第五章I岩石的力学性质要点.ppt

脆－韧性转化－从宏观上描述 脆－塑性转化－从微观机制上描述 脆－塑性转换域是一个十分重要的问题，地球上大部分地震都发生在脆－塑性转换域的深度。 (s1 – s3) Depth (km) 摩擦定律: t = c + msn* (linear with depth) 塑性: (non-linear with depth temperature) de/dt = C Dsn e-[E/RT] Log(Ds) = (1/n)[log(de/dt) – log(c) + E/(RT)] 世界上一些地区地震震源深度分布柱状图 （据Maggi et al., 2000a） 影响岩石力学性质的因素 应力→应变→岩石力学性质→影响因素 应力和应变是岩石或地块在外界力影响下的重要响应。应力是物理方面的反映之一，应变是几何学方面的反映之一； 岩石力学性质－是指在应力和应变作用下，岩石出现塑性变形或脆性变形（破裂）的条件； 岩石力学性质是约束岩石变形和构造几何特征的重要条件。例如同样的压应力作用在不同岩层上，力学表象不同： 在柔性岩层中→褶皱构造 在相对硬岩层中→断裂构造 在软硬相间岩层中→香肠构造 影响岩石力学性质的因素 各向异性； 围压； 温度； 孔隙流体； 时间因素(应变速率)； 颗粒大小 总之，岩石的变形是环境、时间和材料的函数。 岩性和各向异性的影响 岩石组成的成分不同的影响； 不同岩石具有不同的力学强度，例如花岗岩的挤压强度是页岩挤压强度的8倍； 岩石的结构构造不同（层理引起的力学各向异性）。 岩石材料分类 岩石材料在力学上可以分为均匀和非均匀材料。 均匀材料在力学上可以是各向同性的或各向异性的。 力学性质各向异性是指物体内同一点各个方向上力学性质不同。 沉积岩的水平层理 橄榄石单晶体 围压对岩石力学性质的影响 增大围压的效应有两方面： 增大了岩石极限强度； 增大了岩石的韧性。 温度的影响 温度使影响岩石力学性质和流变强度的一个重要因素。 温度的升高使岩石的韧性增大，屈服强度降低； 温度升高和围压增加，导致岩石从脆性向韧性过渡，孕育着发震层； 温度对沥青的变形强度影响是一个很生动的例子（夏天的沥青和冬天的沥青强度大不一样） 孔隙流体的影响 孔隙流体对岩石力学性质影响表现为两个方面：物理方面影响和化学方面影响。 当岩石中流体含量增加时，岩石强度降低。流体促使矿物在应力作用下的溶解和重结晶，从而促使塑性变形； 产生孔隙流体压力效应：地壳中流体孔隙压力（静水压力）为静岩压力的40％。在变形过程中孔隙压力（Pp）的作用会抵消围压（Pc）的作用，对变形实际起作用时有效围压（Pe） Pe=Pc-Pp 有效压力（Pe）降低，使岩石易于破裂，强度降低。 孔隙压力效应对岩石破裂的影响 莫尔圆I－代表孔隙压力为零时应力状态，岩石是稳定的，未破裂； 莫尔圆II－总正应力（横坐标）不变，σe正应力减小，σe=σ-σc，岩石发生破裂。 流体的化学反应和水弱化作用 硅酸盐矿物在高压和高温条件下的水弱化作用 [Si-O-Si]+H2O→ X→2[SiOH](Freiman,1984) X是活化了的化合物。 水弱化作用： 产生大量扩张应变，诱发裂纹尖端高应力； Si-O共价键被H-O代替，加速岩石塑性变形； H-O键加速热力学的反应； H2O含量增加，降低岩石熔点，加速熔体弱化。 时间（应变速率）影响因素 与实验室岩石力学研究不同，地质条件的岩石变形时间很长，一个造山带变形要经历几百万年才完成。 应变速率的影响 应变速率降低，材料强度降低，向韧性方向转变（例如用不同应变速率变形沥青，变形结果是不一样的） 陨石的碰撞或地震是快速应变速率 阿尔卑斯山变形速率10-12/s-10-14/s左右，为慢速应变速率。 时间对岩石蠕变和松弛的影响 蠕变是在恒定应力作用下，应变随时间持续增加的变形。 蠕变的结果在低于岩石弹性极限的情况下使岩石产生永久变形。 松弛是在恒定变形情况下，岩石中应力随时间增长不断减小。 松弛的结果：使部分弹性变形转化为永久变形，相当于降低了岩石的弹性极限。 蠕变和松弛现象是岩石变形表现的两方面，都表现出时间对岩石性质的影响。 流变律经验本构方程 The End 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 Fossen H. 《Structural Geology》, Chapters 6 Davis et al., 《Structural Geology of Rocks and Regions》 Part I, Chapters 3, 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