物。水弱拆化作灶用：产生大勺量扩张油应变，叠诱发裂题纹尖端患高应力披；Si蓬-O共价构键被H-密O代替僚，加冬