第章 影响岩石力学性质及

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。2023/5/281一、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)。2023/5/282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)2023/5/284二、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。2023/5/285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。2023/5/286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)2023/5/287三、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。2023/5/288

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。2023/5/289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。2023/5/2810图5-5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)2023/5/2811图5－6溶液和温度对石英变形影响的应力-应变曲线图(围压为1400MPa)2023/5/2812四、孔隙压力

在地壳岩石中，常有孔隙流体存在。这种孔隙流体的压力称为孔隙压力或孔隙液压。存在于岩石中的流体可以促进岩石的重结晶作用，并影响岩石的变形。如果不透水层阻挡含水层中的孔隙流体流出，岩石中的孔隙压力就会加大。孔隙压力的存在抵消了部分围压的影响。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;孔隙压力的存在也降低了岩石的强度，使得岩石易于发生脆性破坏。2023/5/2813五、时间1、蠕变若保持应力不变，应变则随时间的增长而逐渐加大，这种现象称蠕变。2023/5/2814典型的蠕变过程可以分三个阶段:第一阶段称过渡蠕变阶段(图5-9中的曲线ａ的AB段)，其应变速率不断减小，达到B点时为最小值;第二阶段称平稳蠕变阶段，或定常蠕变阶段，即曲线ａ的BC段，其应变速率大致保持一定，这也是应变速率最小的一个阶段;第三阶段为加速蠕变阶段，即曲线ａ的CD段，随着时间的增长，其应变速率显著加快，由于试件颈缩的缘故，到达D点后试件破坏。2023/5/28152、松弛

若保持变形不变，而应力随时间的增长逐渐减小，这种现象称为松弛。从典型的松弛曲线图上(图５-10)可见，松弛过程分两个阶段，第一阶段(即AB线段)的应力迅速减小，松驰急剧下降;第二阶段(即BC线段)的应力减小速度缓慢，松弛速度逐渐下降，并趋于某一极限值。图5－9蠕变曲线A－典型蠕变曲线ｂ－低温低应力下的蠕变曲线;C－高温高应力下的蠕变曲线图5－10松弛曲线2023/5/2816(表沈中“愤+”姻示提露高、油增强哗;“翁－”宽示允降低罚、减扛弱，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锦-2知概括结列出雀围压恳、温课度、冻溶液淘和时汽间诸炒因素似对岩石吗物理司性质粉的影医响。表5谊-2闸各种乘因素恋对岩用石物奋理性乌质的仅影响20毯23笼/5与/1鄙3173、莫快速红施力岁、缓缝慢施生力与夏重复福施力业对岩判石变翁形的分影响(一急)、即快速锹施力忽与缓扛慢施臣力快速坊施力罪，可桃加快叹岩石注变形歇速度亿，降事低岩享石的毯塑性县，使段塑性话变形倚阶段药缩短湖，甚帆至完丹全没旅有，似表现弱为脆积性变甩形。宿反之厌，缓互慢施钞力，苹会提渴高岩究石的高塑性寇，则杀脆性虫物质灾也能话表现枣出显妙著的唱塑性告变形亭，抗浩剪强默度相岭对降抬低，侧易于馆剪裂舞。岩石聪受到技长时至间力连的缓坊慢作慰用，忆质点法就会阶有充归分时童间进胶行重熊新排罢列，仙而变坐形也月有充和分时资间固沫定下懒来，重于是山产生送永久智变形鉴。当绸快速客变形哥时，崇质点割来不嘱及重蜓新排葡列，诵就产盟生破央裂，仇尤其推易于甜产生壶张破它裂。20板23胞/5扒/1沈318(二钞)重督复施雷力岩石却重复脆施力判，即绘使作翁用力得不大轰，也膝能使骡岩石队破裂衡。图护5-奋12惠表示流一种晶金属露破裂钟时的韵应力洒与发补生破脉裂所摆需加串力次雨数之陵间的虑关系计。由透图上我可见茄，当挠力的笨作用蛙次数晕增加勾时，姐破裂剑时的负应力勿就降此低，谨及至蜡降低耳到图霞上曲拆线呈佳水平钳状态营，这健时应绩力代汁表物葬体重纤复受车力情笨况下裁发生水破裂坟的最瞒低限耳度，宏称为些疲劳萝极限彩或耐恒力极剑限，冠低于汗该极唤限的季应力重，即武使物粥体受狗力次周数再桃多，猪也不你能使王其破阿裂。20悄23借/5薄/1心319能忍参限度发生谦