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构造演讲(4)-南京大学地球科学系

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构造地质学(南京大学地球科学系)
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第六节破裂理论概述及其对岩石变形的意义材料破裂是有规律的 , 对此的研究而产生种种理论 。一 、 最大张应力理论当外力足够大时 , 材料沿着最大张应力面破裂 。当张应力达到或超过岩石的抗张强度时 ,岩石将沿着最大张应力作用的截面 , 即垂直于最大张应力轴的截面发生破裂 , 形成张裂面 。( 同一岩石抗张强度最小 , ) 。常温常压下各类岩石的强度极限 (单位 石 抗压强度 抗剪强度 抗张强度花岗岩 150( 3720( 155 75( 1110( 516( 617( 10300( 318( 5350( 15015( 10 50( 202( 最大张应力( σ3) ≥材料强度极限( σ0), [则必须 σ3≥σ0]。即 σ1=σ2=0, σ3为张应力,符合此理论,这个理论适宜 围压小 或浅表环境下的单向拉伸 的脆性破坏,如 对张节理和部分正断层的形成的力学解释 , 但不能解释没有张应力作用下的材料破坏。二 、 最大线应变理论当外力足够大时 , 材料沿垂直于最大线应变 ( ε3) 方向破裂 。条件 :若最大伸长线应变 ( ε3) ≥材料线应变极限 ( ε0) [即 ε3≥ε0]当 σ2=σ3=0, σ1为压应力 ( 或有一定固压条件下 ) , 符合此理论 。最大线应变理论 —— 材料的破坏与线应变有关,即沿垂直于最大伸长应变方向的截面上发生张破裂。不论在何种应力状态下,只要材料内一点的最大伸长应变达到了材料承受伸长应变的极限值就会出现张破裂。这个理论是 对在没有张应力直接作用的情况下单向挤压或具有一定围压的受力条件 下 张裂 形成的解释;如香肠构造。三 、 库伦 材料沿着最大剪应力面 发生剪切破裂 。据此 , 剪切破裂仅与剪切面上的最大剪应力有关 , 而与其上的正应力无关 。因此 , 一对剪面夹角为 90° , 但实际情况是作用在剪切面上的正应力仍对剪切滑动起一定的作用 , 从而使一对剪面的夹角并非 90° , 一般小于 90° ;剪裂角 =两组剪面的夹角 ( 含 σ1之象限 ) 。岩 石 1/2剪裂角花岗闪长岩 15° ~ 20°砂 岩 20° ~ 30°灰 岩 28° ~ 33°黄 土 34° ~ 40°内摩擦力—物体在剪破裂时所需克服的剪面上的正应力。不同岩石内摩擦角不同:脆性岩石—内摩擦角大;韧性岩石—内摩擦角小。剪切破裂 , 不仅与剪面上的剪应力大小有关 , 还与正应力有关;剪应力:岩石剪破裂时需克服内摩擦力 , 因此剪破裂时的剪应力大于材料的抗剪强度 ,应力状态为:( 此为一直线方程 , μ为斜率 )τ0为 ( 正应力 σn=0时 ) 材料的抗剪能力 ,μ为内摩擦系数 。  0)( nn f  图中 过 交角为 φ。  0μ=此,上式可写成:,φ为内磨擦角。σ伦剪切破裂准则关系式上图可知,1、 即不是 (σ1 2,而是 小于 (σ1 2,;2、当 φ值不变时剪裂角都相同。其包络线为直线,在坐标平面内所显示的直线为两条,这就是 库伦破裂准则 ;3、因 μ随 σ包络线呈曲线,这就是 莫尔破裂准则 ;4、与应力圆和包络线相切点对应的面均处于临界状态,即 在包络线上和线外的点的应力条件下物体就产生破裂 , 在线内的点就不产生破裂。围压影响: 砂岩 随围压增大 , 形成破裂所需剪应力迅速增大, φ值和剪裂角基本保持不变(如 页岩随围压增大 , 形成破裂所需剪应力 增加很小 , φ值逐渐减小 , 形成一弧形曲线 , 剪裂角加大 ( 如 。四、格里菲斯理论材料的实际破裂强度远远小于理论计算值。 只需要由原子和原子结合力计算出来的理想的材料强度 100分之一 ~1000分之一的力,材料就可以破坏。其 原因是因为材料组分的不均匀 。无论是金属材料也好玻璃也好,其中都有 眼睛看不见的原先存在许多微裂隙 ,这些微裂隙作为新的自由表面,犹如液体一样,具有表面张力,同时,微裂隙释放出来的应变能的一部分又可转化为表面张力。因此,微裂隙末端应力集中 ,很快达到该点的抗张强度而使裂隙发生扩展、延长,最后导致材料的破坏。第六章影响岩石力学性质及岩石变形的因素岩石变形 不仅与受力大小 、 方向 、 性质有关 , 而且与岩石 本身力学性质 有关 。 而岩石的力学性质主要取决于岩石的成份 、结构 、 构造等 内在因素 , 同时 外界因素 也影响岩石的力学性质 , 如 围压 、 温度 、 溶液 、 孔隙压力 、 时间 及岩石变形的 应力状态 等 。一 、 围压岩石处于地下深处 , 承受着周围 岩体对它的围压 。深度越大 , 围压 越大 ,结果:岩石韧性增强 、强度极限增大 、弹性极限增大;罗伯逊( E. 石灰岩所做实验表明:地表条件下 , 围压 1kg/压应力为 0~2800岩为弹性,超过则破裂。围压 300~ 700 kg/为弹性和很短的塑性阶段,当压应力在 3500~ 3800 kg/破裂。当围压增到 1000 kg/应力 4000 kg/性变形。围压 2000 kg/岩压缩 30%还未破裂,塑性加强。上述表明 , 强度极限随围压增大而增大 ,对石灰岩的实验结果:围压为 一个大气压 , 抗压强度 2800 kg/压 1000个大气压 , 抗压强度 3900 kg/压 4000个大气压 , 抗压强度 8000 kg/通大气压 , 花岗岩为 脆性 ,235个大气压时 , 花岗岩为 韧性 。因此 , 脆性断裂相对发育于地表 , 而越往深部岩石韧性增强 , 褶皱形成 。二 、 温度常温常压下 , 许多岩石脆性 , 随温度升高 , 抗压强度降低 , 弹性减弱 , 韧性增大 , 易于变形 。随着温度的增高 , 晶体质点的热运动增强 , 质点间的凝聚力减弱 , 质点容易产生位移 , 从而降低了岩石的弹性极限和强度极限 , 提高了岩石的塑性和韧性 。格里格斯( D. T. 1951)对大理岩所做实验。 围压 10000个大气压 ,室温条件下, 弹性极限为 2000kg/温度增高 150℃ 时 ,弹性极限降低为 1000kg/明:随着温度增高,岩石易变形,且抗压强度低。三 、 溶液干燥和潮湿状态下 , 岩石力学性质不同 。当岩石中有溶液和水汽时 , 岩石弹性极限降低 , 塑性增加 。在 10000个大气压 , 温度 150℃ 相同条件下 ,湿大理岩比干大理岩更容易发生塑性变形;如产生 10% 的变形量 , 干大理岩需要3000kg/ 而湿大理岩却只需要 2000kg/一岩石 , 因溶液介质不同 , 其强度降低率也不同 。例如 , 大理岩 , 在围压 10000个大气压 ,煤油介质 内抗压强度为 8100 kg/水中抗压强度为 1560 kg/理岩石英湿度条件对岩石抗压强度的影响岩石名称 干性状态抗压强度 湿度条件抗压强度 强度降低率( ( ( %)花岗岩 193 162 16 108 煌斑岩 183 141 12石灰岩 21砾 岩 36砂 岩 39页 岩 60四 、 孔隙压力即岩石孔隙内液体的压力 。孔隙压力对断层和某些沉积岩层构造的形成起着重要作用 。 孔隙压力增大 , 会使岩石屈服 , 强度降低 , 易于变形 。孔隙压力也可促进岩石破裂 。五 、 时间时间对于岩石的的力学性质与变形的影响有三个方面:1、 快速施力与缓慢施力快速 施力能加快岩石变形速度 , 使岩石表现为 脆性 。缓慢 施力能使脆性物质发生 塑性 变形 。长时间持续缓慢施力 , 将使物体破坏所需应力较之快速施力小很多 。2、 重复受力对岩石变形的影响岩石 重复受力 , 力不大也可破裂 。当受力次数增加 , 使受力物体达疲劳极限 ( 耐力极限 ) 即破裂 , 但用低于疲劳极限的应力作用于物体次数再多 , 也不能使物体破裂 。3、 蠕变与松驰对岩石变形的影响蠕变 — 应力不增加 , 随时间的增加变形持续的现象 , 是 不可恢复的永久应变 ;松驰 — 应变保持不变 , 随时间的增长应力减小的现象 。两种都与时间有关 , 说明长时间缓慢变形会降低材料的弹性极限 , 同时也降低了粘度 。不同应力作用下的蠕变曲线不同。蠕变分三个阶段过渡蠕变阶段 — 、 应力迅速减小 ,松弛剧降;2、 应力减小较慢 , 松弛速度降慢并趋于某一极限值蠕变和松弛 ,对于温度的反映都比较明显: 温度越高,蠕变越快,松弛作用也越快 。蠕变和松弛 现象是物质在长时间较小应力的作用下,弹性不断降低,弹性变形逐渐减小,永久变形不断增加的过程的反映。岩石变形通常是在漫长的地质历史中发生的 。 当变形发展到一定阶段后 , 应力又逐渐降低 , 出现松弛现象 , 从而使变形固定下来 , 这种 蠕变与松弛 现象的反复发生 , 使岩石中的微小的永久变形不断积累后形成大规模的变形 , 因此 , 岩石中的变形构造常常是蠕变的产物 。第七章节理的成因分析第一节张节理与剪节理材料在受力后遭到破坏 , 以张裂和剪裂两种方式表现 , 而节理据其形成时所受力的性质和其两侧岩块相对微小趋势位移 , 可分 张节理 和 剪节理 两类 。一 、 张节理垂直于主张应力 , 平行于主压应力 , 在三轴应力状态中 , 张节理面与 σ1与应变椭球 (一) 张节理形成条件主张应力超过岩石抗张强度,沿与主张应力垂直的面裂开而形成张节理 ;岩石沿一个方向受压应力作用,按 泊松效应 在与其垂直的方向上伸长,当伸长超过极限时,按最大线应变理论,岩石裂开而形成张节理。岩石受剪切,在与剪切方向大致呈 45℃ 的方向上即受到拉伸。当拉伸超过极限时,在与拉伸垂直的方向上产生张节理。( 二 ) 张节理形成深度岩石所受静岩压力随深度增加而增大 ,而静岩压力愈大 , 张节理就愈难产生 。地下水 、 石油 、 天然气 、 含矿流体均与张节理密切相关 , 因此 , 张节理的极限深度的研究具有实际意义 。张节理的极限深度?两种情况:1、某一岩石有一定的抗张强度和一定的破坏应力圆包络线。设 σ1为上覆岩体重力所致 , 岩石产生张节理之前的应力状态必是图中稳定区内的应力圆 , 通过图中 1( 80是形成张节理最大深度的上覆岩体的重力 , 上图示干燥的辉绿岩 , 其张节理的最大形成深度是 1帕斯卡 =1牛顿 /米 2)2、 在 σ3为压应力时 ,若应力差( σ1值适当,一定的孔隙压力同样会使岩石产生张节理,其 深度似乎不受限制 。下图 Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 代表不同应力状态,具有不同的( σ1, Ⅰ ′、 Ⅱ ′、 Ⅲ ′代表一定孔隙压力,由 Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 转化而来。原应力圆与包络线不接触 ,受孔隙压力后有效应力圆与包络线相切,产生剪裂。图 7圆 Ⅰ 孔隙压力 P=为圆Ⅰ ′与包络线相切于 生张裂 。 圆 Ⅱ孔隙压力 P=为 Ⅱ ′后仍与包络线不接触,故无破裂 。圆 Ⅲ 无需很大孔隙压力即可与包络线相切于 此无张裂, 只有剪裂。在孔隙压力影响下 , 原应力圆圆周上每一点正应力都减小一个 就等于把原应力圆向左平移一个 成为有效应力圆 , 与包络线相切 ,产生剪裂 。二 、 剪节理由剪应力作用而形成 , 两侧岩块有微小位移 , 位移方向垂直于 σ2。(一)当外力超过抗剪强度即发生剪节理由共轭剪切(吕德氏线)发展而成, 其与 σ1之夹角小于45° (φ( 二 ) 剪切动向的确定节理旁的羽列 、节理的互相切割 、岩脉的沿节理侵入 、矿物颗粒的微小错动等判断其动向 。剪切带内次级破裂面分析1、剪裂面方位受内摩擦角制约;2、 面夹角为内摩擦角 φ/2;3、 面夹角 45° ;4、 R′面与 ;5、 面相对 旋向;6、在剪节理附近主要发育 ′面;1、 R′面和主剪面 、 面是主剪面 、剪切带附近主要发育 R′面和 二节节理力学性质的复合一 、 节理力学性质的复合现象同一节理拉伸与剪切性质兼而有之 。纤维方解石的生长方向与节理面斜交 , 显示节理有剪切活动 , 而能够有纤维状矿物生长 , 其本身就显示了张性 。二 、 节理力学性质复合的成因( 一 ) 一对共轭剪面 , 当其中一组占优势时 , 另一组则发生力学性质复合现象 。(二)剪切变形中所产生的一组同旋向剪节理,由于递进变形,其位置逐步接近局部应力场 σ1方向,因而由剪切变为兼而有张裂的性质。第三节节理的组与系一 、 节理组 、 系的划分同时 、 同一应力作用下产生的同一性质的 、 产状大致相同的节理群 , 叫节理组 。非旋转变形所产生的节理一般呈平行型的 , 也可雁列 。沿节理向前 , 另一条出现在此条之右则称右列 ,反之为左列 。同时 、 同一应力作用下产生的性质相同 、产状不同珠两个或两个以上节理组 , 称节理系 。如共轭节理系 , 环状节理系 , 放射状节理系等 。环状 、 放射状常与火山口 , 柱状侵入体有关 , 一般为张性 。二 、 共轭节理系及其鉴别共轭节理系是同一时期 , 同一应力作用下形成两组剪节理 , 其动向协调 ( 相反 ) 。(一)其与主应力的关系a. 两组剪节理的交线平行于 σ2,平行于应变椭球体的 间轴) ;( C轴)b. 两组剪节理的交角分别被 σ1、 σ3平分,被应变椭球的 轴平分 ;因此,共轭剪面是以 σ123( 二 ) 共轭节理的鉴别各构造部位均可有共轭节理发育 ;共轭节理呈 “ X”型 。节理共轭的证据 :1、 相反的剪切旋向 。相向运动象限为 σ1所在,相背运动象限为 σ3所在,称为运动协调;2、 挤压象限钝化 ;3、 节理反旋向互切 ;4、折尾,分叉、菱形结环5、 锯齿状追踪张裂第四节节理的间距和密度节理密度寻找裂隙水 , 油气 , 对节理密度大有兴趣 ;工程建设 ,对节理密度小有兴趣 ;影响密度的因素1、 岩石力学性质 :强度高 , 岩层密度小2、 岩层厚度 :同一岩层厚度大 , 节理密度小3、 应力强弱 :应力强 , 密度大4、 应力集中处 :密度大 ( 褶皱拐弯处 ,断裂端点 、 交叉处等 )节理等距性:
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