1、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)05第五章巖石力學(xué)性質(zhì)課件構(gòu)造地質(zhì)學(xué)05第五章巖石力學(xué)性質(zhì)課件 巖石在應(yīng)力作用下變形時，同一變形條件下，不同巖石的變形習(xí)性（行為）是不一樣的。如 玄武巖、石英巖彈性 灰?guī)r、泥灰?guī)r彈塑性 泥巖、頁巖塑性等概述： 但是巖石變形行為不僅取決于物體本身的性質(zhì)，而且還取決于壓力P、溫度T、時間t等物理環(huán)境” 即變形控制因素。概述： 但是巖石變形行為不僅取決于物體本身的性質(zhì)，而且還 變形控制因素巖性控制因素 礦物、巖性、孔隙度、巖體不均勻程度 、流體成分等物理環(huán)境控制因素P.T.t.應(yīng)力、溫度、時間、應(yīng)變速率、流體壓力（Pf)、差異應(yīng)力（13）等 變形控制因素巖性控制因素 物理環(huán)1、一般實驗條件

2、下巖石變形行為實驗表明巖石變形一般經(jīng)過三個階段彈性變形塑性變形脆性變形（破裂變形)1、一般實驗條件下巖石變形行為、彈性變形階段：巖石變形的一般化應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖解上為一陡傾斜的直線，說明：應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系，應(yīng)力卸載，巖石變形恢復(fù)原狀，這種變性行為稱彈性變形。符合胡克定律-應(yīng)力和應(yīng)變呈正比。Ee E-（彈性模量） 如果在彈性范圍內(nèi)，有些巖石可能破壞，這種效應(yīng)稱為脆性破壞、彈性變形階段：巖石變形的一般化應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖解上為一 .塑性變形階段繼續(xù)變形，應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率變小，這時撤去應(yīng)力，曲線并不回到原點，超出了彈性極限而發(fā)生永久變形，這個極限點稱為屈服點，該點的應(yīng)力叫屈服應(yīng)力（y）。屈服應(yīng)力

3、屈服點 屈服應(yīng)力屈服點 當(dāng)應(yīng)力超過屈服點的永久變形叫塑性變形。若在屈服應(yīng)力下，巖石以韌性方式連續(xù)變形，（斜率=0），這種巖石稱為完全塑性材料。沒有載荷，變形繼續(xù)增大。 當(dāng)應(yīng)力超過屈服點的永久變形叫塑性變形。若在屈服應(yīng)如果超過屈服點，繼續(xù)塑性變形，需施加更大的應(yīng)力超過屈服應(yīng)力，這個過程稱應(yīng)變硬化或加工硬化。經(jīng)過一段應(yīng)變硬化的塑性變形后卸載，應(yīng)力應(yīng)變曲線回到e表明總的永久變形。應(yīng)變硬化如果超過屈服點，繼續(xù)塑性變形，需施加更大的應(yīng)力超過屈服應(yīng)力，如果將同樣應(yīng)力繼續(xù)加上去，應(yīng)力應(yīng)變曲線則沿以前路徑回到塑性變形位置上，好像增大了彈性范圍和增高了屈服應(yīng)力（）。因此應(yīng)變硬化可以看作屈服強度隨遞進(jìn)變形而連續(xù)升

4、高。P 應(yīng)變硬化 如果在撤去應(yīng)力后過了一段時間再增加應(yīng)力，則新的屈服點一般低于以前的塑性曲線（紅色曲線）如果將同樣應(yīng)力繼續(xù)加上去，應(yīng)力應(yīng)變曲線則沿以前路徑回到塑性 應(yīng)變硬化在地質(zhì)上主要研究塑性變形（如褶皺）和斷裂變形，如張裂和剪裂破壞階段： 當(dāng)應(yīng)力超過一定值時，巖石再繼續(xù)變形，就會以某種方式發(fā)生破壞破裂，此時的應(yīng)力值稱為巖石的極限強度（或強度）。巖石在破裂前塑性變形在5%以下，稱為脆性，若塑性變形超過5%，則稱為韌性。 應(yīng)變硬化在地質(zhì)上主要研究塑性變形（復(fù)習(xí)應(yīng)力莫爾圓1(a a) 3D02aaD/a1133（1）當(dāng)=0時， =1，= 0（2）當(dāng)=90時，=3，= 0；（3）當(dāng)=45或135時，

5、= 最大（4）當(dāng)1=3，= 0時,均壓無剪應(yīng)力為 (1-3) / 2,即主應(yīng)力差一半；在 三維狀態(tài)中，當(dāng)1= 2 = 3 時，為靜水壓力。物理意義max莫爾圓周上的任一點D的坐標(biāo)代表其法線與1軸成角的截面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力值，它們?nèi)Q于兩個主應(yīng)力的大小以及截面與1軸的夾角大小有關(guān)。 應(yīng)用： 已知兩個相互垂直的應(yīng)力，就可以做出莫爾園，從而確定該點應(yīng)力狀態(tài)；同樣，已知一點的兩個方向主應(yīng)力的大小和方位，也能將該點的應(yīng)力狀態(tài)確定。ACBS1S2a=45，(1-3) / 2-a復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)應(yīng)力莫爾圓1(a a)3D02aaD/、巖石的脆性破壞從力學(xué)分析來看，斷裂分為張裂和剪裂。前者垂直拉伸方向，后者是呈45

6、0斜交擠壓方向。拉張裂面113 張裂面平行最大應(yīng)力軸（1）垂直最小應(yīng)力軸（）1與剪切面夾角，剪應(yīng)力 最大，理論上應(yīng)該沿此面剪切破裂33拉3 1共軛剪裂面 剪裂角 2 共軛剪裂角（包含1的象限，夾角）1、巖石的脆性破壞拉張裂面113 張裂面平行最大應(yīng)剪節(jié)理照片舉例棋盤格式構(gòu)造菱形結(jié)環(huán)式構(gòu)造共軛剪裂角小于900剪節(jié)理照片舉例棋盤格式構(gòu)造菱形結(jié)環(huán)式構(gòu)造共軛剪裂角小于內(nèi)蒙古九神廟板巖中的共軛節(jié)理砂巖中的共軛剪節(jié)理火山巖中的剪節(jié)理？1在什么位置內(nèi)蒙古九神廟砂巖中的共軛剪節(jié)理火山巖中的剪節(jié)理？1在什長江之源格拉丹東主冰川前緣冰舌-共扼剪裂長江之源格拉丹東主冰川前緣冰舌-共扼剪裂圖片可見，在野外經(jīng)?？吹降牟?/p>

7、是棋盤格式構(gòu)造，而是剪裂角常常小于，這個現(xiàn)象有不同解釋，提出了許多剪裂理論。一、庫倫剪切破裂準(zhǔn)則所謂準(zhǔn)則，指的是基本條件是什么，庫倫指出，假定材料的破壞，取決于最大剪切應(yīng)力，按照這個理論建立的條件是： （）為抗剪強度極限理論上，破裂面應(yīng)沿最大剪應(yīng)力面產(chǎn)生，形成棋盤格式構(gòu)造。剪裂角 ？圖片可見，在野外經(jīng)?？吹降牟皇瞧灞P格式構(gòu)造，而是剪裂角常 該式為庫倫剪切破裂準(zhǔn)則關(guān)系式，為內(nèi)摩擦角。庫倫解釋是巖石抗剪強度與剪應(yīng)力和正應(yīng)力有關(guān)，因此將（）式改為： 0 n （）：斷裂極限剪應(yīng)力；0： n 時的抗剪強度（即巖石內(nèi)聚力）； n剪切面上正應(yīng)力，為摩擦系數(shù)，即直線方程的斜率；因= tan（）可改寫為 ： 0

8、 n tan （） 該式為庫倫剪切破裂準(zhǔn)則關(guān)系式，為內(nèi)摩擦角。庫倫解釋是巖石拉3 3 1共軛剪裂面 2 共軛剪裂角共軛剪裂角2 剪裂角 /2 拉1 2 修正后理論上剪應(yīng)力最大，應(yīng)該沿此發(fā)生破裂2實際上剪切破裂面與主應(yīng)力夾角小于理論上破裂面實際的破裂面1331拉3 3 1共軛剪裂面 2 共軛剪裂 0 n tan （）該線代表巖石受剪切時的破裂線。圓和切線D代表剪切方位和應(yīng)力狀態(tài)，DD13破裂線外是破裂區(qū)。破裂線內(nèi)是穩(wěn)定區(qū)， 1與剪切面夾角取決于內(nèi)摩擦角的大小。即越大， 越小，破裂區(qū)穩(wěn)定區(qū)破裂線破裂線若已測定了0 和，抗剪強度可以用此式求得。所以， 0 n tan （）該線代表巖石受剪 實驗得出不

9、同的巖石內(nèi)摩擦角是不同的，脆性巖石的內(nèi)摩擦角大于韌性巖石的內(nèi)摩擦角。常溫常壓下某些巖石的剪破裂角可見，內(nèi)摩擦角在300左右，這就解釋了為什么共軛剪裂角小于900，常見為600；而剪裂角小于450的原因所在，從而解釋了共軛剪節(jié)理呈菱形結(jié)環(huán)產(chǎn)出的原因 實驗得出不同的巖石內(nèi)摩擦角是不同的，脆性巖石的內(nèi)摩擦角二摩爾包絡(luò)線理論 摩爾發(fā)現(xiàn)：圍壓（正應(yīng)力）的大小是影響剪裂角大小的根本原因（圍壓大大；圍壓小?。?。因此，破裂線常為曲線（摩爾包絡(luò)線），其表達(dá)式：不同圍壓下的大理巖破裂夾角的大小n f（n ） 該式是曲線方程式，n，n代表各種應(yīng)力狀態(tài)下，在即將發(fā)生剪破裂的截面上的極限應(yīng)力值。二摩爾包絡(luò)線理論 摩爾發(fā)

10、現(xiàn)：圍壓（正應(yīng)力）的大小是影響剪DD摩爾包絡(luò)線摩爾包絡(luò)線不同圍壓下巖石發(fā)生剪切破裂時的莫爾包絡(luò)線A砂巖；B頁巖剪裂角大小與巖石所處溫度、應(yīng)力條件有關(guān)。如頁巖隨圍巖的增加， 值逐漸減小，其包絡(luò)線成為一條弧形曲線。DD摩爾包絡(luò)線摩爾包絡(luò)線不同圍壓下巖石發(fā)生剪切破裂時的莫摩爾包絡(luò)線給我們啟示是：1、 可以確定巖石在不同的1和3值下出現(xiàn)的穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)2、 1和破裂面夾角隨應(yīng)力增加而增大，因而圍壓增大（深度越大） 越趨于450.越接近地表，則角度越小3、 值大時，巖石為脆性，相反，則為韌性，即是說，讓巖石在一個相當(dāng)?shù)纳疃壤锇l(fā)生變形，則脆性巖石可變?yōu)轫g性巖石。因此在野外調(diào)查時，根據(jù)共軛破裂面的銳角確定

11、1和3的方位。這個準(zhǔn)則不包括地殼較深處形成的剪切破裂。含1 則為純角。4、巖石抗拉強度比抗壓強度要小的多，脆性巖石尤其如此摩爾包絡(luò)線給我們啟示是：3、 影響巖石變形習(xí)性的因素 巖石變形特征，不僅取決于作用力的大小和方式，更取決于本身的力學(xué)性質(zhì)及變形時的外部條件。一、巖石的本身性質(zhì)大多數(shù)巖石是具各向異性的（材料在各方向的力學(xué)和物理性能呈現(xiàn)差異的特性），如巖石中發(fā)育的原生層理和次生面理，都能引起巖石的各向異性。巖石各向異性的影響3、 影響巖石變形習(xí)性的因素 巖石變形特征，不僅取決于1與面理 平行時, 破裂所需差異應(yīng)力13350105 pa。1與面理 呈30時,破裂所需差異應(yīng)力36105 pa,1與

12、面理呈 90（垂直）, 破裂所需差異應(yīng)力為1000105 pa 可以看出,巖石的各項異性對巖石破裂時所需差異應(yīng)力是不同的。 實驗證明：1與面理 平行時, 破裂所需差異應(yīng)力13350巖石的能干性 用來描述巖石變形相對強度的差異。根據(jù)能干性的差異分成能干的（強的）和不能干的（弱的）。意指在相同變形條件下，能干的巖石比不能干的巖石不易發(fā)生粘性流動。注意！能干性是相對的。 韌性：它的確定不依賴于巖石的強度，指在巖石破裂前有更高的應(yīng)變，或是巖石沒有顯示脆性狀態(tài)之前能夠承受較大應(yīng)變的能力。有人認(rèn)為應(yīng)變量要大于10的材料，叫韌性。 如何確定哪些巖層能干，哪些是不能干的呢？可以根據(jù)構(gòu)造特征的觀察來確定，并排出

13、能干性的大小順序。巖石的能干性 用來描述巖石變形相對強度的差異。根據(jù)能干確定能干性差異常見的幾種方法：有限應(yīng)變狀態(tài)的對比。在同一條件下，能干巖石比不能干的巖石發(fā)生的有限應(yīng)變小些。（通過應(yīng)變測量得出）劈理折射的對比。劈理在兩種不同的巖性界面上發(fā)生折射，即在能干性較低的巖層中劈理與層理的夾角小。相反，在能干性較高的巖層中劈理與層理的夾角大。 確定能干性差異常見的幾種方法：有限應(yīng)變狀態(tài)的對比。在同一條北京西山孤山口白云巖變形與鈣質(zhì)千枚巖變形差異。白云巖能干層千枚巖不能干層北京西山孤山口白云巖變形與鈣質(zhì)千枚巖變形差異。白云巖能干層千香腸構(gòu)造的對比香腸構(gòu)造的對比 褶皺形態(tài)對比：能干巖石（層）形成較大的波

14、長 褶皺形態(tài)對比：能干巖石（層）形成較大的波長巖石的能干性與本身的礦物、粒度、膠結(jié)、固化程度等有關(guān)巖石的能干性與本身的礦物、粒度、膠結(jié)、固化程度等有關(guān)二、巖石隨深度增大的影響 巖石處于地殼的深度不同，其變形環(huán)境有很大不同，原因是圍壓和溫度隨深度而增大。 圍壓大增加巖石極限強度，提高巖石的韌性；溫度升高，巖石強度極限降低，巖石易于發(fā)生剪切流動。 因此自地表向下，隨圍壓和溫度的增加，巖石由脆性逐漸變?yōu)轫g性粘性流動。因而巖石的變形習(xí)性及變形機制隨深度而變，這就是構(gòu)造層次的概念。與深度有關(guān)的環(huán)境因素主要就是圍壓和溫度。二、巖石隨深度增大的影響 巖石處于地殼的深度不同，其變形環(huán)圍壓溫度熔融韌性脆性剪切撓

15、曲壓扁流動 巖石隨P-T條件的變化而呈現(xiàn)變形習(xí)性及相應(yīng)的主要變形機制圍壓溫度熔融韌性脆性剪切撓曲壓扁流動 巖石隨P-T條件的理想的地殼一段剖面，剖面顯示了各構(gòu)造層次構(gòu)造樣式理想的地殼一段剖面，剖面顯示了各構(gòu)造層次構(gòu)造樣式三巖石變形的時間因素 在地質(zhì)條件下，巖石變形是長期的，通常要以百萬年為單位，因此評價時間因素對巖石變形的效應(yīng)具有關(guān)鍵意義。 時間因素對巖石的力學(xué)性質(zhì)與變形的影響有三個方面。 1、應(yīng)變速率的影響 施力快慢直接影響到巖石的變形行為。如瀝青、麥芽糖等韌性物質(zhì) 快脆性變形；慢塑性變形原因：在快速施力下，物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點無調(diào)整的機會，在慢速下，質(zhì)點可以重新調(diào)整而穩(wěn)定。三巖石變形的時間因素 2、

16、 重復(fù)施力多次施力、壓，即是很小力，亦可引起材料的破壞。(折斷鐵絲)原因：多次施力，可使物體疲勞。 3蠕變：在應(yīng)力長期的時間作用下，巖石也會發(fā)生緩慢的永久變形，這種與時間相關(guān)的變形稱為蠕變。 彈性蠕變可以恢復(fù)變形 永久蠕變不能恢復(fù)變形玻璃在常溫常壓下為脆性，但英國古老教堂的窗戶玻璃，因經(jīng)受幾百年的重力作用，造成上薄下厚，表明發(fā)生了塑性變形。 2、 重復(fù)施力玻璃在常溫常壓下為脆性，但英國古老教堂的t0t1t2t3t4t5撤出應(yīng)力第一期第二期第三期破壞永久應(yīng)變應(yīng)變時間De/dt 常量第一期瞬時蠕變階段：初期應(yīng)變速率大，而后變小。代表延后的彈性蠕變變形，因為應(yīng)力撤出(t1),直到(t2)完成,彈性后

17、效現(xiàn)象。該期變形階段之后，接著就是應(yīng)變速率De/dt 近于常量，稱為第二期穩(wěn)態(tài)蠕變。巖石應(yīng)變速率最小，呈塑性變形。應(yīng)力撤出(t3),經(jīng)過瞬時和延遲的彈性回復(fù)(t4),但留下永久應(yīng)變。 蠕變實驗：應(yīng)力開始作用(t0),巖石經(jīng)歷了短暫彈性應(yīng)變階段。t0t1t2t3t4t5撤出應(yīng)力第一期第二期第三期破壞永久應(yīng)t0t1t2t3t4t5撤出應(yīng)力第一期第二期第三期破壞永久應(yīng)變應(yīng)變時間De/dt 常量實驗證明：巖石具有一應(yīng)力臨界值或蠕變強度。小于它，巖石變形習(xí)性表現(xiàn)為固體，高于蠕變強度就表現(xiàn)為塑性流動。第三期加速蠕變階段，應(yīng)變速率增加，材料破壞。t0t1t2t3t4t5撤出應(yīng)力第一期第二期第三期破壞永久應(yīng)松

18、弛保持應(yīng)變不變，應(yīng)力隨時間而減小。（相當(dāng)于降低了巖石的彈性極限）（1）、應(yīng)力隨時間減小，松弛速度急劇下降。（2）、應(yīng)力經(jīng)很長時間后可趨于一極限值實踐證明：在地質(zhì)上巖石能否在很長時間的極小差異應(yīng)力下不斷變形，需要一定的溫度和壓力條件，因為它一般發(fā)生在地殼深層或它具備有利于蠕變之條件的地方，如某些強變形帶中。松弛保持應(yīng)變不變，應(yīng)力隨時間而減小。（相當(dāng)于降低了巖石的四孔隙流體（巖石孔隙內(nèi)流體壓力）對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響巖石孔隙內(nèi)流體的壓力稱孔隙壓力，影響有兩個方面： （1）巖石富含流體時，可使巖石強度降低，而易于變形即所產(chǎn)生的孔隙流體壓力效應(yīng)， （2）孔隙流體的存在可促進(jìn)礦物在應(yīng)力作用下溶解遷移和重結(jié)

19、晶，從而促進(jìn)了巖石的塑性變形。 所以，孔隙壓力的增大，可使巖石的屈服強度降低，而易于變形。 四孔隙流體（巖石孔隙內(nèi)流體壓力）對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響構(gòu)造地質(zhì)學(xué)05第五章巖石力學(xué)性質(zhì)課件有效圍壓 Pe = Pc (圍壓)Pp (孔隙壓力) 。如圖所示:隨著孔隙壓力的逐漸增大，雖然外加總正應(yīng)力不變，但有效正應(yīng)力逐漸減小，應(yīng)力圓向左移動。一旦應(yīng)力圓移到圓處，與莫爾包絡(luò)線相切，巖石就要破壞。 因此，孔隙壓力增大，屈服強度降低，巖石易于破裂，這對解釋推覆構(gòu)造，重力滑動構(gòu)造的形機制很有意義。有效圍壓 Pe = Pc (圍壓)Pp (孔隙壓力) 。因 通過取樣實驗，進(jìn)行研究。一種是自然巖石，地球表層自然界中采來

20、的，另一種，更多的來自實驗室，用組成巖石的礦物。礦物：方解石、白云石、石英、橄欖石。巖石：單礦物組成的巖石，如石英巖、白云巖、灰?guī)r等。陶瓷，金屬（鋼、鉛、鋅等）變形機制分類： 1脆性范圍內(nèi)叫破裂作用 2塑性范圍內(nèi)叫晶格作用 3、巖石變形微觀機制 通過取樣實驗，進(jìn)行研究。一種是自然巖石，地球表層自然界中碎裂作用 破裂一旦形成，沿斷裂帶分布的巖石碎塊進(jìn)一步破裂和細(xì)?；纬筛叨绕扑榈膸r石碎塊、粉晶集合體，這一過程稱碎裂作用。 當(dāng)差異應(yīng)力足夠大時，高度破碎的巖石塊和粉晶重復(fù)破碎，粒徑不斷減小，相互間發(fā)生相對摩擦滑動和剛體轉(zhuǎn)動，因而，使整體上能承受大的變形和相對運動，這種變形過程稱碎裂流。 一、脆性變

21、形微觀機制碎裂作用 一、脆性變形微觀機制特點：1顆粒間摩擦滑動、旋轉(zhuǎn)2野外、鏡下，主要是出現(xiàn)破裂面，這是最主要的，但晶格未發(fā)生扭曲。3控制因素：主要是壓力，其次為孔隙流體壓力（P）4地殼范圍：地表向下010km之（間）內(nèi)。特點：二、巖石的塑性變形（一）晶體結(jié)構(gòu)的點缺隔與線缺陷1）晶體缺陷：在晶格結(jié)點、行列或面網(wǎng)上存在的不完整性。 2）晶體缺陷可以是生長過程中產(chǎn)生的，也可在變形過程中形成 1點缺陷： 1）空位：在晶格結(jié)點上，缺失原子 2）間隙原子：在非結(jié)點位置上出現(xiàn)原子 3）雜質(zhì)原子（替換原子）：在晶格結(jié)點上出現(xiàn)了外來原子（外來大原子、外來小原子） 二、巖石的塑性變形（一）晶體結(jié)構(gòu)的點缺隔與線缺

22、陷2線缺陷（位錯）：晶體格架內(nèi)，質(zhì)點排列的周期性被破壞成一條線的狀況 1）刃型位錯 A正刃型位錯：多余原子線從上方插入。 B負(fù)刃型位錯：多余原子線從下方插入。 刃型位錯 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)05第五章巖石力學(xué)性質(zhì)課件 圖5-6 混合型位錯混合型位錯2）螺型位錯：發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)，而不是整個界面上的位錯。見新教材P52，圖5-1-8-D3）混合型位錯：刃型、螺型位錯的綜合類型 混合型位錯2）螺型位錯：發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)，而不是整個界面 雙晶滑移1）形式：平滑移、雙晶滑移。平行滑移 雙晶滑移1）形式：平滑移、雙晶滑移。平行滑移2）運動特點：位錯線逐漸移動，類似蠶的爬行或地毯式移動。 2）運動特點：位錯線逐漸移動，類似蠶的爬行或地毯式移動。 晶體滑移運動特點 ） 地毯的省力移動方式（G.A.Dvis,19942）運動特點：位錯線逐漸移動，類似蠶的爬行或地毯式移動。 2顆粒變形： 表征波狀消光，變形紋，變形條帶，晶粒變態(tài)，晶軸旋轉(zhuǎn)等。（三）動態(tài)恢復(fù)、重結(jié)晶與細(xì)?；饔?動態(tài)恢復(fù)：在變形過程中