第三章-3 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。2024/6/121一、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)。2024/6/122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)2024/6/124二、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。2024/6/125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。2024/6/126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)2024/6/127三、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。2024/6/128

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。2024/6/129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。2024/6/1210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)2024/6/1211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)2024/6/1212四、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。2024/6/1213五、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。2024/6/1214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。2024/6/12152、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2024/6/1216(表中“+”示提高、增强;“－”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概括列出围压、温度、溶液和时间诸因素对岩石物理性质的影响。

表5-2各种因素对岩石物理性质的影响2024/6/12173、快速施力、缓慢施力与重复施力对岩石变形的影响

(一)、快速施力与缓慢施力快速施力，可加快岩石变形速度，降低岩石的塑性，使塑性变形阶段缩短，甚至完全没有，表现为脆性变形。反之，缓慢施力，会提高岩石的塑性，则脆性物质也能表现出显著的塑性变形，抗剪强度相对降低，易于剪裂。岩石受到长时间力的缓慢作用，质点就会有充分时间进行重新排列，而变形也有充分时间固定下来，于是产生永久变形。当快速变形时，质点来不及重新排列，就产生破裂，尤其易于产生张破裂。2024/6/1218(二)重复施力岩石重复施力，即使作用力不大，也能使岩石破裂。图5-12表示一种金属破裂时的应力与发生破裂所需加力次数之间的关系。由图上可见，当力的作用次数增加时，破裂时的应力就降低，及至降低到图上曲线呈水平状态，这时应力代表物体重复受力情况下发生破裂的最低限度，称为疲劳极限或耐力