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1、第五章 岩石力学性质,岩石力学性质是岩石受力作用下的反映。 岩石力学性质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。,脆性变形,韧性变形,为什么要研究岩石的力学性质？,岩石力学性质研究的途径,（1）观察天然岩石的力学现象（天然露头等）； （2）实验室内对岩石进行变形实验； （3）在野外对岩体进行实地试验； （4）理论分析和数值模拟。,塑性变形,脆性变形,天然岩石变形,0.1MPa高温流变仪,样品装置示意图,实验室岩石变形实验,1,2=3 =围压,1=2 =围压,1,3,3,差应力（differential stress）=1-3,在受到外界应力作用时，固体材料的
2、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。 目前，人们将材料的力学响应主要划分为弹性（elastic）、粘性（viscous）和塑性（plastic）等类型。,岩石力学性质的一些基本概念（一）,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： =Ee 其中E为杨氏弹性模量。,岩石变形的应力应变曲线,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
3、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。,滞弹性（anelastic）,岩石变形的应力应变曲线,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）。,塑性变形是指物体在外力施加的同时产生变形，但在外力解除之后，变形永远不会自动恢复的这种性能，具有这种性能的
4、物体称为塑性体，它的变形称为塑性变形。 在应力不超过某一临界值y的条件下，理想塑性材料可以持续永久变形，在这一临界值之下，材料不发生变形。,岩石力学性质的一些基本概念（二）,岩石变形的应力应变曲线,岩石变形的应力应变曲线,y,理想塑性材料的力学行为,岩石变形的应力应变曲线,岩石变形的应力应变曲线,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
5、 plasticity） （3）物质扩散流动（flow by diffusive mass transfer）,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。,世界上一些地区地震震源深度分布柱状图 （据Maggi et al., 2000a）,岩石力学性质的一些基本概念（三） 流体粘性是流体内部各流层之间相对滑动时，层面间存在一种内摩擦效应。 流体沿着x方向流动的n个不同流层。它们的流速是y的函数，在y轴方向的变化率称为速度梯度，d/dy。同一位置上的剪应力（摩擦阻力）与速度梯度呈正比关系 =d/dy 粘度（P
6、as） （1）式中可作下列变换 （1）改写为 （1）、（3）式称为线性粘性定律（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）。具牛顿粘性变形称为粘性流体变形。,（2）,（1）,（3）,（4）,理想粘性材料的力学行为,弹塑性变形指有些物体同时具有弹性和塑性的性能。在弹塑性变形中，有一部分是弹性，其余为塑性变形。 既具有弹性，又能发生粘性流动的材料，称为粘弹性，它所表现的力学性质，称为粘弹性。如蛋清就是一种粘弹性体。 岩石在长期力作用下是一种同时具有弹性和塑性的物质，这种弹性和塑性是指在弹性范围内显现的弹性和塑性；当岩层具有高度塑性时还能发生半粘性流动。,岩石也是一种粘弹性体
7、，它不像蛋清这样明显，这主要是它的流动需要在长时间载荷下表现出来。对于固体或流体而言，温度越高，粘度越低，反映易流动性越大。 岩石具有非常缓慢的流动性。 粘度是衡量地球动力学的一个重要参数。 近代，人们把物体所有这些力学性质概括为物质的流变性（rheological properties），并形成一门新兴学科流变学（rheology） 流变学是研究固体物质流动的科学。因此，从近代地球科学观念来看，地球物质具有流变性。把研究地球物质流动性质和规律的科学，称为“地球流变学（Rheology of Earth Materials）”。,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
8、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,各向异性对岩石力学性质的影响； 围压对岩石力学性质的影响； 温度对岩石力学性质的影响； 孔隙流体对岩石力学性质的影响； 时间因素对岩石力学性质的影响。 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
9、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）； 不同岩石剪切破裂角有明显变化。,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。,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
10、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
11、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。,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 X2SiOH(Freiman,1984) X是活化了的化合物。 水弱化结果： 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。,时间影响因素,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（=/t） 降低，材料强度降低，向韧性方向转变（例如用不同 冲击沥青，变形
12、结果是不一样的） 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,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。,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。 研究途径： 有限应变的对比； 劈理折射程度的比较； 香肠构造对比； 褶皱形态的对比。,影响岩石力学性质的各种因素,
