中国石油大学(北京)构造地质学第03章地质构造分析的力学基础.ppt

构造地质学,第3章地质构造分析的力学基础,余一欣中国石油大学（北京）资源与信息学院盆地中心办公室：新科研楼1025室Tel：80950600-mail：yuxin0707,主要内容,1.应力分析2.变形分析3.影响岩石力学性质与岩石变形的因素,要点,1.摩尔圆的作用和意义，二维应力摩尔圆2.构造应力场的表示法3.库仑剪破裂准则4.均匀与非均匀变形5.共轴递进变形与非共轴递进变形6.温度、压力和孔隙流体压力对岩石力学性质的影响,主要内容,1.应力分析2.变形分析3.影响岩石力学性质与岩石变形的因素,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,5,(一)外力、内力和应力,1.外力另一物体所施加的力1)面力.2)体力：重力、磁力.2.内力：物体内部质点之间的相互作用力1)固有内力.2)附加内力.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,6,3.应力：PA(ordPdA)P附加内力,A截面积1)正应力：dNdA(压为“+”，拉为“”)2)剪应力：dTdA(逆时针为“+”，顺时针为“”),(一)外力、内力和应力,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,7,(二)应力状态和应力椭球,1.弹性力学证明：任何受力物体内部总是能够找到三个相互垂直的面，其上只有正应力而无剪应力.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,8,1)主平面：S1,S2,S32)主应力：1(最大)，2(中间)，3(最小).,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,9,2.应力椭球：以s1，s2，s3为主轴的椭球体，用以直观表达应力状态.应力椭球的三个主切面应力椭圆.,(二)应力状态和应力椭球,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,10,3.常见的几种应力状态：1)单轴压缩：1230拉伸：12032)双轴压缩：1230平面:12033)三轴：1231230：静水压力(只引起物体体积变化),(二)应力状态和应力椭球,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,11,4.应力差（差异应力）：1-3，决定形态变化.5.平均应力：(1+2+3)/3.决定体积的变化.6.偏应力:112233,(二)应力状态和应力椭球,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,12,7.地壳一般应力状态：1)浅部：231=1/3.V=0.25（岩石）2)深部：123gh，接近于静岩应力状态.,(二)应力状态和应力椭球,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,13,(三)二维应力分析摩尔圆图解法,1.单轴应力状态的二维应力分析,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,14,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,15,摩尔圆,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,16,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,17,1)a=0,t=0,s最大.2)a=450,|t|=Max.3)任意两个相互垂直面上剪应力t大小相等，符号相反.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,18,例：已知：物体的120MPa,求作：该受力物体的应力摩尔圆.求出法线与1成30交角的斜面上的正应力和剪应力的值.求出与1成20夹角斜面上的正应力和剪应力的值.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,19,2.双轴应力状态的二维应力分析,2,D,D,2,1,推导自行练习,(三)二维应力分析摩尔圆图解法,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,20,思考题：测得一受力正方形物体对角线方向的斜面上正应力（s）和剪应力（t）分别为10MPa和20MPa，在另一与该斜面斜交的面上测得s和t分别为30MPa和10MPa求:该受力物体的平面应力摩尔圆、主应力的大小和方向。,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,21,3.八种应力状态的二维应力摩尔圆特征,(三)二维应力分析摩尔圆图解法,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,22,(四)三维应力分析,1.三维应力,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,23,2.三维应力莫尔圆,(四)三维应力分析,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,24,(五)构造应力场与应力集中,1.应力场：受力物体内部各点瞬时应力状态的组合.1)均匀应力场：各点应力状态相同（可以按点应力方法处理）.2)非均匀应力场.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,25,(五)构造应力场与应力集中,2.构造应力场：地壳内一定范围内某一瞬时构造应力状态的组合.1)按规模分为：局部、区域、全球.2)按时间分为：现代、古代.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,26,3.构造应力场的表示方法：1)方向应力轨迹图.2)大小应力等值线图.通常：最大主应力和剪应力.,(五)构造应力场与应力集中,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,27,(五)构造应力场与应力集中,4.应力集中：在岩石先期断裂的端点、拐点、分支点、错列点和待交汇点容易出现应力集中，其结果是最先遭到破坏.,主要内容,1.应力分析2.变形分析3.影响岩石力学性质与岩石变形的因素,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,29,(一)变形和应变的概念,1.变形：物体受力后内部质点之间相互位置发生变化（形态、体积改变）五种方式：拉伸、挤压、剪切、弯曲、扭转.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,30,2.均匀变形：各部分的变形性质、方向、大小均相同：1)变形前的平面、直线变形后仍保持平面和直线.2)变形前相互平行的平面和直线变形后仍保持平行.,(一)变形和应变的概念,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,31,3.非均匀变形：物体内部各部分变形的方向、大小和性质不一致.非均匀连续变形可以分解成若干部分，按均匀变形的方法加以研究.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,32,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,33,4.应变度量：1)线应变.2)剪应变：gtanf.,(一)变形和应变的概念,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,34,5.主应变和应变主方向在均匀变形条件下，变形物体内部总是可以截取这样一个立方体，其三个相互垂直的截面上只有线应变而无剪应变，这三个线应变称为主应变，这三个主平面称为主应变面.a)最大应变主方向(1)或最大主应变轴(XorA)：最大伸长方向.b)最小应变主方向(3)或最小主应变轴(ZorC)：最大压缩方向.c)中间应变主方向(2)或中间主应变轴(YorB).,(一)变形和应变的概念,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,35,(二)岩石变形的阶段,1.弹性极限sy：受力超过这一数值后，岩石发生永久变形.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,36,2.比例极限sp：受力在这一数值以下，变形遵循胡克定律:sEe.E-弹性模量,(二)岩石变形的阶段,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,37,3.强度极限sB：受力超过这一数值后，岩石发生破裂.,(二)岩石变形的阶段,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,38,4.应变硬化：已受变形的岩石，再次加载，其弹性极限有所增高的现象.,(二)岩石变形的阶段,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,39,5.断裂变形.,张裂,(二)岩石变形的阶段,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,40,剪裂,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,41,6.剪切破裂的主要参数：1)共轭剪破裂角：2q.2)剪裂角：q.,(二)岩石变形的阶段,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,42,(单位MPa),抗压强度抗剪强度抗张强度,7.常温常压下各类岩石的强度极限,(二)岩石变形的阶段,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,43,8.材料力学性质分类1)脆性材料：破坏前塑性变形5的材料.2)韧性材料：破坏前塑性变形10的材料.3)脆韧性过渡材料：以上两者之间.,(二)岩石变形的阶段,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,44,9.岩石主要韧性变形机制1)粒间滑动：如砂子的塑性变形.2)粒内滑动：,平移滑动,双晶滑动,(二)岩石变形的阶段,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,45,3)压溶重结晶作用：,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,46,1.库仑剪破裂准则：t=to+sm=to+stgfto内聚力m内磨擦系数(tgf)f内磨擦角,适用条件：脆性岩石，围压较小,(三)剪裂角分析,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,47,剪裂角q=45o-f/2,n,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,48,2.莫尔剪破裂准则：Tn=f(sn),适用条件：塑性岩石，围压较大,随着温度、围压的增加，剪裂角逐渐接近于45，但不会超过45(剪裂角45情况一般与递进变形有关).,(三)剪裂角分析,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,49,3.格里菲斯准则(自习)特点：来自数学推导.,(三)剪裂角分析,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,50,1.椭球方程,(四)应变椭球体,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,51,2.特征要素：1)不变歪面和均变歪面：三轴应变椭球过l2的两个圆截面.2)AB面：C轴.3)BC面：张裂面.4)A轴.,(四)应变椭球体,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,52,(五)递进变形,1.概念：应变状态发生连续变化的变形过程.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,53,2.全量应变和增量应变,(五)递进变形,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,54,3.共轴递进变形和非共轴递进变形1)共轴递进变形：增量应变椭球的主轴方向与全量应变椭球主轴方向始终保持一致.,(五)递进变形,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,55,2)非共轴递进变形：增量应变椭球的主轴方向与全量应变椭球主轴方向不一致.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,56,递进变形过程中，变形物体内部不同方向的物质线可以有不同的拉伸和压缩变形历史（不属两期变形的产物）.,递进变形过程中不同方向物质线的变形,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,57,(六)变形岩石的应变测量,1.原理：根据标志物求取有限应变椭球体.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,58,2.主要标志物类型1)原始为圆球或椭球的标志物（如鲕粒、砾石）.,(六)变形岩石的应变测量,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,59,2)已知原始形状的其它标志物（砾石、化石、晶体）.具体方法参照Ramsay现代构造地质学方法郑亚东岩石有限应变测量和显微构造,主要内容,1.应力分析2.变形分析3.影响岩石力学性质与岩石变形的因素,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,61,(一)主要因素,1.内因：1)岩石成份.2)结构.3)构造.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,62,2.外因：1)围压.2)温度.3)溶液.4)孔隙压力.5)时间.6)应力状态.,(一)主要因素,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,63,(二)外因,1.围压（静岩压力）1)作用：增加岩石的韧性，提高岩石的强度极限和弹性极限.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,64,2)原理：高围压使岩石的质点彼此接近，增强了聚力.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,65,2.温度1)作用：强度降低，弹性减弱，韧性增强.,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,(二)外因,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,66,2)原理：增高温度，使岩石质点的热运动增强，减弱了质点之间的联系能力.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,67,3.溶液1)作用：弹性极限和强度下降，韧性增强.,溶液和温度对大理岩变形影响的应力-应变曲线图.(围压为1400MPa),(二)外因,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,68,2)原理：a)溶液分子进入晶格，使矿物分子之间的凝聚力下降“水致弱化”现象.b)溶液有利于重结晶作用的发生，容易发生塑性变形.,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,69,4.孔隙流体压力1)作用：使得岩石容易发生破裂，强度下降.,(二)外因,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,70,2)原理：使有效正应力下降tto+m(sp).p-孔隙流体压力.有效正应力(sp).,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,71,5.时间1)快速施力与缓慢施力对岩石变形的影响.a)快速施力作用：脆性，强度较高.b)缓慢施力作用：塑性，强度下降.,(二)外因,2020/6/8,第3章地质构造分析的力学基础,72,2)蠕变：保持应力不变，随时间延长，变形