岩石力学性质概述内容丰富

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FossenH.《StructuralGeology》,Chapters6Davisetal.,《StructuralGeologyofRocksandRegions》PartI,Chapters3,4,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。岩石变形与岩石本身力学性质有密切关系。在受到外界应力作用时，固体材料的力学响应具有很大变化性。即使对某种特定的材料，它的力学响应也要取决于变形的物理和化学条件。根据材料的力学响应（应力与应变关系），岩石的力学性质主要划分为弹性（elastic）、粘性（viscous）、塑性（plastic）和脆性（brittle）。弹性(elastic)弹性变形：指物体在外力作用下变形，当外力除去后物体能完全恢复原状。具有这种性能的物体称为弹性体，它的变形称为弹性变形。弹性分理想弹性和非理想弹性。理想线弹性体的变形是可逆过程，它的应力与应变之间有一个确定的单值关系，符合虎克定律：

σ=Ee

其中E为杨氏弹性模量。非理想弹性体的变形：受力不立即产生全部弹性变形，而是随着时间的延长逐渐增大弹性变形到应有的值；当撤除外力后，也不立即恢复原状，而是随时间延长逐渐恢复原状。这种现象称为弹性后效（即滞弹性）。岩石的弹性变形通常表现为滞弹性（anelastic）。岩石的滞弹性具有重要意义，上地幔的地震波衰减就被认为与岩石的滞弹性有关。弹性变形线弹性理想弹性滞弹性泊松比（Poisson’sratio）泊松比（Poisson’sratio）体积模量（bulkmodulus）Viscousmaterials黏性材料（fluids）符合上述方程的的力学性质的材材料也称牛顿流流体（Newtonianfluid）。是黏度（单位位PaS）只有流体是真正正的黏性体。因因此，地质黏性性体只有岩浆、、岩盐和饱水的的泥是真黏性介介质。但在实际际研究中，特别别是数学模拟过过程中，慢速变变形地质体通常常也可以被当作作黏性体处理。。塑性变形是指物体在外力力施加的同时产产生变形，但在在外力解除之后后，变形永远不不会自动恢复的的这种性能，具具有这种性能的的物体称为塑性性体，它的变形形称为塑性变形形。在应力不超过某一一临界值σy的条件下，理想塑性材料可以持续永久变变形，在这一临临界值之下，材材料不发生永久久变形。塑性（Plastic）塑性变形随着变形继续，，应力－应变曲曲线斜率变小，，这时如果撤除除应力，曲线并并不回到原点，，而与e轴交于e1，说明试样由于于超出其弹性极极限而发生了永永久变形。这个个极限点的应力力叫屈服应力σy（yieldstress）。e1塑性变形的幂律律本构方程应变硬化应变软化（Steady-state）稳态变形=Ad-mCrnexp–[(E+P•V)/RT]Whereisthestrainrate,Aisthepre-exponentialfactorrelatedwithmaterial,disthegrainsize,misthegrainsizeexponent,Cisthewatercontent,risthewaterfugacityexponent,isthesteady-stateflowstress,nisthestressexponentrelatedwithdeformationmechanism,Eistheactivationenergy,Pisthepressure,Vistheactivationvolume,Risthegasconstant,Tistheabsolutetemperature...变形性质的基本类类型Xe组合变形性质弹塑性变形—指有些物体同时具具有弹性和塑性的的性能。在弹塑性性变形中，有一部部分是弹性，其余余为塑性变形。既具有弹性，又能能发生粘性流动的的材料，称为粘弹弹性，它所表现的的力学性质，称为为粘弹性。如蛋清清就是一种粘弹性性体。岩石在长期力作用用下是一种同时具具有弹性和塑性的的物质，这种弹性性和塑性是指在弹弹性范围内显现的的弹性和塑性；当当岩层具有高度塑塑性时还能发生半半粘性流动。岩石也是一种粘弹弹性体，它不像蛋蛋清这样明显，这这主要是它的流动动需要在长时间载载荷下表现出来。。对于固体或流体体而言，温度越高高，粘度越低，反反映易流动性越大大。岩石具有非常缓慢慢的流动性。粘度是衡量地球动动力学的一个重要要参数。近代，人们把物体体所有这些力学性性质概括为物质的的流变性（rheologicalproperties），并形成一门新新兴学科－流变学学（rheology）流变学是研究固体体物质流动的科学学。因此，从近代代地球科学观念来来看，地球物质具具有流变性。把研研究地球物质流动动性质和规律的科科学，称为“地球球流变学（RheologyofEarthMaterials）”。脆性：脆性材料在弹性性范围内或弹性变变形后立即破裂，，即在破裂前没有有或有极小的塑性性变形，材料的这这种性质称为脆性性。脆性破裂：脆性材料的破裂裂称为脆性破裂。。脆性破裂方式：张破裂和剪破裂裂。当应力超过一定值值时，岩石就会以以某种方式而破环环，发生断裂变形。这时的应力值称称为岩石的极限强度或强度。岩石抗压强度(MPa)抗张强度(MPa)抗剪强度(MPa)花岗岩148(37－379)3－515－30大理岩102(31－262)3－910－30石灰岩96(6－360)3－612－20砂岩74(11－252)1－35－15玄武岩275(200－350)10页岩20－802岩石的抗压强度>抗剪强度>抗张强度常温常压下一些岩岩石的强度极限岩石力学性质的研研究方法岩石力学性质研究究的途径（1）观察天然岩石的力力学现象（天然露露头等）；（2）实验室内对岩石进进行变形实验；（3）在野外对岩体进进行实地试验；（4）理论分析和数值值模拟。有关室内的高温高高压实验基本常识识还有专门讲解和和实验室参观。为什么要研究岩石石的力学性质？韧性变形脆性变形天然岩石变形岩石的能干性岩石能干性是指不不同岩石在相同变变形环境中变形行行为的相对差异。。研究途径径：有限应变变的对比比；劈理折射射程度的的比较；；香肠构造造对比；；褶皱形态态的对比比。0.1MPa高温流变变仪样品装置置示意图图实验室岩岩石变形形实验σ1σ2=σ3=围压σ1=σ2=围压σ1σ3σ3差（异））应力（（differentialstress）σ=σ1-σ3塑性变形形材料的的典型应应变－时时间曲线线韧性和塑塑性区别别韧性（延延性）是用来描描述允许许大应变变，以宏宏观均质质变形为为特征，，而不管管所包括括的微观观变形机机制如何何的流变变性质。。塑性是一种永永久变形形，它涉涉及晶内的位位错运动动的微观观机制，，可能还还包括扩扩散。岩石变形形机制通通常有以以下四种种：（1）碎裂机机制（cataclasis）；（2）晶内塑塑性（intracrystallineplasticity）（3）扩散蠕蠕变（flowbydiffusivemasstransfer）（4）颗粒边边界滑移移（grainboundarysliding）脆－韧性性转化－－从宏观观上描述述脆－塑性性转化－－从微观观机制上上描述脆－塑性性转换域域是一个个十分重重要的问问题，地地球上大大部分地地震都发发生在脆脆－塑性性转换域域的深度度。(s1–s3)Depth(km)摩擦定律律:t=c+msn*(linearwithdepth)塑性:(non-linearwithdepth&temperature)de/dt=CDsne-[E/RT]Log(Ds)=(1/n)[log(de/dt)––log(c)+E/(RT)]世界上一一些地区区地震震震源深度度分布柱柱状图（据Maggietal.,2000a）影响岩石石力学性性质的因因素应力→应应变→岩岩石力学学性质→→影响响因素应力和应应变是岩岩石或地地块在外外界力影影响下的的重要响响应。应应力是物物理方面面的反映映之一，，应变是是几何学学方面的的反映之之一；岩石力学学性质－－是指在在应力和和应变作作用下，，岩石出出现塑性性变形或或脆性变变形（破破裂）的的条件；；岩石力学学性质是是约束岩岩石变形形和构造造几何特特征的重重要条件件。例如如同样的的压应力力作用在在不同岩岩层上，，力学表表象不同同：在柔性岩岩层中→→褶皱构构造在相对硬硬岩层中中→断裂裂构造在软硬相相间岩层层中→香香肠构造造影响岩石石力学性性质的因因素各向异性性；围压；温度；孔隙流体体；时间因素素(应变速率率)；颗粒大小小总之，岩岩石的变变形是环环境、时时间和材材料的函函数。岩性和各各向异性性的影响响岩石组成成的成分分不同的的影响；；不同岩石石具有不不同的力力学强度度，例如如花岗岩岩的挤压压强度是是页岩挤挤压强度度的8倍；岩石的结结构构造造不同（（层理引引起的力力学各向向异性））。岩石材料料分类岩石材料料在力学学上可以以分为均匀和非均匀材料。均匀材料料在力学学上可以以是各向同性性的或各向异性性的。力学性质质各向异异性是指指物体内内同一点点各个方方向上力力学性质质不同。。沉积岩的的水平层层理橄榄石单单晶体围压对岩岩石力学学性质的的影响增大围压压的效应应有两方方面：增大了岩岩石极限限强度；；增大了岩岩石的韧韧性。温度的影影响温度使影影响岩石石力学性性质和流流变强度度的一个个重要因因素。温度的升升高使岩岩石的韧韧性增大大，屈服服强度降降低；温度升高高和围压压增加，，导致岩岩石从脆脆性向韧韧性过渡渡，孕育育着发震震层；温度对沥沥青的变变形强度度影响是是一个很很生动的的例子（（夏天的的沥青和和冬天的的沥青强强度大不不一样））孔隙流体体的影响响孔隙流体体对岩石石力学性性质影响响表现为为两个方方面：物理方面面影响和和化学方方面影响响。当岩石中中流体含含量增加加时，岩岩石强度度降低。。流体促促使矿物物在应力力作用下下的溶解解和重结结晶，从从而促使使塑性变变形；产生孔隙隙流体压压力效应应：地壳壳中流体体孔隙压压力（静静水压力力）为静静岩压力力的40％。在变变形过程程中孔隙隙压力（（Pp）的作用用会抵消消围压（（Pc）的作用用，对变变形实际际起作用用时有效效围压（（Pe）Pe=Pc-Pp有效压力力（Pe）降低，，使岩石石易于破破裂，强强度降低低。孔隙压力力效应对对岩石破破裂的影影响莫尔圆I－代表孔孔隙压力力为零时时应力状状态，岩岩石是稳稳定的，，未破裂裂；莫尔圆II－总正应应力（横横坐标））不变，，σe正应力减减小，σe=σ-σc，岩石发发生破裂裂。流体的化化学反应应和水弱弱化作用用硅酸盐矿矿物在高高压和高高温条件件下的水水弱化作作用[Si-O-Si]+H2O→X→2[SiOH](Freiman,1984)X是活化了了的化合合物。水弱化作作用：产生大量量扩张应应变，诱诱发裂纹纹尖端高高应力；；Si-O共价键被被H-O代替，加加速岩石石塑性变变形；H-O键加速热热力学的的反应；；H2O