第3章-3 影响岩石力学性质及.pptVIP

CSU.Geol. Inst.Structural Geology G.GM 第三章（三） 影响岩石力学性质及岩石变形的因素 岩石的力学性质并不是固定不变的，主要决定于岩石本身的成分、结构和构造等，但岩石所处的外界地质环境因素，包括围压、温度、溶液和应力作用时间及变形速度等，都对岩石的力学性质以致岩石变形有着明显的影响。本章主要阐述外界因素的影响。 一 、 围 压 地壳岩石的围压(静岩压力)随埋深的增加而增高，两者大体呈线性关系。非均匀的各向压缩能增强岩石的弹、韧性，并提高岩石的强度。通常在地壳表面显示脆性较强的岩石，在地下深处围压较大的条件下可以呈高度的韧性。 岩石在围压作用下力学性质的变化，已有不少实验结果。这些实验结果表明随着围压的提高，岩石逐渐从脆性过渡为韧性。在温度不变的条件下，随着围压的提高，碳酸盐岩石的永久变形明显逐渐增大(图5-2)，且其弹性极限和强度极限的提高很明显。对于不同的矿物也有类似的实验结果，如磁黄铁矿和闪锌矿，前者相对脆性·，增大围压的影响主要反映在弹性极限和强度极限的提高;后者相对塑性，提高围压使得矿物的永久变形明显增加(图5-1)。 图5-1 不同围压下矿物的压缩应力-应变曲线图 (据BlUCe，1973) a－磁黄铁矿;b－闪锌矿 围压影响岩石力学性质的原因在于高围压下使晶体凝聚力增大，质点彼此接近，其晶格不易破坏，即不易发生断裂，只能滑移，故表现为塑性变形。 二 、 温 度 随着温度增高，可以使常温常压下脆性的岩石，变得强度降低，弹性减弱，塑性增大，韧性增强，易于变形。也就是说，提高温度，加速了岩石由脆性向韧性的转化。但是，影响的程度随岩性不同有所差异。 矿物同岩石一样，温度升高，弹性极限和抗压强度明显降低，易于形成塑性变形。图5-4中的磁黄铁矿和闪锌矿在围压固定，温度从25℃、100℃、200℃、300℃、400℃到500℃逐渐升高的情况下，弹性极限等也逐渐降低，并且温度升的越高，降得越快。 ?温度影响岩石力学特性的原因在于，随着温度的升高，晶体质点的热运动增强，质点间的凝聚力就减弱，质点容易位移;从而降低了岩石的弹性极限与强度极限，提高了岩石的塑性和韧性。 图5-4 在围压100MPa和不同温度作用下 磁黄铁矿(a)和闪锌矿(b)的应力-应变曲线 (据Bruce，1973) 三、 溶 液 溶液和水汽能渗入到岩石的内部，引起岩石的力学性质两个方面的变化:一方面是降低了岩石的弹性极限，提高了岩石的塑性，使岩石软化。White(1980)认为孔隙液体有促成剪切软化的作用，从而改变了岩石的力学性质，使之韧性提高;另一方面，在构造应力作用背景下，溶液特别容易促使重结晶作用的产生，造成矿物溶解和新矿物的形成。 据Griggs在围压为1000MPa及不同的温度条件下，用大理岩压缩实验的结果表明，在温度条件相同时(150℃)，湿性比干性的大理岩更容易发生塑性变形。若使之产生10％始的变形量。 所需要的压应力，对于干的大理岩是300MPa，对于湿的大理岩只需要200MPa就够了(图5-5)(据Griggs，1951)。 表5-1列举了岩石在湿性条件下抗压强度不同的降低率，不难看出，湿性条件对抗压强度的影响是非常明显的。 石英在1400MPa围压下，干性和湿性两种情况所测得的应力-应变曲线图(图5-6)中A－D条曲线表示在干性条件下，随着温度不断升高，石英的弹性极限依次降低，塑性相应增大。在干性条件下，950C的曲线应在C与D之间，但在湿性条件下，950℃曲线E却降到曲线D之下，说明强度大大降低了。 溶液影响岩石力学性质的原因在于，溶液的加入使分子的活动力加强，由于水具有一定的势能，可以进入晶体结构。对石英来说，就可打破Si－O的束缚，使分子间的凝聚力减小，从而降低岩石的强度。 图5-5 溶液和温度对大理岩变形影响的应力-应变曲线图 (Griggs，围压为1000MPa) 图5－6 溶液和温度对石英变形影响的应力-应变曲线图 (围压为1400MPa) 四、 孔隙压力 在地壳岩石中，常有孔隙流体存在。这种孔隙流体的压力称为孔隙压力或孔隙液压。存在于岩石中的流体可以促进岩石的重结晶作用，并影响岩石的变形。如果不透水层阻挡含水层中的孔隙流体流出，岩石中的孔隙压力就会加大。孔隙压力的存在抵消了部分围压的影响。即有效围压(Pe)为围压(Pc)与孔隙液压(Pp)之差: Pe =