第六章 岩石变形习性

1、第六章第六章 岩石变形习性岩石变形习性 第一节岩石变形习性第一节岩石变形习性一、变形阶段：一、变形阶段：弹性变形阶段：弹性变形阶段： 非永久变形非永久变形, ,虎克定虎克定律律塑性变形阶段：塑性变形阶段： 永久变形永久变形, ,连续连续断裂变形阶段：断裂变形阶段： 永久变形永久变形, ,不连续不连续, ,破破裂裂yyP12破裂塑性变形区弹性变形区eee岩石变形应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线（1）弹性变形（2）塑性变形（3）破裂变形岩石变形的一般化应力应变曲线根据材料在破裂前塑性变形的应变量可以把材料分为脆性材料（10%)、韧脆性材料（5 7.5%）和脆韧性材料（7.510%)。yyP12破

2、裂塑性变形区弹性变形区eee一、岩石的变形阶段一、岩石的变形阶段 脆性和韧性岩石的变形一般都经历弹性变形、塑性变形和破裂变形三个阶段。由于受到岩石自身的力学性质、边界条件、物理化学条件、外力的性质等因素的影响，不同岩石的这三个阶段各不相同。大理岩在挤压应力作用下的变形实验结果二、二、 岩石的脆性破裂岩石的脆性破裂共轭剪裂角共轭剪裂角剪裂角剪裂角为什么剪裂角为什么剪裂角小于小于4545 （一）库仑（一）库仑-莫尔破裂准则莫尔破裂准则当一点应力状态的与应力莫尔圆与莫当一点应力状态的与应力莫尔圆与莫尔包络线相切时，岩石在该点处开始尔包络线相切时，岩石在该点处开始破裂。破裂。岩石首先沿着与最大主应力轴

3、呈岩石首先沿着与最大主应力轴呈45o45o和和135o135o的截面破裂，两组破裂面应相互的截面破裂，两组破裂面应相互垂直。垂直。对于塑性材料或高围压情况比较合适对于塑性材料或高围压情况比较合适。（三）莫尔剪切破裂准则（三）莫尔剪切破裂准则岩石抵抗剪切破裂岩石抵抗剪切破裂的能力不仅与作用的能力不仅与作用在截面上的剪应力在截面上的剪应力有关，还与该截面有关，还与该截面上的正应力有关。上的正应力有关。为此引入内摩擦角为此引入内摩擦角（j j）的概念，岩）的概念，岩石沿着与最大主应石沿着与最大主应力轴分别呈力轴分别呈45o45oj/2j/2和和135 o135 oj/2j/2夹角的两个剪面破夹角的两

4、个剪面破裂。裂。（四）格里菲斯准则（四）格里菲斯准则岩石中随机分布岩石中随机分布的大量微裂隙对岩石的大量微裂隙对岩石的破裂强度有显著影的破裂强度有显著影响，这些微裂隙可以响，这些微裂隙可以近似地看作扁平的椭近似地看作扁平的椭圆形裂隙。圆形裂隙。麦克林托与华西麦克林托与华西（19621962）又作了修）又作了修正。正。平面格里菲斯莫尔包络线平面格里菲斯莫尔包络线格里菲斯格里菲斯莫尔包络线莫尔包络线修正的格里菲修正的格里菲斯莫尔包络线斯莫尔包络线八、岩石的破裂准则八、岩石的破裂准则三、岩石变形的微观机制三、岩石变形的微观机制1脆性变形机制微破裂作用、碎裂作用和碎裂流岩石中固有的微裂隙引起应力集中，

5、从而导致脆性破裂。2塑性变形机制晶内滑动和位错滑动、位错蠕变（边界形化作用、动态重结晶作用和核幔构造）、扩散蠕变、溶解蠕变（压溶作用）、颗粒边界滑动岩石中矿物晶体特性和缺陷对塑性变形过程具有重要意义。（一）晶体缺陷和位错（一）晶体缺陷和位错滑移区与未滑移区之间的界线是位错。（二）位错滑动（二）位错滑动晶内滑移是沿晶体一定的滑移系发生的，晶内滑移是沿晶体一定的滑移系发生的，即沿某一滑移面的一定方向滑移。滑移即沿某一滑移面的一定方向滑移。滑移系是由晶体结构决定的，滑移面通常是系是由晶体结构决定的，滑移面通常是原子或离子的高密度面；滑移方向则是原子或离子的高密度面；滑移方向则是滑移面上原子或离子排列

6、最密的方向滑移面上原子或离子排列最密的方向。平移滑动和双晶滑移平移滑动和双晶滑移平移滑动平移滑动：是沿一个不动的结晶面：是沿一个不动的结晶面滑滑移面发生晶体格架层的平行位移。位移移面发生晶体格架层的平行位移。位移是离子间的整数倍。是离子间的整数倍。双晶滑移双晶滑移：位移后：位移后双晶化与未双晶化的部分呈镜象对称。双晶化与未双晶化的部分呈镜象对称。（三）位错蠕变（三）位错蠕变这是高温下的一种变形机制，当温度T0.3Tm(Tm为熔融温度）时，恢复作用显得重要起来，位错可以比较自由地扩展且从一个滑移面攀移到另一个滑移面。从而符号相反的两个位错可以通过攀移而互相湮灭。（四）动态重结晶（四）动态重结晶动

7、态重结晶：在初始变形晶粒边界或局动态重结晶：在初始变形晶粒边界或局部的高位错密度处，储存了较高的应变部的高位错密度处，储存了较高的应变能，在温度足够的条件下，形成新的重能，在温度足够的条件下，形成新的重结晶颗粒，使初始变形的大颗粒分解为结晶颗粒，使初始变形的大颗粒分解为许多无位错的细小新晶粒。如果大晶粒许多无位错的细小新晶粒。如果大晶粒还没有分解完，就形成核幔构造。还没有分解完，就形成核幔构造。（五）扩散蠕变（五）扩散蠕变扩散蠕变是指变形过程中由岩石或矿物中的点缺陷（空位、杂质等）和质点（离子、原子）的扩散和运动引起应变作用过程。空位和原子迁移有两种途径：一种是沿颗粒内部晶格迁移；另一种是沿颗

8、粒净界迁移。（六）溶解蠕变（六）溶解蠕变溶解蠕变溶解蠕变也叫压溶，是一种有流体参与的塑也叫压溶，是一种有流体参与的塑性变形过程，物质在高温应力区溶解，通过性变形过程，物质在高温应力区溶解，通过流体迁移，在低应力区沉淀，从而形成塑性流体迁移，在低应力区沉淀，从而形成塑性变形。变形。第二节、岩石变形影响因素第二节、岩石变形影响因素( (一一) )、岩石本身因素：、岩石本身因素： 性质（如玄武岩、石英岩与灰岩、泥灰性质（如玄武岩、石英岩与灰岩、泥灰岩）岩） 结构（各项异性、层理。空隙、粒度大结构（各项异性、层理。空隙、粒度大小、胶结特征等）。小、胶结特征等）。( (二二) )、影响岩石力学性质的外界

9、因素、影响岩石力学性质的外界因素1 1围压影响岩石的极限强度和韧性围压影响岩石的极限强度和韧性 使固体物质的质点彼此接近，增强了质点的内聚力，从而使晶格不易破坏，因而不易破裂。 围压与深度和构造环境有关。2 2温度影响岩石的韧性和屈服极限温度影响岩石的韧性和屈服极限 温度升高时岩石质点的热运动增强，减弱了它们之间的联系能力，使物质质点更容易位移。 温度与深度和构造环境有关。3孔隙流体影响岩石的强度和质点迁移能力(异常孔隙流体）（1）围压）围压围压围压对岩石变形对岩石变形行为的影响行为的影响增大岩石强度增大岩石韧性27MPa44.5MPa大理岩变形20几种岩石韧性与围压的关系岩石屈服强度与围压的

10、关系小结：增大围压的效应 破裂前的差异应力增大； 破裂前的应变量增大。 韧性增大，强度增大。（2）温度）温度温度对岩石变形强度的影响温度对应力-应变曲线的影响温度对花岗岩应力-应变曲线的影响温度对石英应力-应变曲线的影响湿小结：增高温度对变形的影响 在一定的差异应力下，应变量增大； 破裂前的应变量增大。 韧性增大，强度降低，易于变形。（3）流体对岩石变形行为的影响及其机制溶解迁移作用 水解弱化作用通过流体压力使岩石强度发生变化湿度对岩石抗张、抗剪强度的影响（4）孔隙流体对岩石力学性质影响）孔隙流体对岩石力学性质影响Pc=Pe-Pp冰川砾石的脆-韧性变形（5）时间）时间时间对应变速率的影响 长时间受力时质点有充足的时间固定下来，易于产生永久变形; 快速受力时质点来不及重新排列就破裂了，表现出脆性特征。 应变速率对岩石变形的影响蠕变与松弛长时间地缓慢变形会降低弹性极限 在应力不增加的情况下，应变随着时间的增长缓慢增加的现象就是蠕变，反映了岩