講6巖石力學(xué)性質(zhì)

第五章巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì)是巖石受力作用下的反映。巖石力學(xué)性質(zhì)是指巖石變形特征及巖石的力學(xué)強(qiáng)度。巖石變形與巖石本身力學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系。脆性變形韌性變形為什么要研究巖石的力學(xué)性質(zhì)？巖石力學(xué)性質(zhì)研究的途徑（1）觀察天然巖石的力學(xué)現(xiàn)象（天然露頭等）；（2）實驗室內(nèi)對巖石進(jìn)行變形實驗；（3）在野外對巖體進(jìn)行實地試驗；（4）理論分析和數(shù)值模擬。塑性變形脆性變形天然巖石變形0.1MPa高溫流變儀樣品裝置示意圖實驗室?guī)r石變形實驗σ1σ2=σ3=圍壓σ1=σ2=圍壓σ1σ3σ3差應(yīng)力（differentialstress）σ=σ1-σ3在受到外界應(yīng)力作用時，固體材料的力學(xué)響應(yīng)具有很大變化性。即使對某種特定的材料，它的力學(xué)響應(yīng)也要取決于變形的物理和化學(xué)條件。目前，人們將材料的力學(xué)響應(yīng)主要劃分為彈性（elastic）、粘性（viscous）和塑性（plastic）等類型。巖石力學(xué)性質(zhì)的一些基本概念（一）彈性變形：指物體在外力作用下變形，當(dāng)外力除去后物體能完全恢復(fù)原狀。具有這種性能的物體稱為彈性體，它的變形稱為彈性變形。彈性分理想彈性和非理想彈性。理想彈性體的變形是可逆過程，它的應(yīng)力與應(yīng)變之間有一個確定的單值關(guān)系，符合虎克定律：

σ=Ee

其中E為楊氏彈性模量。巖石變形的應(yīng)力－應(yīng)變曲線非理想彈性體的變形：受力不立即產(chǎn)生全部彈性變形，而是隨著時間的延長逐漸增大彈性變形到應(yīng)有的值；當(dāng)撤除外力后，也不立即恢復(fù)原狀，而是隨時間延長逐漸恢復(fù)原狀。這種現(xiàn)象稱為彈性后效（即滯彈性）。巖石彈性變形通常表現(xiàn)為滯彈性（anelastic）。巖石的滯彈性具有重要意義，上地幔的地震波衰減就被認(rèn)為與巖石的滯彈性有關(guān)。滯彈性（anelastic）巖石變形的應(yīng)力－應(yīng)變曲線隨著變形繼續(xù)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線斜率變小，這時如果撤除應(yīng)力，曲線并不回到原點，而與e軸交于e1，說明試樣由于超出其彈性極限而發(fā)生了永久變形。這個極限點的應(yīng)力叫屈服應(yīng)力σy（yieldstress）。

塑性變形是指物體在外力施加的同時產(chǎn)生變形，但在外力解除之后，變形永遠(yuǎn)不會自動恢復(fù)的這種性能，具有這種性能的物體稱為塑性體，它的變形稱為塑性變形。在應(yīng)力不超過某一臨界值σy的條件下，理想塑性材料可以持續(xù)永久變形，在這一臨界值之下，材料不發(fā)生變形。巖石力學(xué)性質(zhì)的一些基本概念（二）巖石變形的應(yīng)力－應(yīng)變曲線巖石變形的應(yīng)力－應(yīng)變曲線σy理想塑性材料的力學(xué)行為巖石變形的應(yīng)力－應(yīng)變曲線巖石變形的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

韌性和塑性區(qū)別韌性（延性）是用來描述允許大應(yīng)變，以宏觀均質(zhì)變形為特征，而不管所包括的微觀變形機(jī)制如何的流變性質(zhì)。塑性是一種永久變形，它涉及晶內(nèi)的位錯運動的微觀機(jī)制，可能還包括擴(kuò)散。巖石變形機(jī)制通常有三種：（1）碎裂機(jī)制（cataclasis）；（2）晶內(nèi)塑性（intracrystallineplasticity）（3）物質(zhì)擴(kuò)散流動（flowbydiffusivemasstransfer）脆－韌性轉(zhuǎn)化－從宏觀上描述脆－塑性轉(zhuǎn)化－從微觀機(jī)制上描述脆－塑性轉(zhuǎn)換域是一個十分重要的問題，地球上大部分地震都發(fā)生在脆－塑性轉(zhuǎn)換域的深度。世界上一些地區(qū)地震震源深度分布柱狀圖（據(jù)Maggietal.,2000a）巖石力學(xué)性質(zhì)的一些基本概念（三）流體粘性是流體內(nèi)部各流層之間相對滑動時，層面間存在一種內(nèi)摩擦效應(yīng)。流體沿著x方向流動的n個不同流層。它們的流速?是y的函數(shù)，?在y軸方向的變化率稱為速度梯度，d?/dy。同一位置上的剪應(yīng)力（摩擦阻力）與速度梯度呈正比關(guān)系τ=ηd?/dyη粘度（Pa·s）（1）式中可作下列變換（1）改寫為（1）、（3）式稱為線性粘性定律（牛頓粘性定律），服從牛頓粘性定律的材料稱為牛頓流體（或線粘性流體）。具牛頓粘性變形稱為粘性流體變形。（2）（1）（3）（4）理想粘性材料的力學(xué)行為彈塑性變形—指有些物體同時具有彈性和塑性的性能。在彈塑性變形中，有一部分是彈性，其余為塑性變形。既具有彈性，又能發(fā)生粘性流動的材料，稱為粘彈性，它所表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)，稱為粘彈性。如蛋清就是一種粘彈性體。巖石在長期力作用下是一種同時具有彈性和塑性的物質(zhì)，這種彈性和塑性是指在彈性范圍內(nèi)顯現(xiàn)的彈性和塑性；當(dāng)巖層具有高度塑性時還能發(fā)生半粘性流動。巖石也是一種粘彈性體，它不像蛋清這樣明顯，這主要是它的流動需要在長時間載荷下表現(xiàn)出來。對于固體或流體而言，溫度越高，粘度越低，反映易流動性越大。巖石具有非常緩慢的流動性。粘度是衡量地球動力學(xué)的一個重要參數(shù)。近代，人們把物體所有這些力學(xué)性質(zhì)概括為物質(zhì)的流變性（rheologicalproperties），并形成一門新興學(xué)科－流變學(xué)（rheology）流變學(xué)是研究固體物質(zhì)流動的科學(xué)。因此，從近代地球科學(xué)觀念來看，地球物質(zhì)具有流變性。把研究地球物質(zhì)流動性質(zhì)和規(guī)律的科學(xué)，稱為“地球流變學(xué)（RheologyofEarthMaterials）”。影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素應(yīng)力→應(yīng)變→巖石力學(xué)性質(zhì)

→影響因素應(yīng)力和應(yīng)變是巖石或地塊在外界力影響下的重要響應(yīng)。應(yīng)力是物理方面的反映之一，應(yīng)變是幾何學(xué)方面的反映之一；巖石力學(xué)性質(zhì)－是指在應(yīng)力和應(yīng)變作用下，巖石出現(xiàn)塑性變形或脆性變形（破裂）的條件；巖石力學(xué)性質(zhì)是約束巖石變形和構(gòu)造幾何特征的重要條件。例如同樣的壓應(yīng)力作用在不同巖層上，力學(xué)表象不同： 在柔性巖層中→褶皺構(gòu)造 在相對硬巖層中→斷裂構(gòu)造 在軟硬相間巖層中→香腸構(gòu)造影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素各向異性對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響；圍壓對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響；溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響；孔隙流體對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響；時間因素對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。總之，巖石的變形是環(huán)境、時間和材料的函數(shù)。巖性和各向異性的影響巖石組成的成分不同的影響；不同巖石具有不同的力學(xué)強(qiáng)度，例如花崗巖的擠壓強(qiáng)度是頁巖擠壓強(qiáng)度的8倍；巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同（層理引起的力學(xué)各向異性）；不同巖石剪切破裂角有明顯變化。巖石材料分類巖石材料在力學(xué)上可以分為均勻和非均勻材料。均勻材料在力學(xué)上是各向同性的或各向異性的。力學(xué)性質(zhì)各向異性是指物體內(nèi)同一點各個方向上力學(xué)性質(zhì)不同。橄欖石單晶體圍壓對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響增大圍壓的效應(yīng)有兩方面：增大了巖石極限強(qiáng)度；增大了巖石的韌性。溫度的影響溫度使影響巖石力學(xué)性質(zhì)和流變強(qiáng)度的一個重要因素。溫度的升高使巖石的韌性增大，屈服強(qiáng)度降低；溫度升高和圍壓增加，導(dǎo)致巖石從脆性向韌性過渡，孕育著發(fā)震層；溫度對瀝青的變形強(qiáng)度影響是一個很生動的例子（夏天的瀝青和冬天的瀝青強(qiáng)度大不一樣）孔隙流體的影響孔隙流體對巖石力學(xué)性質(zhì)影響表現(xiàn)為兩個方面：物理方面影響和化學(xué)方面影響。當(dāng)巖石中流體含量增加時，巖石強(qiáng)度降低。流體促使礦物在應(yīng)力作用下的溶解和重結(jié)晶，從而促使塑性變形；產(chǎn)生孔隙流體壓力效應(yīng)：地殼中流體孔隙壓力（靜水壓力）為靜巖壓力的40％。在變形過程中孔隙壓力（Pp）的作用會抵消圍壓（Pc）的作用，對變形實際起作用時有效圍壓（Pe）Pe=Pc-Pp有效壓力（Pe）降低，使巖石易于破裂，強(qiáng)度降低?？紫秹毫π?yīng)對巖石破裂的影響莫爾圓I－代表孔隙壓力為零時應(yīng)力狀態(tài)，巖石是穩(wěn)定的，未破裂；莫爾圓II－總正應(yīng)力（橫坐標(biāo)）不變，σe正應(yīng)力減小，σe=σ-σc，巖石發(fā)生破裂。流體的化學(xué)反應(yīng)和水弱化作用硅酸鹽礦物在高壓和高溫條件下的水弱化作用

[Si-O-Si]+H2O→X→2[SiOH](Freiman,1984) X是活化了的化合物。水弱化結(jié)果：產(chǎn)生大量擴(kuò)張應(yīng)變，誘發(fā)裂紋尖端高應(yīng)力；Si-O共價鍵被H-O代替，加速巖石塑性變形；H-O鍵加速熱力學(xué)的反應(yīng)；H2O含量增加，降低巖石熔點，加速熔體弱化。時間影響因素與實驗室?guī)r石力學(xué)研究不同，地質(zhì)條件的巖石變形時間很長，一個造山帶變形要經(jīng)歷幾百萬年才完成。應(yīng)變速率的影響（?=ε/t）?降低，材料強(qiáng)度降低，向韌性方向轉(zhuǎn)變（例如用不同?

沖擊瀝青，變形結(jié)果是不一樣的）隕石的碰撞或地震是快速?阿爾卑斯山變形速率10-12/s-10-14/s左右時間對巖石蠕變和松弛的影響蠕變是在恒定應(yīng)力作用下，應(yīng)變隨時間持續(xù)增加的變形。蠕變的結(jié)果在低于巖石彈性極限的情況下使巖石產(chǎn)生永久變形。松弛是在恒定變形情況下，巖石中應(yīng)力隨時間增長不斷減小。松弛的結(jié)果：使部分彈性變形轉(zhuǎn)化為永久變形，相當(dāng)于降低了巖石的彈性極限。蠕變和松