第3章节岩石变形物理学3-岩石力学性质课件幻灯片.ppt

σy 理想塑性材料的力学行为 应力 弹塑性变形—指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，其余部分为塑性变形。 粘弹性变形—既具有弹性，又能发生粘性流动的物体材料，称为粘弹性，它所表现的力学性质，称为粘弹性变形。如蛋清就是一种粘弹性体。 地壳岩石在长期力作用下通常表现为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，而且当岩层具有高度塑性时还能发生半粘性流动。 地壳岩石严格讲也是一种粘弹性体，只不过不像蛋清那样明显，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。 地壳及地幔岩石具有非常缓慢的流动性。因而粘度是衡量地球动力学的一个重要参数。 人们把物体具有的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。 近代地球科学观念来看，地球物质是具有流变性的。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）。 岩石力学性质的影响因素 应力→应变→岩石力学性质→影响因素 应力和应变是岩石或地块在外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，岩石发生塑性变形（褶皱）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的力学表象明显不同：在柔性岩层中形成褶皱构造；在相对硬岩层中形成断裂构造；在软硬相间岩层中形成香肠构造 影响岩石力学性质的因素 材料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； 岩石的变形是材料、环境和时间的函数 岩石材料在力学上可以分为：均匀和非均匀材料。 均匀材料在力学上可以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的力学性质不同。 岩石各向异性的影响(1) 岩石各向异性影响的表现 岩石结构构造不同的影响（例如层理引起的力学各向异性）； 岩石先存构造对岩石剪切破裂角明显变化的影响（例如具面理的板岩与页岩剪切破裂角变化引起的力学各向异性）； 沉积岩的水平层理 橄榄石单晶体 围压对岩石力学性质的影响(2) 增大围压的效应有两方面： 增大了岩石极限强度(岩石强度)； 增大了岩石韧性； 温度的影响(3) 温度是影响岩石力学性质的一个重要因素。 温度升高岩石的韧性增大，屈服强度降低； 温度升高和围压增加，岩石从脆性变形向韧性变形过渡； 温度对沥青的变形强度影响是一个很典型的例子（夏天和冬天沥青的强度大不一样） 孔隙流体的影响(4) 孔隙流体对岩石力学性质的影响主要表现为：物理和化学两个方面的影响。 岩石中流体含量增加，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，从而产生塑性变形。 孔隙流体压力效应：孔隙流体压力增大，有效围压降低，岩石的强度降低。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，对变形实际起作用的是降低有效围压（Pe），即Pe=Pc-Pp 。有效围压降低，岩石的强度降低，易于发生破裂。 孔隙流体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，岩石是稳定的未发生破裂； 莫尔圆II－总正应力（横坐标）不变，σe正应力减小，σe=σ-σc，岩石发生破裂。 流体的化学反应和水弱化作用影响 硅酸盐矿物在高压和高温条件下的水弱化作用 [Si-O-Si]+H2O→ X→2[SiOH](Freiman,1984) X是活化了的化合物。 水弱化作用结果表现： 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，加速熔体形成； 时间影响因素(5) 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（?=ε/t） 应变速率降低，材料强度降低，向韧性方向转变（例如用不同? 冲击沥青，变形结果是不一样的） 陨石撞击作用或地震作用发生应变速率是快速的 阿尔卑斯山变形应变速率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