岩石变形行为 .pdf

讨论题应变讨论题应变 什么是线应变，剪应变挤压/拉张力或剪切力 与线应变和剪应变是怎样联系的 应变椭球体中的主应变面（XY，YZ, XZ）面 与主应力有什么关系* 递进变形的概念对构造分析有什么意义* 在Flinn图解中，三种形态的应变椭球体分别反 映岩石受到何种变形其可能的受力方式是什 么 地质构造分析的力学基础地质构造分析的力学基础 3.1 应力 3.2 应变 3.3 岩石变形行为 3.3 3.3 岩石变形行为岩石变形行为 一般实验条件下岩石的变形行为 岩石的脆性破坏 影响岩石变形的因素 岩石的塑性变形机制 3.3.13.3.1 一般实验条件下的岩石变形行为一般实验条件下的岩石变形行为 三轴压力机实 验温压可达到 1000MPb, 800℃ –用流体压力模 拟围压 3.3.1 3.3.1 一般实验条件下的岩石变形行为一般实验条件下的岩石变形行为 岩石变形阶段岩石变形阶段 弹性变形阶段 –弹性极限 塑性变形阶段 –强度（极限） 断裂变形阶段 岩石抗压强度 抗拉强度 3.3.1 3.3.1 一般实验条件下的岩石变形行为一般实验条件下的岩石变形行为 岩石变形阶段岩石变形阶段 材料性质 脆性材料断裂发生前应变量10％ 材料性质 –花岗岩 –橡胶 –粉笔 –馒头 –沥青 3.3.23.3.2 岩石的脆性破坏岩石的脆性破坏 试验和自然界宏观破裂的主要形式 – 张裂位移方向垂直于破裂面 – 剪裂位移方向平行于破裂面 3.3.2.13.3.2.1 库仑剪破裂准则库仑剪破裂准则 问题的提出 –岩石实验中破裂面与应 力圆中最大剪应力作用 面不一致 –自然界岩石实际共轭剪 裂面夹角也不是90 库仑准则的核心 –剪破裂不仅与剪应力有 关，而且与正应力有关 经验公式 τmax 3.3.2.13.3.2.1 库仑剪破裂准则库仑剪破裂准则 问题的提出 –岩石实验中破裂面与应 力圆中最大剪应力作用 面不一致 –自然界岩石实际共轭剪 裂面夹角也不是90 库仑准则的核心 –剪破裂不仅与剪应力有 关，而且与正应力有关 经验公式 3.3.2.13.3.2.1 库仑剪破裂准则库仑剪破裂准则 表达式τ＝τ０＋μσn τ 剪破裂发生时的剪应力 τ ０ 当σn＝０时岩石的抗剪强度（又称岩石内聚力） 上式可改写成τ＝τ0＋σn tgφ 截距为τ0的直线方程 3.3.2.1 3.3.2.1 库仑剪破裂准则库仑剪破裂准则 麻烦的麻烦的““角角”” φ内摩擦角 θ θ剪裂角 2 θ θ共轭剪裂面 之间的夹角 α α 应力分析中斜 截面与主平面之间的 夹角，或主应力与截 面法线之间的夹角 2 θ θ＝90－φ θ θ＝45－φ/2 2α α ＋ 2θ θ＝180 α α ＋θ θ＝90 σσσσ n n ττττ ττττ 0 0 φφφφ 2 2 2 2α α α α 2 2θ θ θ θ φφφφ 3.3.2.1 3.3.2.1 库仑剪破裂准则库仑剪破裂准则 复习关于复习关于 α α α α 截面法线，截面法线，截面法线，截面法线，////σ σ σ σ n n 方向方向方向方向 α α α α α α α α σ σ σ σ1 1 ，，，，⊥ ⊥ ⊥ ⊥主平面主平面主平面主平面 （主平面法线方向）（主平面法线方向）（主平面法线方向）（主平面法线方向） 库仑剪破裂准则库仑剪破裂准则 剪裂面与“角” φ内摩擦角 ２θ θ共轭剪裂面 之间的夹角 α α 应力分析中斜 截面与主平面之间的 夹角，或主应力与截 面法线之间的夹角 ２θ θ＝90－φ θ θ＝45－φ/2 2 α α ＋ 2θ θ＝180 α α ＋θ θ＝90 φφφφ/2/2/2/2 θ θ θ θ 最大剪应力作用面最大剪应力作用面最大剪应力作用面最大剪应力作用面 主平面主平面主平面主平面 45454545 α α α α 实际破裂面实际破裂面实际破裂面实际破裂面 3.3.2.13.3.2.1 库仑剪破裂准则库仑剪破裂准则 剪裂面与“角” φ内摩擦角 ２θ θ共轭剪裂面之 间的夹角 α α 应力分析中斜截 面与主平面之间的夹角， 或主应力与截面法线之 间的夹角 ２θ θ＝90－φ θ θ＝45－φ/2 2 α α ＋ 2θ θ＝180 α α ＋θ θ＝90 3.3.2.23.3.2.2 莫尔剪破裂准则莫尔剪破裂准则 进一步观察表明，φ（内摩擦角）与围压、岩石性质有关，不是 一个常量，因此τ＝fσn 例如，砂岩φ〧４５（图A ），页岩φ〧２３（图B ） 此外，实验证明，φ随围压增大而减小（图B ） 3.3.2.33.3.2.3 破裂准则评价破裂准则评价 “准则”初步描述了破裂过程的真实物理模式 “准则”与实验结果仍有较明显不一致 –预计的单轴抗压与抗张强度之比都过低 –莫尔包络线与实际的斜率不严格一致 尽管存在一些不足，“准则”仍然是较为合乎实 际的，广泛用于构造地质和岩石力学分析 3.3.33.3.3 影响岩石变形行为的因素影响岩石变形行为的因素 大小 方式 组成 结构构造 围压 温度 流体/溶液 孔隙压力 时间 作 用 力 岩石力学 性质 变形条件 岩石变形行为 3.3.3.13.3.3.1 岩石各向异性对变形的影响岩石各向异性对变形的影响 面构造对岩石抗压强度存在很大影响 –层理、面理、破裂面、先存软弱面 抗压强度与σ1/先存面理之间夹角α的实 验关系曲线，反映当 α 接近30时，岩石 的抗压强度最低 3.3.3.13.3.3.1 岩石各向异性对变形的影响岩石各向异性对变形的影响 σσσσ σσσσ 1 1 1 1 与先存面理的夹角与先存面理的夹角与先存面理的夹角与先存面理的夹角 3.3.3.23.3.3.2 围压围压 围压增大，岩石强度极限得 到提高，韧性增强 3.3.3.33.3.3.3 温度温度 温度升高，使 岩石韧性增大， 屈服极限降低 3.3.3.33.3.3.3 温度温度 温压关系密切 –岩石圈环境中，温度和压力随着深度的增加 而升高 脆性-韧性转换所需的围压与温度成反比 –地壳中脆韧性转换带深度 挤压环境中位于3.5公里 在拉伸环境中深达１５公里 与围压小有关 3.3.3.43.3.3.4 孔隙流体和孔隙流体压力孔隙流体和孔隙流体压力 岩石中的流体有利于物质迁移，促进压 溶、重结晶（塑性变形）作用进行，降 低岩石强度 当孔隙流体压力大到几乎等于围压时， 可以使岩石产生浮起效应 3.3.3.43.3.3.4 孔隙流体和孔隙流体压力孔隙流体和孔隙流体压力 孔隙流体压力可抵消一部分围压，减小有效围压 （Ｐe＝ＰＣ－ＰＰ），从而降低岩石强度，易于 脆性破坏发生 3.3.3.53.3.3.5 时间应变速率时间应变速率 应变速率ε 应变速率大（快速施力），易于脆性变 形 应变速率小（缓慢施力），利于塑性变 形。小应变速率降低岩石屈服极限，使 脆性材料具有韧性特征。 沥青问题的延续变形性状与时间的 关系蜡烛 3.3.3.53.3.3.5 时间时间蠕变蠕变 蠕变指应力保持 不变，应变随着 时间延续而增大 的变形行为 岩石变形具有一 临界应力值或蠕 变强度σ蠕。应 力小于该强度时， 岩石不发生蠕变 3.3.3.63.3.3.6 岩石的粘性岩石的粘性 粘性体（牛顿流体）流变与剪应力关系 τ（剪应力）＝ηe（流变） η粘度，或粘性系数，单位为ＰaＳ（帕斯卡秒） 蠕变岩石可以看作高粘度的固流体（弹粘性体） η可达1016－1022ＰaＳ –地下高温环境下，粘度系数η变小 耶鲁大理岩 Ｔ＝25℃时， η＝1022ＰaS Ｔ＝500℃时，η＝1015ＰaS –地下高围压，使岩石仍具有弹性；快速变形也有利 于岩石保持弹性性状 3.3.3.63.3.3.6 岩石的能干性岩石的能干性 “能干性”易于发生塑性流变的程度 –某种程度上，可以用岩石的粘度比表示岩石能干性 的差异 “韧性”岩石破坏前的塑性变形量。岩石的 韧性差与能干性差有联系，但不完全等同 岩石能干性取决于 –岩石的矿物组成（例如长英质矿物与云母类矿物的 区别） –粒度 –岩石结构构造（片状，块状） 3.3.4 3.3.4 岩石的塑性变形机制岩石的塑性变形机制 岩石的塑性变形机制远比脆性变形机制 复杂 绝大部分塑性变形是通过矿物单晶晶内 滑动或粒间滑动实现的 塑性变形机制有多种，包括晶内滑动和 （低温）位错滑动，高温位错蠕变，动 态重结晶，粒间滑动 3.3.4.13.3.4.1 晶内滑动和（低温）位错滑动晶内滑动和（低温）位错滑动 晶内滑动沿晶体内部一定滑移系发 生，由晶体结构所决定。滑移面通常为 高原子／离子密度面。滑移方向平行原 子／离子排列最密集的方向 –石英底面（0001） –方解石，底面，e面（机械）双晶 晶内滑移使晶粒形状改变，结晶轴发生 旋转,产生晶格优选方位 3.3.4.13.3.4.1 晶内滑动和（低温）位错滑动晶内滑动和（低温）位错滑动 石英沿着[0001]的滑移，BD为滑动面，滑动面间距不变 3.3.4.13.3.4.1晶内滑动和（低温）位错滑动晶内滑动和（低温）位错滑动 位错滑动的形成位错滑动的形成 晶内滑移在微观上，并非同时发生在整 个滑移面上 滑移首先发生在应力集中区（晶体缺陷 处），然后沿滑移面扩张，最终与晶粒 边界相交，产生一个阶梯 位错线滑移区与未滑移区的界线 3.3.4.13.3.4.1晶内滑动和（低温）位错滑动晶内滑动和（低温）位错滑动 位错滑动的形成位错滑动的形成 3.3.4.13.3.4.1晶内滑动和（低温）位错滑动晶内滑动和（低温）位错滑动 位错滑动的形成位错滑动的形成 3.3.4.13.3.4.1晶内滑动和（低温）位错滑动晶内滑动和（低温）位错滑动 位错滑动的形成位错滑动的形成 Dislocation.avi 3.3.4.13.3.4.1晶内滑动和（低温）位错滑动晶内滑动和（低温）位错滑动 应变硬化应变硬化 位错发育到一定程度，其传播受阻，形成网络和 缠结，需增大应力才能继续传播“应变硬化” 效应，使晶体变脆 位错受阻的原因低温；晶体内部的杂质；不同 方向不同滑称面上的位错相互制约 当应力大到一定量，晶体会发生破碎，因此单纯 的位错滑动，不能形成大的塑性变形量。 3.3.4.23.3.4.2 高温位错蠕变高温位错蠕变恢复作用恢复作用 高温变形机制 当Ｔ 0.3Ｔm时，恢复作用开始起重 要作用 位错攀移使符号相反的位错互相抵 消，“相同者”重新排列成位错壁，形成 亚晶粒（Subgrain）。亚晶粒内部位错 密度降低，晶体多边形化。 3.3.4.23.3.4.2 高温位错蠕变高温位错蠕变恢复作用恢复作用 3.3.4.23.3.4.2 高温位错蠕变高温位错蠕变恢复作用恢复作用 3.3.4.23.3.4.2高温位错蠕变高温位错蠕变 动态重结晶动态重结晶 高应变能储存在变形晶粒边 界和局部高位错密度处，在 较高温度下形成新生颗粒 （核幔构造） 恢复和动态重结晶作用导致 –位错密度降低，应变继续进行 –岩石不破裂而有很大塑性变形 –岩石细粒化 动态重结晶颗粒特征 –与亚晶粒相比，相邻颗粒光性差大（ 10-15），正交镜 下边界明显，呈犬牙交错状 3.3.4.33.3.4.3 扩散蠕变扩散蠕变压溶作用压溶作用 压溶作用使物质发生扩散－转移，矿物 颗粒形态发生改变 压溶作用在有粒间水膜时更易发生 压力影、矿物（集合体）的须状增生和 同构造（张性）脉都是压溶作用的产物 压溶作用在不变质或浅变质区对于岩石 的塑性变形更为重要 3.3.4.33.3.4.3 扩散蠕变扩散蠕变压溶作用压溶作用 3.3.4.43.3.4.4 超塑性流动超塑性流动颗粒边界滑动颗粒边界滑动 当岩石处在高温（Ｔ0.5Ｔm） 时可能发生粒间滑动 特点 –应变量可极大 Helvetic nappe，Alps,钙质糜 棱岩的应变量可达到1001X/Z –颗粒本身变形微弱或没有变形 –无晶格优选方位 –无亚晶构造 塑性变形机制塑性变形机制小结小结 形态改变 晶格优选 机械双晶 /晶格 位错滑移 低温 恢复作用 亚晶化 锯齿状核幔结构 重结晶 位错蠕变 T 0.3Tm高温（） 细粒化，应力释放 压力影 须状增生 张性脉 /扩散蠕变 压溶 /未 低级变质 粒间水膜 无晶格优选 无颗粒变形 无粒内变形 变形量大 粒间滑动 T 0.5Tm高温（） 塑性变形机制 本节要点本节要点 库仑剪破裂准则 –论据，表达式，图解 递进变形共轴/非共轴递进变形 岩石变形的三个阶段（应力-应变曲线） 影响岩石变形的因素（P P T t F） 塑性变形机制 思考、讨论问题思考、讨论问题 沥青是脆性材料还是塑性材料为什么 岩石变形是否一定都经历弹性、塑性和 断裂变形三个阶段为什么 库仑剪破裂准则的依据是什么莫尔准 则的依据又是什么这二者与格里菲斯 准则的区别在哪里 附附录录 格里菲斯破裂准则格里菲斯破裂准则 问题 –库伦、莫尔准则都为岩石力学试验的经验公 式，未从破裂机制上作出解释 –岩石实际破裂与根据分子结构理论计算的材 料粘结强度 ，差值达三个数量级 格里菲斯破裂准则的解释破裂是由材 料中随机分布的微裂隙扩展而成 –裂隙末端的应力集中 → 裂隙扩展 → 裂隙相 互联结 → 形成宏观破裂 格里菲斯破裂准则格里菲斯破裂准则 二维分析中，把裂隙 看作扁平的椭圆 当σ１－３σ３时，则 （σ１－σ３）２－８Ｔ０（σ１＋σ３）＝０ 或τ２n＝４Ｔ０（Ｔ０＋σn） （抛物线实线） （τn－剪裂面上剪应力；σn－剪裂面上正应力） 格里菲斯破裂准则格里菲斯破裂准则 格里菲斯破裂准则存在问题 据（σ1－σ3）2－８Ｔ0（σ1＋σ3）＝０ ， 在单轴压缩时， ∵σ1＝σC（抗压强度），σ3＝０ ∴σc＝８Ｔ0 这与的实验结果不符 –室温常压下岩石的抗压强度（ σc）等于抗张强度 （Ｔ0） 的10-50倍 修正的平面格力菲斯准则修正的平面格力菲斯准则 假定微裂隙在受压 方向上闭合，产生 一定摩擦力影响微 裂隙的扩展 修正后的莫尔准则 成为 τνμσν＋２Ｔ０（虚线）