第三章 岩石变形分.ppt

第三章岩石变形分析的基础知识,制作刘冬梅,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第三章岩石变形分析的基础知识,,地质构造是岩石变形的产物。岩石变形是在外力作用下，内部质点发生位移的结果。要深入研究构造发生、发展的规律及其形成机制，需要学习和了解有关岩石变形的力学基础知识。,第三章岩石变形分析的基础知识,力和应力岩石的变形分析应变椭球体影响岩石力学性质和变形的主要原因,第一节力和应力,一、外力、内力、应力的概念1、力1）力是物体间的相互作用，它使物体发生机械运动状态的改变或发生变形。◆力是矢量，具有大小和方向,,2）力的合成和分解,2、外力对一个物体来说，另一物体加于这个物体上的叫外力。◆面力（压力）通过接触面而作用在物体的力。◆体力（重力、磁力）作用在物体内每一质点的力。,3、内力是同一物体内各质点间的相互作用力。固有内力在没有外力作用时物体内质点间的相互作用力，它保持物体的形态和状态。附加内力当物体受外力作用时，内部各质点间相互位置和其间作用力都发生改变。附加内力常称内力内力和外力是相对性的,4、应力在内力均匀分布的情况下，作用于单位面积上的内力。,◆若内力在截面上的分布是均匀的，则作用在截面A上的应力即为,◆若内力在截面上的分布是不均匀的，则可用微分方法，求得每一点的应力值。,◆应力的性质应力是矢量，有大小、方向、可以合成和分解的。◆应力的分解正应力和剪应力在微分面积dF上作用有内力dP。那么可以根据平行四边行法则将dP分解为平行于dF面的分力dT和垂直dF面的dN，,,则得出下列定义◇合应力SdP/dF◇正应力垂直截面的应力，以σ表示σdN/dF当σ＞0，使物体经受压缩（压应力）；用负值表示当σ＜0，使物体经受拉伸（张应力）,用正值表示.◇剪应力平行截面的应力，以τ表示τdT/dF,用负值表示.,◆主应力、主方向、主平面◇主应力某一截面上只有正应力，没有剪应力时的正应力◇主方向主应力的方向◇主平面垂直于主应力的平面◆应力的方向性◇压力（）作用在同一条直线上的两个力，大小相等，方向相同。◇张力（-）作用在同一条直线上的两个力，大小相等，方向相反。◇剪切力（扭力）不作用在同一条直线上的两个力，大小相等，方向相反。顺（）；逆（-）。,,,使物体受到压缩或拉张,,使物体发生转动或剪切滑动,二、应力分析1、应力状态与应力分析1）应力状态应力状态受力物体内部通过某点截面上应力的性质、方向、大小和分布状态。2）应力状态的表示受力物体内部某点的应力状态，是以通过该点三个互相垂直的截面上的应力的分布来表示的弹性力学证明任何受力物体内部总是能够找到三个相互垂直的面，其上只有正应力而无剪应力。,,二、应力状态与应力椭球体,最大主应力σ1，中间主应力σ2和最小主应力σ3。当三对主应力不等时，物体就会发生形状的变化。σ1与σ3之差称应力差，在相同的条件下，应力越大，所引起的物体形态变形越明显。,2、常见的应力状态单轴应力状态一个主应力不为零，其余两个均为零，且σ1＞σ2σ30双轴应力状态一个主应力为零，其余两个均不为零，且σ1＞σ20＞σ3三轴应力状态三个主应力均不为零，且σ1＞σ2＞σ3,3、应变椭球体当主应力σ1＞σ2＞σ3，且符号相同时，根据一点的主应力矢量σ1、σ2、σ3为半径作出一个椭球体，该椭球体代表作用于该点的全应力状态，称应力椭球体。主应力轴应力椭球体的三个主轴称主应力轴应力椭圆沿三个主应力平面切割椭球体的三个椭圆。,三、单轴应力分析1、应力分析在一定（单轴、双轴或三轴）的作用下，物体内部任意方向的截面上，正应力与剪应力的变化规律。,3、构造应力场和应力集中1）应力场由一系列的点，在同一瞬时内存在的应力状态所组成的空间。分为均匀应力场和非均匀应力场均匀应力场在同一瞬时内，每个点的应力性质、大小、方向可以是相同均匀分布的。非均匀应力场在同一瞬时内，每个点的应力性质、大小、方向是不相同均匀分布的，但呈有规律地连续变化的。按规模分为局部、区域按时间分为现代、古代,2）构造应力场的表示方法构造应力场中的应力状态可以用应力轨迹表示。它定性地表示主应力和最大剪切应力的作用方位。,3）应力集中当受力岩石内部存在孔洞、缺口、微小裂缝等缺陷的部位容易应力集中，使岩石沿着这些应力集中部位首先遭到断裂破坏。不同部位岩石力学性质不同，其应力集中部位不同。韧性强的岩石，易塑性变形，不易产生应力集中。脆性强的岩石，不易塑性变形，易产生断裂破坏。在已形成裂缝、断裂的特定部位，由于应力继续作用，易产生应力集中，使裂缝、断裂继续扩大。,构造地震岩石脆性断裂地震预报的基本任务之一是确定地壳中应力集中的区域,第二节岩石变形分析,一、岩石变形和应变的概念1、岩石变形岩石体受力后，内部各质点发生相对位移，导致物体形态、体积的改变。岩石变形的基本方式线变形和剪变形线变形指岩石受力后，表现为单纯的拉伸或压缩剪变形指岩石受力时，表现为内部任意截面都旋转了一个角度。,2、应变是物体相对变形量，即说明岩石受力变形的程度的度量值。分为线应变和角应变。,1）线应变岩石受力变形后，所增加或缩短的长度与变形前的比值。,在拉伸或压缩情况下，变形物体不仅会在拉伸或压缩方向上（纵向上）产生变形。即ε纵（L1-L0/L,在与之垂直的方向上（横向上）产生应变即ε横（b0-b1/b0,,2）剪应变指岩石在剪应力或扭应力作用下，使岩石内部原来互相垂直的两条线段所夹直角的改变量.其θ的正切函数即为剪应变量。即γtgθ顺时针为正，逆时针为负,二、岩石变形的方式1、岩石具体的变形方式有五种拉伸、挤压、剪切、弯曲、扭转,2、均匀应变与非均匀应变1）均匀应变岩石内各质点的变形性质、方向和大小相同的变形特点变形前的直线，变形后仍是直线；变形前的平行线，变形后仍是平行线,,非均匀变形A.变形前；B.变形后；,弯曲变形,2）非均匀应变岩石内各质点的变形的方向、大小和性质发生变化的变形特点变形前的直线，变形后为曲线或折线；变形前的平行线，变形后不在保持平行,三、岩石的变形阶段岩石在外力作用下的变形一般经历三个阶段弹性变形、塑性变形、断裂变形1、弹性变形物体在外力作用下发生变形，当外力解除后，能完全恢复原状的变形。OB弹性变形阶段σb弹性极限,σb,2、塑性变形随着外力的继续增加，变形相继增大，当应力超过岩石的弹性极限后，即使将应力解除，岩石也不能完全恢复原来的形状，但岩石没有失去连续完整性。CD屈服或塑性流变σC屈服极限E破裂点σE破裂极限（强度极限）,DE塑性变形的最后阶段BE塑性变形阶段,岩石塑性变形的机制a粒间滑动发生在矿物颗粒之间的软弱界面上的滑动。b粒内滑动矿物颗粒内部的质点产生平移滑动或双晶滑动。,3.断裂变形阶段如果应力达到或超过岩石的强度极限时，岩石内结合力遭到破坏，产生破裂面，岩石失去了连续性和完整性，从而发生断裂变形。强度极限又叫破裂极限，指常温常压下固体物质开始出现破裂时的应力值。超过σE韧性材料细颈化现象K点,四、岩石的破裂方式及剪裂角分析1、岩石破裂方式强度岩石在外力作用下抵抗破坏的能力。同一岩石的强度极限值，在不同性质的应力作用下差别很大。,2）岩石破裂方式张裂和剪裂张裂在外力作用下，当张应力达到或超过岩石的抗压强度时，在垂直于主张应力轴的方向上产生断裂。剪裂岩石受力时，大致沿最大剪应力作用面发生的断裂，此时的最大剪应力也达到或超过岩石的抗剪强度。,2008/4/24,38,,张裂,2008/4/24,39,,剪裂,3）岩石破裂理论据应力分析，剪裂在挤压或拉伸方向（最大主应力方向）呈45交角的截面上应力最大，称最大剪切角。因此，剪切破裂面发生在这个方向上成对出现，成为共轭剪切破裂面。一对共轭剪切面形成钝角和锐角,剪切破裂面于最大主应力之间的夹角为剪裂角（θ）共轭剪裂面之间所夹锐角叫共轭剪裂角（2θ）,2θ,,,库伦剪切破裂准则据岩石力学和野外观察，剪裂角总小于45，说明破裂面并没有沿最大剪应力作用面发生。这是因为岩石发生剪切破裂面不仅与该面上剪应力大小有关，还与该面上剪应力大小有关。,表达式ττ0μσnτ剪破裂发生时的剪应力τ０当σn＝０时岩石的抗剪强度（又称岩石内聚力）μ内摩擦系数σn破裂面上的正应力,库伦剪切破裂准则以σ为横坐标，τ为纵坐标。则式ττ0μσn为两条直线的方程，截距为τ0，称为库伦剪切破裂线。令直线与坐标横轴夹锐角为ψ，则μtgψ.ψ为岩石的摩擦角。则有ττ0σntgψ,库伦剪切破裂准则此图为单轴压缩时，岩石破裂的莫尔圆。其中D和E点上的正应力和剪应力代表剪切破裂面上的正应力和剪应力。从图中看出当岩石发生剪切破裂时，剪切面与最大应力轴的夹角θ45-ψ/2,共轭破裂角2θ90-ψ,因此、剪裂角和共轭剪裂角的大小取决与岩石的内摩擦角,库伦剪切破裂线在低围压时，基本上为一直线，说明ψ与τ0基本不变。,库伦剪切破裂准则,莫尔包络线高围压试验表明ψ（内摩擦角）随围压增大而减小。例如，砂岩ψ≈４５（图A），页岩ψ≈２３（图B）,第三节应变椭球体,一、应变椭球体的概念指变形物体内一点上变形前的一个圆球体在变形后变形为一个椭球体。1、应变椭球体内有三个互相垂直的主应变轴＊最大应变轴λ1为椭球体的最大直径（相当于A轴），代表变形岩石伸长最大方向；＊最小应变轴λ3为椭球体的最小直径（相当于C轴），代表变形岩石伸长最小方向；＊中间应变轴λ2为椭球体的中间直径（相当于B轴），代表岩石变形介于最短与最长之间,,2、应变椭球体的三个应变轴与主应力轴的关系,3、应变椭球圆为了表示应力与应变的关系，将三维空间的变形看成由A轴和C轴组成的平面变形，即用应变椭圆代替应变椭球体进行分析。,4、单剪应变和纯剪应变根据应变椭球体应变方向质点线与变形前相应质点线之间的不同关系，平面应变可分为单剪应变和纯剪应变。单剪应变物体中质点沿着平行的方向相对滑动而成的。应变椭球体中的两个主轴（λ1A轴或λ3C轴）质点线方位，在变形前后是不相同的。因此，又称旋转变形,纯剪变形应变椭球体中的两个主轴（λ1A轴或λ3C轴）质点线方位，在变形前后具有同一方位。又称无旋转变形,二、应变椭球体的应用应变椭球体的长轴（A轴）反映张应力的作用方向，表示变形岩石的最大拉伸或岩石塑性流动方向。例如针、柱状矿物的定向排列方向。短轴（C轴）代表最大压应力方向，表明变形岩石的最大压缩方向，如褶皱轴面、片理面的垂直方向，这些面（AB面），与C轴垂直，承受着最大压应力作用。B轴与岩石共轭剪裂面的交线一致由B轴、C轴构成的BC面与A轴垂直，为最大张应力作用面，张性断裂沿此面产生。,,1.概念岩石受力条件不变的情况下，由初始形态变形为最终形态的过程，是由一系列连续发生的瞬时无限小应变的累计过程。,三、递进变形,2.有限应变和增量应变,增量应变岩石在递进变形过程中任一瞬时发生的应变，是把该瞬时的形态与前一瞬时的形态作比较而得的应变有限变量岩石在递进变形中，从开始变形至任一瞬时为止所有增量应变的总和，是把该瞬时形态与初始的形态比较而得的应变。,3.共轴递进变形和非共轴递进变形①共轴递进变形有限应变各轴始终方位不变，在变形过程中任一瞬间的有限应变椭球的三个应变轴和各瞬间无限小应变椭球的三个应变轴相当，两两平行。递进纯剪变形,共轴递进变形,②非共轴递进变形变形过程中，增量应变椭球体的应变主方向与全量应变的主方向时刻不同单剪应变）,非共轴递进变形,,第四节、影响岩石变形的因素,1.内因岩石成份、结构、构造。2.外因围压、温度、溶液、孔隙压力、时间、应力状态。,1.内因岩石成分含硬度大的粒状矿物越多的岩石，强度越大，常呈脆性变形，如石英、花岗岩等。含硬度小的片状矿物（鳞片状）越多的岩石，强度越小，呈韧性变形。岩石中的化学性质稳定的矿物和易溶水的盐类含量高会降低岩石的强度。结构在沉积岩中，如果其他条件相同，碎屑颗粒细、棱角不明显，呈基底胶结的岩石，强度较高反之，呈接触胶结的岩石，强度较低构造据层理的沉积岩层，在侧向压力作用下。容易岩层理面滑动，形成褶皱构造；不具层理或呈巨厚层的岩石，则易产生断裂；据孔隙或裂缝发育的岩石，强度会明显降低,60,,2、外因围压静岩压力其他条件不变，一随围压加大，岩石弹性和强度增加，二增加岩石的韧性，提高岩石的强度极限和弹性极限。,,原因高围压使岩石的质点彼此接近，增强了内聚力。,,温度强度降低，弹性减弱，韧性增强。,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,,原因增高温度，使岩石质点的热运动增强，减弱了质点之间的联系能力，使物质质点易于移动。,,溶液弹性极限和强度下降，韧性增强。,溶液和温度对大理岩变形影响的应力-应变曲线图围压为1400MPa,,原因1溶液的加入使分子的活动力增强，岩石的内摩擦力和分子间的凝聚力减小，从而降低了岩石和矿物的强度2溶液有利于重结晶作用的发生，容易发生塑性变形。,孔隙流体压力使得岩石容易发生破裂，强度下降。,2008/4/24,67,,原因使有效正应力s－p下降t＝toms－pp-孔隙流体压力,,时间快速施力与缓慢施力对岩石变形的影响快速施力脆性，强度较高。缓慢施力塑性，强度下降。,重复受力对岩石变形的影响作用破裂时所需的应力值降低。,,疲劳极限低于该应力值，无论如何增加受力次数，均无法使岩石破裂。,蠕变保持应力不变，随时间延长，变形继续缓慢增加的现象第一期过渡蠕变，撤除应力，ε回零；第二期平稳蠕变，撤除应力，保留部分永久变形；第三期加速蠕变，直至破裂。,温度促进蠕变,松驰应变保持不变时，应力随时间增长逐渐下降的现象。A-B应力迅速减小。B-C应力缓慢减小，至某一极限。温度促进松驰,