第三章（三）影響巖石力學性質及巖石變形的因素

巖石的力學性質并不是固定不變的，主要決定于巖石本身的成分、結構和構造等，但巖石所處的外界地質環境因素，包括圍壓、溫度、溶液和應力作用時間及變形速度等，都對巖石的力學性質以致巖石變形有著明顯的影響。本章主要闡述外界因素的影響。2023/9/51一、圍壓

地殼巖石的圍壓(靜巖壓力)隨埋深的增加而增高，兩者大體呈線性關系。非均勻的各向壓縮能增強巖石的彈、韌性，并提高巖石的強度。通常在地殼表面顯示脆性較強的巖石，在地下深處圍壓較大的條件下可以呈高度的韌性。巖石在圍壓作用下力學性質的變化，已有不少實驗結果。這些實驗結果表明隨著圍壓的提高，巖石逐漸從脆性過渡為韌性。在溫度不變的條件下，隨著圍壓的提高，碳酸鹽巖石的永久變形明顯逐漸增大(圖5-2)，且其彈性極限和強度極限的提高很明顯。對于不同的礦物也有類似的實驗結果，如磁黃鐵礦和閃鋅礦，前者相對脆性·，增大圍壓的影響主要反映在彈性極限和強度極限的提高;后者相對塑性，提高圍壓使得礦物的永久變形明顯增加(圖5-1)。2023/9/52圖5-1不同圍壓下礦物的壓縮應力-應變曲線圖(據BlUCe，1973)a－磁黃鐵礦;b－閃鋅礦

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圍壓影響巖石力學性質的原因在于高圍壓下使晶體凝聚力增大，質點彼此接近，其晶格不易破壞，即不易發生斷裂，只能滑移，故表現為塑性變形。圖5-2不同圍壓下大理巖壓縮的應力-應變曲線圖(據Paterson，1978)2023/9/54二、溫度

隨著溫度增高，可以使常溫常壓下脆性的巖石，變得強度降低，彈性減弱，塑性增大，韌性增強，易于變形。也就是說，提高溫度，加速了巖石由脆性向韌性的轉化。但是，影響的程度隨巖性不同有所差異。2023/9/55礦物同巖石一樣，溫度升高，彈性極限和抗壓強度明顯降低，易于形成塑性變形。圖5-4中的磁黃鐵礦和閃鋅礦在圍壓固定，溫度從25℃、100℃、200℃、300℃、400℃到500℃逐漸升高的情況下，彈性極限等也逐漸降低，并且溫度升的越高，降得越快。

溫度影響巖石力學特性的原因在于，隨著溫度的升高，晶體質點的熱運動增強，質點間的凝聚力就減弱，質點容易位移;從而降低了巖石的彈性極限與強度極限，提高了巖石的塑性和韌性。2023/9/56圖5-4在圍壓100MPa和不同溫度作用下磁黃鐵礦(a)和閃鋅礦(b)的應力-應變曲線(據Bruce，1973)2023/9/57三、溶液

溶液和水汽能滲入到巖石的內部，引起巖石的力學性質兩個方面的變化:一方面是降低了巖石的彈性極限，提高了巖石的塑性，使巖石軟化。White(1980)認為孔隙液體有促成剪切軟化的作用，從而改變了巖石的力學性質，使之韌性提高;另一方面，在構造應力作用背景下，溶液特別容易促使重結晶作用的產生，造成礦物溶解和新礦物的形成。2023/9/58

據Griggs在圍壓為1000MPa及不同的溫度條件下，用大理巖壓縮實驗的結果表明，在溫度條件相同時(150℃)，濕性比干性的大理巖更容易發生塑性變形。若使之產生10％始的變形量。所需要的壓應力，對于干的大理巖是300MPa，對于濕的大理巖只需要200MPa就夠了(圖5-5)(據Griggs，1951)。表5-1列舉了巖石在濕性條件下抗壓強度不同的降低率，不難看出，濕性條件對抗壓強度的影響是非常明顯的。2023/9/59石英在1400MPa圍壓下，干性和濕性兩種情況所測得的應力-應變曲線圖(圖5-6)中A－D條曲線表示在干性條件下，隨著溫度不斷升高，石英的彈性極限依次降低，塑性相應增大。在干性條件下，950C的曲線應在C與D之間，但在濕性條件下，950℃曲線E卻降到曲線D之下，說明強度大大降低了。溶液影響巖石力學性質的原因在于，溶液的加入使分子的活動力加強，由于水具有一定的勢能，可以進入晶體結構。對石英來說，就可打破Si－O的束縛，使分子間的凝聚力減小，從而降低巖石的強度。2023/9/510圖5-5溶液和溫度對大理巖變形影響的應力-應變曲線圖(Griggs，圍壓為1000MPa)2023/9/511圖5別－6渡溶液卵和溫寧度對石英變形漆影響智的應沫力-猜應變隙曲線男圖(圍理壓為領1400蕉MP戚a)20犬23柜/7參/112四、赴孔隙雹壓力在地咳殼巖牙石中泥，常兆有孔傷隙流掙體存請在。混這種擦孔隙也流體筐的壓乳力稱脊為孔歉隙壓貓力或徹孔隙刮液壓靈。存縣在于悟巖石臺中的擴流體疤可以蓄促進警巖石伙的重虧結晶更作用薪，并芹影響株巖石腎的變姜形。環如果栽不透希水層家阻擋含水隙層中嚷的孔男隙流徹體流物出，親巖石龍中的需孔隙歐壓力搖就會違加大謎。孔奴隙壓悠力的灶存在燃抵消故了部疼分圍甚壓的槽影響竹。即溝有效割圍壓肢(Pe)為圍變壓(Pc)與孔遍隙液構壓(Pp)之差幕:Pe=番Pc－Pe……耀……葵……外….栗.(斯5-剩1)因此再;孔隙隙壓繼力的響存在引也降低了巖塵石的強度，使銅得巖息石易碑于發豪生脆誕性破訓壞。20秋23鄙/7虛/113五、告時抓間1、宣蠕變若保持洗應力盞不變唯，應岡變則啊隨時至間的泰增長捏而逐哨漸加顯大，么這種庭現象省稱蠕則變。20標23榮/7稈/114典型洽的蠕脆變過乒程可湖以分柄三個厭階段協:第察一階盆段稱過渡額蠕變階段袖(圖旬5-職9中旱的曲鹿線ａ的AB段)放，其應變輝速率從不斷姨減小，達蠢到B點時模為最瓦小值袋;第烏二階購段稱平穩跌蠕變階段興，或浪定常英蠕變碑階段當，即飛曲線也ａ的BC段，憑其應顯變速弓率大膚致保阻持一寺定，護這也昏是應炊變速烏率最謝小的刊一個偶階段修;第定三階漿段為加速逢蠕變階段伯，即客曲線掛ａ的CD段，塊隨完著時沸間的震增長與，其匪應變窮速率糞顯著大加快漁，由狼于試北件頸合縮的左緣故俗，到妄達D點后喊試件音破壞等。20路23雀/7理/1152、捕松弛若保固持變棒形不尊變，藏而應鉤力隨型時間畏的增冬長逐矩漸減螞小，酒這種葡現象劣稱為音松弛。從辭典型王的松餅弛曲紐奉線圖麻上(競圖５林-1令0)率可見潛，松避弛過示程分斧兩個隱階段臟，第鄰一階摟段(獅即AB線段沃)的餐應力槍迅速貴減小翅，松相馳急優劇下掌降;鞋第二猶階段茶(即BC線段悟)的嫩應力切減小朝速度夸緩慢亂，松曲弛速甘度逐敘漸下術降，膨并趨藏于某勻一極屯限值銅。圖5永－9幕蠕變征曲線A－典型菜蠕變撇曲線會ｂ－頃低溫炕低應媽力下途的蠕辣變曲避線;C－高遇溫高喂應力所下的聾蠕變域曲線圖5旅－1寒0果松弛遺曲線20全23柴/7揀/116(表淚中“詢+”看示提啄高、敏增強柜;“斯－”千示稱降低恨、減度弱，巖石物性影響因素強度彈性塑性韌性增大圍壓＋＋＋＋增高溫度－－＋＋增加溶液－－＋＋長期施力－－＋＋表5撇-2德概括貝列出沈圍壓豬、溫妨度、慈溶液難和時驚間諸艦因素寒對巖石纏物理磁性質鳴的影圓響。表5蛙-2籍各種桐因素梳對巖干石物陳理性塊質的的影響20需23天/7立/1173、致快速吼施力表、緩系慢施寸力與慣重復圍施力竹對巖笛石變提形的葉影響(一牛)、凍快速杜施力詢與緩透慢施樓力快速機施力可，可邊加快蛛巖石騎變形營速度編，降統低巖摟石的卡塑性升，使炮塑性班變形怖階段拴縮短這，甚哀至完嚇全沒蹤蝶有，搭表現投為脆懶性變籌形。鴿反之姻，緩迎慢施警力，嘩會提鞋高巖躁石的謙塑性沉，則倦脆性殖物質疊也能弄表現絲式出顯傾著的攝塑性朵變形榜，抗修剪強知度相燦對降刻低，動易于網剪裂蟲。巖石橋受到盤長時撫間力暢的緩質慢作總用，桂質點幻玉就會毯有充知分時騙間進肚行重索新排伴列，刻而變欄形也香有充叫分時率間固折定下駝來，前于是算產生坦永久際變形溉。當尤快速誦變形絹時，花質點淡來不扶及重蝴新排佛列，膀就產必生破田裂，允尤其現易于辰產生挎張破課裂。20斯23盜/7淺/118(二數)重歸復施自力巖石屋重復假施力認，即素使作野用力煉不大陪，也殼能使膏巖石纏破裂錯。圖和5-落12拴表示躁一種器金屬聯破裂熄時的位應力朋與發煌生破抓裂所站需加掘力次校數之濃間的念關系航。由藍圖上炸可見膠，當葬力的兄作用頭次數抽增加嘗時，器破裂經時的乎應力秘就降扭低，搬及至桿降低降到圖盲上曲井線呈絹水平恢狀態軍，這茫時應扮力代闊表物民體重樂復受儀力情茅況下叮發生物破裂糖的最傘低限曲度，欠稱為幟疲勞泄極限應或耐頭力極沙限，絹低于揚該極前限的干應力奇，即謙使物烤體受向力次爪數再霞多，抓也不宏能使珠其