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1、第5章 岩石力学性质 徐海军 地球科学学院 第一节 岩石力学性质的几个 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，主要指 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 。 岩石力学性质研究的途径 ： 野外观察天然岩石力学现象； 实验室内岩石变形实验； 野外对岩体进行实地实验； 理论分析和数值模拟。 岩石力学性质是构造分析的基础 岩石是如何变形的？ 地壳变形过程与受力作用 0.1MPa高温流变仪样品装置示意图 实验室岩石变形实验 实验试样及主应力图示 1 2=3= 围压 3 1=2= 围压 差（异）应力（differential stress）=1
2、-3 压缩 拉伸 物体的弹性形变_胡克定律 岩石变形的应力应变曲线 弹性变形与塑性变形 弹性变形 ：岩石在外力作用下发 生变形，当外力解除后，又完全 恢复到变形前的状态，该变形称 为弹性变形 。特点：应力和应变 成正比，符合虎克定律。 =Ee E弹性模量/杨氏模量 塑性变形：随着外力继续增加， 变形继续增大，当应力超过岩石 的弹性极限后，再将应力撤去， 变形岩石已不能完全恢复原来的 形状，保留一定的永久变形，该 变形称为塑性变形 。 岩石变形的应力应变曲线 滞弹性（anelastic） 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
3、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。 屈服应力y（yield stress） 随着变形继续，应力 应变曲线斜率变小，这 时如果撤除应力，曲线 并不回到原点，而与e轴 交于e1，说明试样由于超 出其弹性极限而发生了 永久变形。这个极限点 的应力叫屈服应力y（ yield stress）。 塑性材料的力学行为 塑性变形材料理想塑性材料 当应力超过一定 值时，岩石就会 以某种方式而破 环，发生断裂变 形。这
4、时的应力 值称为岩石的极 限强度或强度。 岩石变形的应力应变曲线 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20802 岩石的抗压强度抗剪强度抗张强度 常温常压下一些岩石的强度极限 脆性 脆性：脆性材料在弹性范围内或弹 性变形后立即破裂，即在破裂前没 有或有极小的塑性变形，材料的这 种性质称为脆性。 脆性破裂：脆性材料的
5、破裂称为脆 性破裂。 脆性破裂方式：张破裂和剪破裂。 韧性和塑性区别 韧性（延性）是用来描述允许大应变，以宏观均 质变形为特征，而不管所包括的微观变形机制如 何的流变性质。 塑性是一种永久变形，它涉及晶内的位错运动的 微观机制，可能还包括扩散。 岩石变形机制通常有三种： 1.碎裂机制（cataclasis）； 2.晶内塑性（intracrystalline plasticity） 3.物质扩散流动（flow by diffusive mass transfer） O流体的粘性是指流体内部各流层之间相对滑动时，层面之间存 在的一种内摩擦效应。 O流体沿着x方向流动的n个不同流层。它们的流速u是y
6、的函数， u在y轴方向的变化率称为速度梯度，du/dy。同一位置上的剪 应力（摩擦阻力）与速度梯度呈正比关系 =du/dy 粘度（Pas） O（1）式中可作下列变换 O（1）改写为 O（1）、（3）式称为牛顿粘性定律，服从牛顿粘性定律的材料 称为牛顿流体（或线粘性流体）。 （2） （1） （3） （4） 粘性和粘度 x y 0 u=u(y) . . . . 材料的粘弹性 非线粘性流体：非牛顿流体 。其发生流动变形时，各点 剪应力与剪应变速率成非线 性关系。 粘弹性：既具有弹性，又能 发生粘性流动的材料，称为 粘弹性体，它所表现出来的 力学性质，称为粘弹性。 流体具有流动性，具有粘性 。岩石也具
7、有流动性和粘性 。只是其流动速度比液体要 缓慢得多而不易觉察出来， 从而说明岩石的粘度较大。 例如在常温下，石灰岩的粘 度约为冰川冰粘度的1亿倍。 第二节 影响岩石力学性质的因素 1.各向异性（anisotropy） 橄榄石晶体沉积岩的水平层理 2.围压（pressure） 增大围压的效应有两方面： 1. 增大了岩石极限强度； 2. 增大了岩石的韧性。 3.温度（temperature） 温度是影响岩石力学性质和 流变强度的重要因素。 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（
8、夏天的沥青和冬天的沥青 强度大不一样）。 4.流体（fluid） 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。 硅酸盐矿物在高压和高温条件下 的水弱化作用 Si-O-Si+H2O X2SiOH X是活化了的化合物。 水弱化
9、结果： 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。 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，e正应力减小 ，e=-c，岩石发生破裂。 5.时间（time） 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（=/t） 降低，材料强度降低，向韧性方向转变 陨石的碰撞或地震是快速 阿尔卑斯山变形速率10-12/s-10-14/s左右
10、 应变速率对岩石变形的 影响（Heard, 1963） 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。 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。 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。 实例：贵州乌江电站水力破裂 第三节 岩石的能干性 岩石的能干性 岩石能干性是指不同岩石 在相同变形环境中变形行 为的相对差异。 岩石按能干性的差异分为 能干的（强的）和不能干 的（弱的）。 第四节 岩石变形的微观机制 岩石和矿物的主要变形机制 DavisDavis（19961996）方案）方案岩石变形机制通常有三大类岩石变
11、形机制通常有三大类 显微破裂、碎裂作用和摩 擦滑动 机械双晶和扭折 位错蠕变 扩散蠕变 溶解蠕变 碎裂机制 cataclasis 晶内塑性 intracrystalline plasticity 物质扩散流动 flow by diffusive mass transfer 胡玲编著显微构造地质学概论地质出版社，1998年第一版 岩石变形的微观机制 脆性变形机制塑性变形机制 微破裂作用 碎裂作用 碎裂流 位错蠕变 扩散蠕变 颗粒边界滑动 超塑性变形 理想晶体 uvw is a crystal direction is a family of directions (hkl) is a cryst
12、al plane hklis a family of planes 晶格对称 晶系，劳厄群，空间群 晶体的形成 始于单位晶胞 遵循一定原则 重复到无限 位错蠕变 晶体缺陷包括：点缺陷、 线缺陷（位错）和面缺陷 。 位错蠕变是通过位错运动 而使材料变形的一种变形 机制，包括低温下的位错 滑动和高温下的位错攀移 两种机制。 点位错（point defects） 空位移动（Migration of a Vacancy ） 刃位错和螺位错（Edge and Screw Dislocations） Typical subgrain structure in olivine, Katin, Launing
13、 Multiple cross-slip screw and loops, Mingxi, Fujian, Eastern China. Kink bands Kink bands in olivine corresponded to (100) low angle dislocation boundaries, in olivine. Mingxi, Fujian, China (100) Low angle dislocation boundaries Low angle dislocation boundaries corresponded to kink bands in olivin
14、e and (110) slip bands superposed on (100) dislocation walls, garnet-spinel peridotites, Mingxi, Fujian, Eastern China. 扩散蠕变 扩散蠕变是通过晶内和晶界的空位和原子运动来 改变晶粒形状的一种塑性变形机制，包括晶内扩 散蠕变（Nabarro-Herring蠕变）和晶界扩散蠕变（ Coble蠕变）。 压溶蠕变实际上是一种低温扩散蠕变形式。 Pressure solution/Disolution creep Conceptual mechanism of diffusion c
15、reep Nabarro-Herring (Volume Diffusion) Creep 颗粒边界滑动 颗粒边界滑动是通过颗 粒边界之间的滑动来调 节岩石总体变形的一种 变形机制。 颗粒边界滑动跟扩散蠕 变一样，都要求颗粒粒 度很小以及高温环境。 超塑性变形是通过颗粒 边界滑动机制实现的一 种变形结果，通常样品 变形量在1000倍以上。 Deformation mechanism map Depth Differential Stress The dominant deformation mechanism is dislocation creep in the upper mantle.
16、Deformation Mechanism Maps: Quartzite, Marble, and Olivine 第五节岩石断裂准则 岩石断裂准则 断裂是指由于外力作用 在物体中产生的介质不 连续面。 控制因素：临界应力状 态/极限应力状态；材 料力学性质。 断裂准则：在极限应力 状态下各点极限应力分 量所应满足的条件，称 为断裂条件或者准则。 莫尔包络线：就是材料 破坏时的各种极限应力 状态应力圆的公切线。 = f() 判别条件：当一点的应 力状态的应力圆与莫尔 包络线相切，这点就开 始破裂。 库仑准则 库仑准则，又称最大剪 应力准则，其表达式为 max=(1-3)/2=0 0：抗纯剪断裂极限，也称 岩石的内聚力。 按照该理论，剪裂面与 最大主应力的夹角（剪 裂角）45，共轭断 裂夹角（共轭角）为2
