岩石物理学-02岩石与变形.ppt

2、岩石与岩石的变形 2.1 地球上的岩石和矿物 2.2 应力与应变 2.3 岩石的本构关系 2.4 岩石实验 2.1 地球上的岩石和矿物 地球及其以外的物质主要分为固体圈、水圈和大气圈三个圈层结构。 地球的固体圈是由地核、地幔和地壳组成的，其质量占99％以上。地球固体圈的物质组分包括绝大部分已发现的化学元素，如：O、Si、Al、Fe、Ca、Cu、K、Na、Mg、S等。 这些元素大多以化合物的形式存在，只有极少量的一部分呈游离的单质态。矿物即为这些元素的天然产出形式。 矿物：天然产出的，通常由无机作用形成的，具有一定化学成分和特定的原子排列(结构)的均匀固体。 岩石：由一种或几种造岩矿物按一定方式结合而成的矿物的天然集合体。岩石是在地球发展到一定阶段时，经各种地质作用形成的坚硬产物，它是构成地壳和地幔的主要物质。按成岩作用分析为火成岩、沉积岩、变质岩三类。 成岩过程：地球处于不断的运动之中，其内部的过程也多种多样，细节各异。就岩石的形成而言，地球中的过程主要有火成过程、沉积过程、变质过程三种。 2.1 地球上的岩石和矿物 火成过程(igneous process)：地壳深部融化的物质、熔融的岩浆在地下或喷出地表，发生结晶和固化的过程。 沉积过程(sedimentary process)：地表岩石风化的产物，经过风、流水的搬运，在某些低洼地方沉积下来的过程。有些易溶解的岩石、矿物经过流水溶解、搬运和沉积，也属于沉积过程的一种。 变质过程(metamorphic process)：在地球内部高温或高压环境下，先已存在的岩石发生各种物理、化学变化，使其中的矿物重结晶或发生交互作用，进而形成新的矿物组合。 成岩旋回 2.1 地球上的岩石和矿物 岩石是一种多孔介质。 岩石是由固体的矿物和矿物颗粒之间的孔隙组成的，孔隙中通常有孔隙流体存在。 岩石内部孔隙及孔隙流体的存在，是石油得以生成、矿物得以富集的前提。这种存在与人类生活密切相关，例如地下水的形成，深埋地下核废料的扩散，环境污染和保护等问题都与孔隙流体的运移有关。 岩石的多孔性和孔隙流体的输运性，成为岩石物理学研究的重要内容。 2.1 地球上的岩石和矿物 用现代技术测量的岩石中的孔隙流体连通网络 砂岩的扫描电子显敝镜(SRM)照片。照片中可以看到砂岩中的石英矿物颗粒(黑色)，也可以看到它们之间的孔隙。砂岩孔隙体积可占岩石体积的6％，这些孔隙相互连通，形成了孔隙流体流动的通道 (Crampin 和Aztsepin，1997) 2.2 应力与应变 (1)应力 作用在岩石内部O点的力，对于通过O点的任意方向OP(ν)，在O点相应于OP方向的应力定义为： 把握两个重要概念 应力是单位面积上的作用力； 应力不仅与岩石内部的受力情况有关，而且与切面方向ν的选择有关。 柯西公式 2.2 应力与应变 其中ν1，ν2，ν3是单位矢量ν在坐标系1，2，3中的分量。 上式表明为了确定物体中任何一个面上的应力，9个应力分量是充分而必要的。 同时，给出了由一点应力张量求过该点某一特定方向切面上的应力矢量公式。 (2) 应变 物体中有一点P，它的位置可以用坐标系(x1，x2，x3)中的位置矢径r来表示，即：P=P(r)。 物体受力变形后，P点移至P?点，矢量PP?即为位移矢量，用u表示： u(u1,u2,u3)=u(r) 同理，P点附近一点Q点，对应的矢径为r+dr，则 PQ=dr(dx1，dx2，dx3) 物体受力后，Q点移至Q ?点，Q点的位移为： u(r+dr)=u(r)+du, du=du1i+du2j+du3k 2.2 应力与应变 2.2 应力与应变 线应变： AB边的讨论 设A点坐标为(x1，x2)，B点的坐标为(x1+ dx1 ，x2)，如果A点在x1和x2方向的位移分别为u1,u2，则B点在x1和x2方向的位移分别为： 线应变：在x1、x2、 x3方向单位线段的变形，即应变为： 角应变：直角∠CAB的讨论 ∠CAB变形后为∠C?A?B?，角度的改变(减小)量为α+β： 2.2 应力与应变 角应变：定义 应变(线应变和角应变) 2.2 应力与应变 应变张量 体积应变：物体受力后的体积变化 沿三组主平面方向，取出一个长方体，设其三个边长分别a1,a2,a3, 相应方向上的应变为ε1,ε2 ,ε3 。变形前长方体微元体积为v。， v。= a1a2a3 变形后的体积为V， V= a1(1+ε1)a2 (1+ε2)a3 (1+ε3) 则体应变： 2.2 应力与应变 应变率 表征变形过程的快慢的物理量，单位时间内应变的变化： 2.2 应力与应变 描述岩石应变或应变率同应力，温度T，时间等因素（