巖石力學(xué)用1章

1、第一章巖石的基本構(gòu)成和地質(zhì)分類(lèi) 華瑞學(xué)院 石油工程系 2010年7月2010年8月巖石力學(xué)與石油工程1第一章 巖石的物理性質(zhì)及工程分類(lèi) 第一節(jié) 巖石的基本構(gòu)成和地質(zhì)分類(lèi) 一、基本構(gòu)成一）、巖石的主要物質(zhì)成分主要有正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英、黑云母、白云母、角閃石、輝石、橄欖石、方解石、白云石、高嶺石、赤鐵礦等。礦物成分不同，會(huì)影響巖石的物理性能、強(qiáng)度特征和抗風(fēng)化能力。1、巖石的礦物成分和抗風(fēng)化能力 礦物成分的相對(duì)穩(wěn)定性對(duì)巖石的抗風(fēng)化能力有顯著的影響。 從化學(xué)成分來(lái)看： 最容易遷移的元素：CL、SO4； 其次是：K、Na、Ca、Mg； 再其次是:SiO2； 最后是:Fe2O3、AL2O3。(低價(jià)鐵容易

2、氧化).2、按穩(wěn)定性可將巖石礦物分為以下幾種：如表1-123抗風(fēng)化穩(wěn)定性非常穩(wěn)定穩(wěn)定較穩(wěn)定不穩(wěn)定礦物名稱(chēng)石英鋯長(zhǎng)石白云母正長(zhǎng)石納長(zhǎng)石酸性斜長(zhǎng)石角閃石輝石黑云母基性斜長(zhǎng)石霞石橄欖石黃鐵礦3、按酸堿性劃分 堿性和超堿性巖石是橄欖石、輝石和基性斜長(zhǎng)石; 酸性巖石主要是由石英、閃長(zhǎng)石、酸性斜長(zhǎng)石和少量黑云母； 沉積巖的抗風(fēng)化能力一般都較高； 變質(zhì)巖和巖漿巖的的抗風(fēng)化能力類(lèi)似。4、巖石的物質(zhì)成分與力學(xué)及物理性質(zhì)后面陸續(xù)講。（二）常見(jiàn)巖石的結(jié)構(gòu)類(lèi)型 結(jié)構(gòu)類(lèi)型是指巖石中礦物（及巖屑）顆粒之間的關(guān)系，包括顆粒大小、形狀、排列、結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)特點(diǎn)以及巖石中的微觀結(jié)構(gòu)面（即內(nèi)部的缺陷）。 結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)類(lèi)型主要有結(jié)晶、膠結(jié)聯(lián)

3、結(jié)。1、結(jié)晶聯(lián)結(jié)是指通過(guò)結(jié)晶相互嵌合在一起的巖石。例如巖漿巖、大部分的變質(zhì)巖和部分的沉積巖是通過(guò)晶體顆粒之間緊密接觸的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)。這種聯(lián)結(jié)一般強(qiáng)度較大，但隨結(jié)構(gòu)不同有一定差異。2、膠結(jié)聯(lián)結(jié)是指顆粒與顆粒之間通過(guò)膠結(jié)物聯(lián)結(jié)在一起的巖石。如通過(guò)硅質(zhì)、鐵質(zhì)和泥質(zhì)膠結(jié)物膠結(jié)在一起的沉積碎屑巖、部分粘土巖。 膠結(jié)聯(lián)結(jié)的基本類(lèi)型：即：基質(zhì)膠結(jié)、接觸膠結(jié)和孔隙膠結(jié)如7頁(yè)圖1-1。4 膠結(jié)類(lèi)型主要有以下四種： 基底膠結(jié)的充填物為雜基、含量多，顆粒呈星點(diǎn)狀分布； 孔隙膠結(jié)膠結(jié)物含量少，只充填在碎屑之間的孔隙中； 接觸膠結(jié)和孔隙膠結(jié)類(lèi)似，膠結(jié)物含量更少，只分布在顆粒之間接觸的地方； 鑲嵌結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是顆粒間呈凹凸線狀

4、接觸，似乎無(wú)膠結(jié)物。 53、巖石中的微結(jié)構(gòu)面（或缺陷）概念 微結(jié)構(gòu)面是指存在于礦物顆粒內(nèi)部或礦物顆粒及礦物集合體之間微笑的薄弱面或空隙。包括：礦物的解理、晶格缺陷、晶粒邊界、顆粒間空隙和微裂隙等。1）、礦物解理是指礦物晶體或晶粒受力后沿一定結(jié)晶方向分裂成的光滑面（ ）。2）、晶粒邊界聯(lián)結(jié)方式礦物晶體粒子間是由各種離子鍵、原子鍵、分子鍵等聯(lián)結(jié)的。3）、微 裂 隙指發(fā)育于礦物顆粒內(nèi)部之間的多數(shù)呈閉合狀態(tài)的破裂跡線。4）、粒間空隙是指結(jié)晶鹽中晶粒之間的小空隙，碎屑巖中沒(méi)有被膠結(jié)物充填的空隙。5）、晶格缺陷是指由于晶體外原子入侵產(chǎn)生的化學(xué)上的缺陷，或由于化學(xué)比例、原子重新排列的偏差產(chǎn)生的物理上的缺陷。

5、63、巖石中的微結(jié)構(gòu)面（或缺陷）概念 微結(jié)構(gòu)面是指存在于礦物顆粒內(nèi)部或礦物顆粒及礦物集合體之間微笑的薄弱面或空隙。包括：礦物的解理、晶格缺陷、晶粒邊界、顆粒間空隙和微裂隙等。二、巖石的地質(zhì)成因分類(lèi)1）、巖漿巖 當(dāng)?shù)貧ぷ儎?dòng)時(shí)，上部巖層壓力一旦減低，過(guò)熱（1000C）巖石的可塑狀態(tài)的物質(zhì)就會(huì)立即轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷厝廴隗w，即所謂的巖漿巖。巖漿巖的主要化學(xué)成分： SiO2、AL2O3、Fe2O3、FeO、MgO、MnO、CaO、K2O、Na2O等巖漿巖的分類(lèi)。見(jiàn)P8頁(yè)表（1-2），主要分，深、淺褐噴出巖2）、沉積巖（水成巖）；是由風(fēng)化、剝蝕作用或火山作用形成的物質(zhì)，在原地或被外力搬運(yùn)，在適當(dāng)條件下沉積下來(lái)，經(jīng)

6、過(guò)膠結(jié)、成巖作用而形成的。沉積巖的主要化學(xué)成分： 主要是粘土礦物、碳酸鹽、和殘余的石英、長(zhǎng)石等。78 沉積巖的分類(lèi)主要分火山、膠結(jié)碎屑巖；粘土巖、化學(xué)巖和生物化學(xué)巖等，詳見(jiàn)P10頁(yè)表（1-3） 。3）、變質(zhì)巖是由在已有巖石的基礎(chǔ)上，由于高溫高壓，經(jīng)過(guò)與各種巖石礦物混合變質(zhì)作用形成呢個(gè)的巖石。例如：大理石、變質(zhì)礫巖、石英巖、石英片巖（片巖）、板巖、變質(zhì)的火山巖和片麻巖、以及花崗片麻巖等。 由于變質(zhì)巖性質(zhì)和變質(zhì)作用的特點(diǎn)和原巖性質(zhì)有關(guān)，所以變質(zhì)巖的力學(xué)、物理性質(zhì)受多種因素的影響，差別很大。 變質(zhì)巖的分類(lèi)主要分接觸變質(zhì)巖、動(dòng)力變質(zhì)巖、區(qū)域變質(zhì)巖等，詳見(jiàn)P12頁(yè)表（1-4） 。第二節(jié) 巖石的微觀結(jié)構(gòu)

7、微觀結(jié)構(gòu)是以什么為特點(diǎn)的是以巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不完全性（火成巖、變質(zhì)巖）和顆粒之間的膠結(jié)情況不均勻性（沉積巖）為特點(diǎn)的。圖1-3是具有代表性的四種巖石（即花崗巖、玄武巖、砂巖和泥巖）的微觀結(jié)構(gòu)。 石油鉆井中鉆遇的巖石多數(shù)是沉積巖，有時(shí)也有一些變質(zhì)巖。按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可區(qū)分為晶質(zhì)巖石和碎屑巖石兩類(lèi)。 其中：花崗巖、玄武巖、砂巖和泥巖的基本特點(diǎn)是：1、花崗巖的主要特點(diǎn)強(qiáng)度也較大，結(jié)構(gòu)較粗，內(nèi)部存在較多的結(jié)晶正長(zhǎng)石的顆粒，強(qiáng)度比其他細(xì)顆?；鹕綆r小。2、玄武巖的主要特點(diǎn)具有細(xì)微的結(jié)構(gòu)，含有輝石和斜長(zhǎng)石的微晶，靠緊密的機(jī)械聯(lián)結(jié)，組織非常致密，強(qiáng)度大。3、砂巖的主要特點(diǎn)是一種典型的沉積巖，由許多石英顆粒被碳酸鈣（

8、方解石）、粘土礦物（鐵質(zhì)、硅質(zhì)）胎體膠結(jié)而成。94、頁(yè)巖的主要特點(diǎn) 是被壓實(shí)的粘土，由具有微米級(jí)的高嶺土（小于0.01mm）、膠嶺土、云母和石英的細(xì)顆粒所組成。10第三節(jié) 巖石的宏觀結(jié)構(gòu) 宏觀結(jié)構(gòu)是以什么為特點(diǎn)的是以巖石的斷裂（即巖石的裂隙性）和層理的為特點(diǎn)。沉積巖和變質(zhì)巖對(duì)鉆井破巖時(shí)的機(jī)械性質(zhì)有重要的意義，而火成巖的宏觀結(jié)構(gòu)對(duì)鉆井破巖時(shí)的機(jī)械性質(zhì)無(wú)明顯影響。因?yàn)椋哼@類(lèi)巖石的力學(xué)性質(zhì)主要受其層理、片理各向異性控制。如16頁(yè)的圖1-5，其中： 層理可定義為在垂直方向上巖石成分變化的情況。 片理則是巖石沿平行的平面分裂為薄片的能力。 各向異性表現(xiàn)在它的強(qiáng)度及變形特性的差異。 巖石力學(xué)性質(zhì)含義：包括

9、巖石的變形特征和強(qiáng)度特征。11 巖石的變性特征是指巖石試件在各種載荷作用下的變形規(guī)律，包括彈性、塑性、粘性流動(dòng)和破壞規(guī)律，他反映了巖石的力學(xué)屬性。 巖石的強(qiáng)度特征是指巖石試件在載荷作用下開(kāi)始破壞的最大應(yīng)力（強(qiáng)度極限），以及應(yīng)力與破壞之間的關(guān)系，它反映了巖石抵抗破壞的能力和破壞規(guī)律。 依據(jù)研究需要，制作薄片的厚度有一定差異。單純研究巖石中礦物組成和結(jié)構(gòu)，薄片厚度一般為0.3mm，如果研究巖石中的流體包裹體，薄片需要稍厚一點(diǎn)（0.5mm 左右），如果是觀察巖石中的化石，薄片厚度一般在0.3mm-0.5mm 之間，太薄影響化石成像效果，太厚透射光難以穿透薄片，影響化石細(xì)部結(jié)構(gòu)的觀察。 12 淮南礦區(qū)

10、高嶺石巖石薄片顯微鏡照片。圖為放射狀鮞粒，同心層構(gòu)造。40倍放大。圖中景象仿佛宇宙黑洞吞食瞬間，左邊黑色構(gòu)造仿佛冷眼旁觀其對(duì)萬(wàn)物的吞食。本圖也可解釋物質(zhì)宏觀與微觀形式結(jié)構(gòu)上驚人的相似。 13泥巖照片粉石英砂巖14說(shuō)明食鹽的晶體是由鈉離子Na+ 和氯離子CI組成的，它們等距離、交錯(cuò)地排列在三組相互垂直的平行線上，因而食鹽具有正立方體的外形。 左圖表示在一個(gè)平面上晶體物質(zhì)微粒的排列情況從圖上可以看出，在沿不同方向所畫(huà)的等長(zhǎng)直線AB、AC、AD上，物質(zhì)微粒的數(shù)目不同直線AB上物質(zhì)微粒較多，直線AD上較少，直線AC上更少正因?yàn)樵诓煌较蛏衔镔|(zhì)微粒的排列情況不同，才引起晶體的不同方向上物理性質(zhì)的不同。

11、15 有的物質(zhì)能夠生成種類(lèi)不同的幾種晶體，因?yàn)槲镔|(zhì)微粒能夠形成不同的晶體結(jié)構(gòu)。例如碳原子如果按左圖排列就成為石墨，按右圖排列就成為金剛石。石墨是層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間距離較大，作用力較弱，沿著這個(gè)方向容易把石墨一層層地剝下層狀結(jié)構(gòu)決定了它的質(zhì)地松軟，可用來(lái)制作粉狀潤(rùn)滑劑，或鉛筆心。 金剛石中碳原子間的作用力很強(qiáng)，金剛石有很大的硬度，可用來(lái)切割玻璃如果把它裝在鉆探機(jī)的鉆頭上，能夠鉆入堅(jiān)硬的巖石。 石墨和金剛石，除了力學(xué)性質(zhì)不同外，其他物理性質(zhì)也有很大差異，例如石墨的密度小，金剛石的密度大；石墨能導(dǎo)電，金剛石不能導(dǎo)電1617秦嶺巖石褶曲結(jié)構(gòu)圖 水下金字塔呈階梯式 層狀地層18現(xiàn)場(chǎng)挖掘的泥巖19正長(zhǎng)石

12、KAlSi3O8或K2OAl2O36SiO2 20Na【AlSi3O 8】( Na 2O8Al 2O36SiO2 ) Ca【Al 2Si2O8】( CaOAl 2O32SiO2 ) 斜長(zhǎng)石 白云母（Mg，F(xiàn)e）3AlSi3O10OH2 角閃石Ca2Na（Mg，F(xiàn)e）4（Al，F(xiàn)e）（Si，Al）4O112OH 21 普通輝石 鈣鐵輝石（Ca）（Fe）（Si，Al）2O6 珠寶盒輝石 方解石CaCO3 22 橄欖石（Mg，F(xiàn)e）2SiO4 橄欖石（Mg，F(xiàn)e）2SiO4 23白云石 CaMgCO32,CaO30.41%，MgO21.86%，CO247.73%。 白云石 CaMgCO32,CaO3

13、0.41%，MgO21.86%，CO247.73%。 白云石白云石高嶺石 Al4Si4O10OH8 或Al2O32SiO22H2高嶺石 Al4Si4O10OH8 或Al2O32SiO22H2高嶺石高嶺石赤鐵礦Fe2O3、褐鐵礦 FeO（OH）nH2O、磁鐵礦 Fe3O4 或FeOFe2O3 242526271、常見(jiàn)巖石結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)有哪兩種類(lèi)型？什么叫巖石的結(jié)構(gòu)？ 主要有結(jié)晶聯(lián)結(jié)、膠結(jié)聯(lián)結(jié)。 是指巖石中礦物（及巖屑）顆粒之間的關(guān)系，包括顆粒大小、形狀、排列、結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)特點(diǎn)以及巖石中的微觀結(jié)構(gòu)面（即內(nèi)部的缺陷）。2、巖石中的礦物顆粒是靠什么作用聯(lián)結(jié)在一起的？何謂膠結(jié)聯(lián)結(jié)？沉積巖膠結(jié)聯(lián)結(jié)有幾種類(lèi)型？ 一是

14、由膠體膠結(jié)在一起，或在顆粒的界面處靠接觸力聯(lián)結(jié)在一起的。是指顆粒間通過(guò)膠結(jié)物（例如：硅質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)和泥質(zhì)膠結(jié)物）膠結(jié)在一起的聯(lián)結(jié)。如沉積碎屑巖、部分粘土巖的聯(lián)結(jié)。主要有三種類(lèi)型。即基質(zhì)膠結(jié)、接觸膠結(jié)和孔隙膠結(jié)。3、在某些條件下巖石抵抗外力能力取決于礦物哪些性質(zhì)？ 取決于礦物的成分、結(jié)構(gòu)、抗風(fēng)化能力，穩(wěn)定性，酸堿程 第一章 課堂練習(xí)4、舉例說(shuō)明礦物成分中易溶礦物對(duì)巖石強(qiáng)度的有何影響？ 例如鉀鹽（石膏、粘土礦物、巖鹽）等均為易溶礦物。它們?cè)?水的作用下容易被溶蝕，使巖石的孔隙度加大，結(jié)構(gòu)變松，輕度降低。28度，孔隙、裂隙，弱雜質(zhì)含量，硬度、強(qiáng)度、解理、劈裂方向、聯(lián)結(jié)形式等。5、沉積巖中的泥（頁(yè)）

15、巖是由哪些礦物顆粒組成的？ 泥（頁(yè)）巖是壓實(shí)了的粘土，一般是由具有微米級(jí)（小于0.01mm）高嶺土、膠嶺土、云母和石英的細(xì)顆粒所組成的。6、什么叫巖石的層理、片理各向異性？ 層理定義為在垂直方向上巖石成分變化的情況。 片理是指巖石沿平行的平面分裂為薄片的能力。 各向異性表現(xiàn)在它的強(qiáng)度及變形特性的差異。7、解釋巖石變形特征和強(qiáng)度特征力學(xué)含義？ 巖石的變性特征是指巖石試件在各種載荷作用下的變形規(guī)律，包括彈性、塑性、粘性流動(dòng)和破壞規(guī)律，他反映了巖石的力學(xué)屬性。 巖石的強(qiáng)度特征是指巖石試件在載荷作用下開(kāi)始破壞的最大應(yīng)力（強(qiáng)度極限），以及應(yīng)力與破壞之間的關(guān)系，它反映了巖石抵抗破壞的能力和破壞規(guī)律。8、舉例說(shuō)明巖石中礦物硬度高是否巖石強(qiáng)度一定高？ 不一定。就大部分巖石講，兩者之間有相應(yīng)的關(guān)系。但是，巖石中礦物的硬度和巖石的強(qiáng)度是兩個(gè)既有聯(lián)系而有不同的概念。即使組成巖石的礦物是堅(jiān)硬的，巖石的強(qiáng)度不見(jiàn)得一定就高，因?yàn)榈V物之間的聯(lián)結(jié)可能是弱的。例如沉積巖中砂巖的強(qiáng)度常隨石英的相對(duì)含量的增加而增大，如果沉積巖中的硅質(zhì)膠結(jié)物越多，則硬度也高；如果泥質(zhì)膠結(jié)物占主要，而且呈接觸膠結(jié)，盡管石英的含量高，巖石的強(qiáng)