第3章-3 影响岩石力学性质及.ppt

2020年7月,1,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。,2020年7月,2,一、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。,2020年7月,3,图5-1不同围压下矿物的压缩应力-应变曲线图据BlUCe，1973a－磁黄铁矿;b－闪锌矿,2020年7月,4,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。,图5-2不同围压下大理岩压缩的应力-应变曲线图据Paterson，1978,2020年7月,5,二、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。,2020年7月,6,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。,2020年7月,7,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，1973,2020年7月,8,三、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。White1980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。,2020年7月,9,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。,2020年7月,10,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。,2020年7月,11,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,2020年7月,12,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,2020年7月,13,四、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PePc－Pe..5-1因此;孔隙压力的存在也降低了岩石的强度，使得岩石易于发生脆性破坏。,2020年7月,14,五、时间,1、蠕变若保持应力不变，应变则随时间的增长而逐渐加大，这种现象称蠕变。,2020年7月,15,典型的蠕变过程可以分三个阶段第一阶段称过渡蠕变阶段图5-9中的曲线ａ的AB段，其应变速率不断减小，达到B点时为最小值;第二阶段称平稳蠕变阶段，或定常蠕变阶段，即曲线ａ的BC段，其应变速率大致保持一定，这也是应变速率最小的一个阶段;第三阶段为加速蠕变阶段，即曲线ａ的CD段，随着时间的增长，其应变速率显著加快，由于试件颈缩的缘故，到达D点后试件破坏。,2020年7月,16,2、松弛若保持变形不变，而应力随时间的增长逐渐减小，这种现象称为松弛。从典型的松弛曲线图上图５-10可见，松弛过程分两个阶段，第一阶段即AB线段的应力迅速减小，松驰急剧下降;第二阶段即BC线段的应力减小速度缓慢，松弛速度逐渐下降，并趋于某一极限值。,图5－9蠕变曲线A－典型蠕变曲线ｂ－低温低应力下的蠕变曲线;C－高温高应力下的蠕变曲线,图5－10松弛曲线,,2020年7月,17,表中“”示提高、增强;“－”示降低、减弱，,表5-2概括列出围压、温度、溶液和时间诸因素对岩石物理性质的影响。表5-2各种因素对岩石物理性质的影响,2020年7月,18,3、快速施力、缓慢施力与重复施力对岩石变形的影响,一、快速施力与缓慢施力快速施力，可加快岩石变形速度，降低岩石的塑性，使塑性变形阶段缩短，甚至完全没有，表现为脆性变形。反之，缓慢施力，会提高岩石的塑性，则脆性物质也能表现出显著的塑性变形，抗剪强度相对降低，易于剪裂。岩石受到长时间力的缓慢作用，质点就会有充分时间进行重新排列，而变形也有充分时间固定下来，于是产生永久变形。当快速变形时，质点来不及重新排列，就产生破裂，尤其易于产生张破裂。,2020年7月,19,二重复施力岩石重复施力，即使作用力不大，也能使岩石破裂。图5-12表示一种金属破裂时的应力与发生破裂所需加力次数之间的关系。由图上可见，当力的作用次数增加时，破裂时的应力就降低，及至降低到图上曲线呈水平状态，这时应力代表物体重复受力情况下发生破裂的最低限度，称为疲劳极限或耐力极限，低于该极限的应力，即使物体受力次数再多，也不能使其破裂。,2020年7月,20,能忍限度,,,,,,,,,,,,,发生破裂时所需之加力次数,,106,107,108,105,图5-12一种金属的耐力曲线据Billings，1972应力单位为磅/英寸2,20000,30000,40000,50000,,应力,