1、第五章(I)巖石的力學性質參考書目：朱志澄等構造地質學第五章Fossen H. Structural Geology, Chapters 6Davis et al., Structural Geology of Rocks and Regions Part I, Chapters 3, 4, p.121-191與巖石力學性質有關的一些基本概念巖石力學性質巖石力學性質是巖石受力作用之后的反映。巖石力學性質主要是指巖石變形特征及巖石的力學強度。巖石變形與巖石本身力學性質有密切關系。在受到外界應力作用時，固體材料的力學響應具有很大變化性。即使對某種特定的材料，它的力學響應也要取決于變形的物理和化學條

2、件。根據材料的力學響應（應力與應變關系），巖石的力學性質主要劃分為彈性（elastic）、粘性（viscous）、塑性（plastic）和脆性（brittle）。 彈性(elastic)彈性變形：指物體在外力作用下變形，當外力除去后物體能完全恢復原狀。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。理想線彈性體的變形是可逆過程，它的應力與應變之間有一個確定的單值關系，符合虎克定律：=Ee其中E為楊氏彈性模量。非理想彈性體的變形：受力不立即產生全部彈性變形，而是隨著時間的延長逐漸增大彈性變形到應有的值；當撤除外力后，也不立即恢復原狀，而是隨時間延長逐漸恢復原狀。這

3、種現象稱為彈性后效（即滯彈性）。巖石的彈性變形通常表現為滯彈性（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為與巖石的滯彈性有關。彈性變形線彈性理想彈性滯彈性泊松比（Poissons ratio）泊松比（Poissons ratio）體積模量（bulk modulus）Viscous materials 黏性材料（fluids）符合上述方程的力學性質的材料也稱牛頓流體（Newtonian fluid）。是黏度 （單位Pa S）只有流體是真正的黏性體。因此，地質黏性體只有巖漿、巖鹽和飽水的泥是真黏性介質。但在實際研究中，特別是數學模擬過程中，慢速變形地質體通常也可以被

4、當作黏性體處理。塑性變形是指物體在外力施加的同時產生變形，但在外力解除之后，變形永遠不會自動恢復的這種性能，具有這種性能的物體稱為塑性體，它的變形稱為塑性變形。在應力不超過某一臨界值y的條件下，理想塑性材料可以持續永久變形，在這一臨界值之下，材料不發生永久變形。 塑性（Plastic）塑性變形隨著變形繼續，應力應變曲線斜率變小，這時如果撤除應力，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生了永久變形。這個極限點的應力叫屈服應力y（yield stress）。e1塑性變形的冪律本構方程應變硬化應變軟化（Steady-state）穩態變形 = A d-m Cr n exp

5、(E+P V) /RTWhere is the strain rate, A is the pre-exponential factor related with material, d is the grain size, m is the grain size exponent, C is the water content, r is the water fugacity exponent, is the steady-state flow stress, n is the stress exponent related with deformation mechanism, E is

6、the activation energy, P is the pressure, V is the activation volume, R is the gas constant, T is the absolute temperature.變形性質的基本類型Xe組合變形性質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，又能發生粘性流動的材料，稱為粘彈性，它所表現的力學性質，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，這種彈性和塑性是指在彈性范圍內顯現的彈性和塑性；當巖層具有高度塑性時還能

7、發生半粘性流動。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的一個重要參數。近代，人們把物體所有這些力學性質概括為物質的流變性（rheological properties），并形成一門新興學科流變學（rheology）流變學是研究固體物質流動的科學。因此，從近代地球科學觀念來看，地球物質具有流變性。把研究地球物質流動性質和規律的科學，稱為“地球流變學（Rheology of Earth Materials）”。脆性：脆性材料在彈性范圍內或彈性變形后

8、立即破裂，即在破裂前沒有或有極小的塑性變形，材料的這種性質稱為脆性。脆性破裂：脆性材料的破裂稱為脆性破裂。脆性破裂方式：張破裂和剪破裂。當應力超過一定值時，巖石就會以某種方式而破環，發生斷裂變形。這時的應力值稱為巖石的極限強度或強度。巖石抗壓強度 (MPa)抗張強度 (MPa)抗剪強度 (MPa)花崗巖148 (37379)351530大理巖102 (31262)391030石灰巖96 (6360)361220砂巖74 (11252) 13515玄武巖275 (200350) 10頁巖20802巖石的抗壓強度抗剪強度抗張強度常溫常壓下一些巖石的強度極限巖石力學性質的研究方法巖石力學性質研究的途

9、徑（1）觀察天然巖石的力學現象（天然露頭等）；（2）實驗室內對巖石進行變形實驗；（3）在野外對巖體進行實地試驗；（4）理論分析和數值模擬。有關室內的高溫高壓實驗基本常識還有專門講解和實驗室參觀。為什么要研究巖石的力學性質？韌性變形脆性變形天然巖石變形巖石的能干性巖石能干性是指不同巖石在相同變形環境中變形行為的相對差異。研究途徑：有限應變的對比；劈理折射程度的比較；香腸構造對比；褶皺形態的對比。0.1MPa高溫流變儀樣品裝置示意圖實驗室巖石變形實驗12=3=圍壓1=2=圍壓133差（異）應力（differential stress）=1-3塑性變形材料的典型應變時間曲線韌性和塑性區別韌性（延性）

10、是用來描述允許大應變，以宏觀均質變形為特征，而不管所包括的微觀變形機制如何的流變性質。塑性是一種永久變形，它涉及晶內的位錯運動的微觀機制，可能還包括擴散。巖石變形機制通常有以下四種：（1）碎裂機制（cataclasis）；（2）晶內塑性（intracrystalline plasticity）（3）擴散蠕變（flow by diffusive mass transfer）（4）顆粒邊界滑移（grain boundary sliding）脆韌性轉化從宏觀上描述脆塑性轉化從微觀機制上描述脆塑性轉換域是一個十分重要的問題，地球上大部分地震都發生在脆塑性轉換域的深度。(s1 s3)Depth (km)

11、摩擦定律: t = c + msn*(linear with depth)塑性: (non-linear with depth & temperature)de/dt = C Dsn e-E/RTLog(Ds) = (1/n)log(de/dt) log(c) + E/(RT)世界上一些地區地震震源深度分布柱狀圖（據Maggi et al., 2000a） 影響巖石力學性質的因素應力應變巖石力學性質影響因素應力和應變是巖石或地塊在外界力影響下的重要響應。應力是物理方面的反映之一，應變是幾何學方面的反映之一；巖石力學性質是指在應力和應變作用下，巖石出現塑性變形或脆性變形（破裂）的條件；巖石力學性

12、質是約束巖石變形和構造幾何特征的重要條件。例如同樣的壓應力作用在不同巖層上，力學表象不同：在柔性巖層中褶皺構造在相對硬巖層中斷裂構造在軟硬相間巖層中香腸構造影響巖石力學性質的因素各向異性；圍壓；溫度；孔隙流體；時間因素(應變速率)；顆粒大小總之，巖石的變形是環境、時間和材料的函數。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強度，例如花崗巖的擠壓強度是頁巖擠壓強度的8倍；巖石的結構構造不同（層理引起的力學各向異性）。巖石材料分類巖石材料在力學上可以分為均勻和非均勻材料。均勻材料在力學上可以是各向同性的或各向異性的。力學性質各向異性是指物體內同一點各個方向上力學性質不同。

13、沉積巖的水平層理橄欖石單晶體圍壓對巖石力學性質的影響增大圍壓的效應有兩方面：增大了巖石極限強度；增大了巖石的韌性。溫度的影響溫度使影響巖石力學性質和流變強度的一個重要因素。溫度的升高使巖石的韌性增大，屈服強度降低；溫度升高和圍壓增加，導致巖石從脆性向韌性過渡，孕育著發震層；溫度對瀝青的變形強度影響是一個很生動的例子（夏天的瀝青和冬天的瀝青強度大不一樣）孔隙流體的影響孔隙流體對巖石力學性質影響表現為兩個方面：物理方面影響和化學方面影響。當巖石中流體含量增加時，巖石強度降低。流體促使礦物在應力作用下的溶解和重結晶，從而促使塑性變形；產生孔隙流體壓力效應：地殼中流體孔隙壓力（靜水壓力）為靜巖壓力的4

14、0。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，強度降低。孔隙壓力效應對巖石破裂的影響莫爾圓I代表孔隙壓力為零時應力狀態，巖石是穩定的，未破裂；莫爾圓II總正應力（橫坐標）不變，e正應力減小，e=-c，巖石發生破裂。流體的化學反應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 X2SiOH(Freiman,1984)X是活化了的化合物。水弱化作用：產生大量擴張應變，誘發裂紋尖端高應力；Si-O共價鍵被H-O代替，加速巖石塑性變形；H-O鍵加速熱力學的反應；H2O含量增加，降低巖石熔點，加速熔體弱化。時間（應變速率）影響因素與實驗室巖石力學研究不同，地質條件的巖石變形時間很長，一個造山帶變形要經歷幾百萬年才完成。應變速率的影響應變速率降低，材料強度降低，向韌性方向轉變（例如用不同應變速率變形瀝青，變形結果是不一樣的）隕