构造地质学讲16-断层3
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库伦理论(最大剪应力理论,水平直线型包 络线理论); 纳维叶理论(库伦-纳维叶断裂准则)-斜 直线型莫尔包络线理论; 抛物线型莫尔包络线理论; 格里菲斯断裂准则。
1.库伦理论(最大剪应力理论) 库伦理论(最大剪应力理论) 库伦理论
包络线方程式:
τ max = σ1 − σ 3
2 = τ0
τ0为抗纯剪断裂极限,也称 为岩石的内聚力。 包络线特征:为水平直 线型的破坏曲线。
与自然界所发生的不同
与自然界所发生的不同
2.库伦-纳维叶断裂准则 2.库伦- 库伦
库伦理论存在问题: 库伦理论存在问题:实验证明,当材料因剪切而破 坏时,剪切面与最大主应力方向绝大部分都小于45º (即2θ<90º ); 库伦准则不适用于拉伸实验。 纳维叶提出: 纳维叶提出:岩石抵抗断裂的强度,由两个因素决 定: (1)岩石的自然粘结强度(τ0):使岩石聚合的 力; (2)内摩擦阻力,要使岩石断开的力,必须大于粘 结强度。
τn =uσn
+ 2 T0
断层方位与应力方向的关系
(安德森模式)
提出模式前提: 1)地面与空气之间无剪应力作用; 2)三轴应力状态中一个主应力轴垂直地面; 3)断层面是剪切破裂面。 断层应力状态: 正断层:σ1直立,σ2和σ3水平。 逆断层:σ1和σ2(中间主应力轴)水平,σ3垂直。 平移断层(走滑断层):σ1和σ3水平,中间轴(σ2)直立。
正断层形成条件
应力状态:σ1直立,σ2和σ3水平。 断层产状特征:σ2与断层走向一致,上盘顺断层倾向下 滑。 正断层形成条件:最大主应力(σ1)在垂直方向上逐渐 增大,或者最小主应力(σ3)在水平方向上减小。地壳 水平拉伸和垂向上隆是最适合于发生正断层的应力状态。
逆断层形成条件
应力状态:σ1和σ2(中间主应力轴)水平,σ3垂直。 断层产状特征:σ2平行于断层走向,上盘顺断层倾向向 上滑动。 逆断层产生条件:σ1在水平方向上逐渐增大,或者σ3逐 渐减小。地壳中水平挤压有利于逆冲断层的发育(例如大 陆造山带挤压碰撞带)。
方程式:当σ1<-3σ3时,σ3=-T0 (1) 张裂准则,单轴抗张强度 张裂准则, 当σ1>-3σ3时,τn2=4T0(T0+σn) (2)单轴压缩下抗压强度 单轴压缩下抗压强度 式中,T0为单轴拉张强度值 τn 和σn分别为剪裂面上的剪应力和正应力。 包络线特征:抛物线形包络线。 适用条件:在脆性变形方面迈出了一大步,适用于原始材料具有各向 异性和已存在不同微裂隙条件下。
第十一章 断层 (Fault)概论
§3 断层的力学分析
断层形成的相关因素
断层形成是一个复杂的 动力学过程,也是一个 复杂的课题,涉及以下 有关因素: 破裂发生和断层的形成 断层作用与应力状态 岩石本身的力学性质 断层形成的物理环境
岩石破裂的基本条件
材料(岩石)类型 围压条件(P) 温度条件(T) 应变速率(έ) 施加应力类型(压缩、 拉伸) 孔隙流体影响 右图代表材料从脆性到 韧性的过渡,也反映脆 性材料随T、P增加而出 现向韧性转化的趋势。
σ1 σ2 σ2 σ1
σ3
σ3
σ1>σ2=σ3
页岩砂岩不同围压下莫尔包络线
莫尔包络线特征和意义
包络线代表了断层作用的应力 的临界值,当一点的应力状态 当一点的应力状态 的应力圆与莫尔包络线相切, 的应力圆与莫尔包络线相切, 这点就开始破裂, 这点就开始破裂,称为莫尔包 络线为破坏曲线。 莫尔包络线分开了不稳定域和 稳定域。 莫尔包络线可以是一对直线, 也可以是曲线。 莫尔包络线总是向最大主应力 (压应力)方向张开,它表示 岩石在压缩条件下比拉伸条件 下要强。
平移(走滑) 平移(走滑)断层形成条件
应力状态:σ1和σ3水平,中间轴(σ2)直立。 产状特征:断层面走向在垂直于σ2方向上滑动,两盘顺 断层走向滑动。 左旋滑动:逆时针方向滑动。 右旋滑动:顺时针方向活动。 形成条件:滑动方向与σ1、σ3应力大小有关。
安德森模式是解释近地表或地壳浅部脆性断裂的依据。
岩石断裂准则
岩石断裂是指由于外力作用时使物体产生的介质不连续面。 为什么岩石会产生断裂? 影响因素很多,有两个因素是关键因素: 岩石要发生破裂时截面内的应力状态,要达到临界(或极限) 应力状态; 材料力学本质的影响。 在极限应力状态下,各点极限应力分量所应满足的条件称为 断裂破坏条件或断裂准则。
断裂准则类型
沙箱实验- 沙箱实验-模拟正断层和逆断层的形成
Hubbert(1951)的实验 材料:沙子 实验过程:转动螺杆推动力推动金属隔板。 隔板向右运动,在左间内发育了正断层, 它倾角为典型的60º,为沙子内摩擦角的 余角。 隔板继续向右运动,当沙子受到压缩形成 逆断层,断层倾角约为30º。 动力学分析: (1)沙子在两室都处于静岩应力状态,各方 向的应力相等。 (2)隔板向右,使左间内水平应力减小, σ3是水平的,σ1是直立的,形成正断 层。 (3)在右间内正相反,使右间内水平应力增 加,σ1是水平的,σ1是直立的,形成 逆断层。
不稳定域
稳定域
tan φ
τ0
不同应力状态下的摩尔圆
表示应力的莫尔圆是研究岩石破坏理论 各种准则的有价值的形象化手段。 表示三种应力状态:纯张、纯剪和纯压。 表示应力值大小:拉伸时一个主应力为 负值,另一个主应力为0;纯剪切时是一 对相等的正值和负值;压缩时一个主应 力为正值,另一个主应力为0。 圆的直径逐渐增大,表示最大主应力与 最小主应力之间的差逐渐增加 (⊿σ=σ1-σ3 ),当应力差达到某一 特定值时,材料即发生破坏。 纯拉伸莫尔圆直径最小,暗示材料抗拉 强度比抗压强度小得多(两者相差10-20 倍)。
主应力与各Βιβλιοθήκη Baidu断层关系小结
Anderson(1951)根据主应 力的性质,结合莫尔-库伦 准则分析,总结了近地表地 壳中断层产生与主应力性质 和方位的关系:
4.格里菲斯断裂准则 4.格里菲斯断裂准则
库伦-纳维叶准则存在问题:
格里菲斯发现:岩石破裂强度远远小于根据分子结构理论计算
出来的岩石粘性强度,甚至可以小10-20倍??? Griffith理论:Griffith检查库伦-纳维叶准则时发现,在微观 尺度上,岩石像玻璃一样,它的破裂受到材料原始先前存在的 微观裂缝影响,这种裂隙称为Griffith裂隙。由于在裂隙口的尖 端产生应力集中,使岩石对断裂作用的阻力减弱。实验结果的 抛物线形包络线与Griffith模式一致。
tan φ
不稳定域
稳定域
τ0
3.抛物线型莫尔包络线理论
莫尔根据岩石力学实验的结果,对库伦斜线 提出修正:因为岩石的的内摩擦角是随着围 压的变化二变化的。
对于强硬的岩石变化较小,库伦剪切斜线规 则可以使用;对于软弱岩石,内摩擦角随着 围压的增大二减小,当围压足够大是,剪裂 角接近45°。
在4000,15000,30000(psi)围压下,对三根圆柱体灰岩做标准压缩试验。 每一次实验记录破裂时σ1、σ3,最大主应力与断层面夹角θ,画成不同应力 图。 三个圆分别代表了试验期断裂时的应力状态,分别画出一条与n轴呈2θ角的 半径,半径与圆的交点坐标反映岩石破裂时断层面上的正应力(σn)和剪应 力(τ),交点就是“破坏”点。 连接各个应力圆的破坏点,即为灰岩破坏时的莫尔包络线。 莫尔包络线就是材料破坏时的各种极限应力状态应力圆的公切线。
包络线方程式: 包络线方程式:τ=τ0+μσn τ0-粘结强度; σn-作用在该剪切面上的正应力; μ-内摩擦系数; )/σ μ=tanΦ=(τ-τ0)/σn =tanΦ=(τ Φ-内摩擦角; τ-断裂发生所需要的临界剪应力。
包络线特征:斜直线型包络线。 理论意义:岩石发生破裂不仅与岩石 本身粘结强度(τ0)有关,还要克 服断裂作用的内摩擦力。 适用条件:该理论较好解释野外所见 构造现象。剪切破裂面位于最大主应 力为平分线的锐角两边,两组共轭的 剪切面的夹角一般为25º-30º。 花岗岩 15º 辉绿岩 20º 砂岩 25º 两组共轭的剪切面的交线即中间应力 方向(σ2),内摩擦系数一般为 0.466-0.70。 大理岩 28-30º 页岩 40º
理论意义:(1)最大剪应力 (τmax)为常量τ0 。即达到材 料抗剪强度极限时开始断裂, 称最大剪应力理论或库伦断 裂准则。 (2)剪裂面与最大主应力σ1 的夹角(剪裂角)θ=45º,共轭 断裂夹角(共轭角)为 2θ=90º。 适用条件:对于塑性材料或 高围压情况下,该理论比较 合适。因此适用于地表深层 次构造环境。
纯张 纯剪 纯压 一般压缩
τ
σ3
σ1
σ
破裂方位与莫尔包络线形状的 相互关系
对于图中每一个应力圆来 说,预期大致在P平面上 发生破裂,包络线斜率为 正的,一般角度(σ1与断 裂面夹角)小于45º。 P1点:断裂面与σ1呈30º 斜交,剪破裂; P2点:断裂面与σ1呈25º 斜交,张剪切破裂; P3点:张裂面与σ1平行 (0º)。
1.库伦理论(最大剪应力理论) 库伦理论(最大剪应力理论) 库伦理论
包络线方程式:
τ max = σ1 − σ 3
2 = τ0
τ0为抗纯剪断裂极限,也称 为岩石的内聚力。 包络线特征:为水平直 线型的破坏曲线。
与自然界所发生的不同
与自然界所发生的不同
2.库伦-纳维叶断裂准则 2.库伦- 库伦
库伦理论存在问题: 库伦理论存在问题:实验证明,当材料因剪切而破 坏时,剪切面与最大主应力方向绝大部分都小于45º (即2θ<90º ); 库伦准则不适用于拉伸实验。 纳维叶提出: 纳维叶提出:岩石抵抗断裂的强度,由两个因素决 定: (1)岩石的自然粘结强度(τ0):使岩石聚合的 力; (2)内摩擦阻力,要使岩石断开的力,必须大于粘 结强度。
τn =uσn
+ 2 T0
断层方位与应力方向的关系
(安德森模式)
提出模式前提: 1)地面与空气之间无剪应力作用; 2)三轴应力状态中一个主应力轴垂直地面; 3)断层面是剪切破裂面。 断层应力状态: 正断层:σ1直立,σ2和σ3水平。 逆断层:σ1和σ2(中间主应力轴)水平,σ3垂直。 平移断层(走滑断层):σ1和σ3水平,中间轴(σ2)直立。
正断层形成条件
应力状态:σ1直立,σ2和σ3水平。 断层产状特征:σ2与断层走向一致,上盘顺断层倾向下 滑。 正断层形成条件:最大主应力(σ1)在垂直方向上逐渐 增大,或者最小主应力(σ3)在水平方向上减小。地壳 水平拉伸和垂向上隆是最适合于发生正断层的应力状态。
逆断层形成条件
应力状态:σ1和σ2(中间主应力轴)水平,σ3垂直。 断层产状特征:σ2平行于断层走向,上盘顺断层倾向向 上滑动。 逆断层产生条件:σ1在水平方向上逐渐增大,或者σ3逐 渐减小。地壳中水平挤压有利于逆冲断层的发育(例如大 陆造山带挤压碰撞带)。
方程式:当σ1<-3σ3时,σ3=-T0 (1) 张裂准则,单轴抗张强度 张裂准则, 当σ1>-3σ3时,τn2=4T0(T0+σn) (2)单轴压缩下抗压强度 单轴压缩下抗压强度 式中,T0为单轴拉张强度值 τn 和σn分别为剪裂面上的剪应力和正应力。 包络线特征:抛物线形包络线。 适用条件:在脆性变形方面迈出了一大步,适用于原始材料具有各向 异性和已存在不同微裂隙条件下。
第十一章 断层 (Fault)概论
§3 断层的力学分析
断层形成的相关因素
断层形成是一个复杂的 动力学过程,也是一个 复杂的课题,涉及以下 有关因素: 破裂发生和断层的形成 断层作用与应力状态 岩石本身的力学性质 断层形成的物理环境
岩石破裂的基本条件
材料(岩石)类型 围压条件(P) 温度条件(T) 应变速率(έ) 施加应力类型(压缩、 拉伸) 孔隙流体影响 右图代表材料从脆性到 韧性的过渡,也反映脆 性材料随T、P增加而出 现向韧性转化的趋势。
σ1 σ2 σ2 σ1
σ3
σ3
σ1>σ2=σ3
页岩砂岩不同围压下莫尔包络线
莫尔包络线特征和意义
包络线代表了断层作用的应力 的临界值,当一点的应力状态 当一点的应力状态 的应力圆与莫尔包络线相切, 的应力圆与莫尔包络线相切, 这点就开始破裂, 这点就开始破裂,称为莫尔包 络线为破坏曲线。 莫尔包络线分开了不稳定域和 稳定域。 莫尔包络线可以是一对直线, 也可以是曲线。 莫尔包络线总是向最大主应力 (压应力)方向张开,它表示 岩石在压缩条件下比拉伸条件 下要强。
平移(走滑) 平移(走滑)断层形成条件
应力状态:σ1和σ3水平,中间轴(σ2)直立。 产状特征:断层面走向在垂直于σ2方向上滑动,两盘顺 断层走向滑动。 左旋滑动:逆时针方向滑动。 右旋滑动:顺时针方向活动。 形成条件:滑动方向与σ1、σ3应力大小有关。
安德森模式是解释近地表或地壳浅部脆性断裂的依据。
岩石断裂准则
岩石断裂是指由于外力作用时使物体产生的介质不连续面。 为什么岩石会产生断裂? 影响因素很多,有两个因素是关键因素: 岩石要发生破裂时截面内的应力状态,要达到临界(或极限) 应力状态; 材料力学本质的影响。 在极限应力状态下,各点极限应力分量所应满足的条件称为 断裂破坏条件或断裂准则。
断裂准则类型
沙箱实验- 沙箱实验-模拟正断层和逆断层的形成
Hubbert(1951)的实验 材料:沙子 实验过程:转动螺杆推动力推动金属隔板。 隔板向右运动,在左间内发育了正断层, 它倾角为典型的60º,为沙子内摩擦角的 余角。 隔板继续向右运动,当沙子受到压缩形成 逆断层,断层倾角约为30º。 动力学分析: (1)沙子在两室都处于静岩应力状态,各方 向的应力相等。 (2)隔板向右,使左间内水平应力减小, σ3是水平的,σ1是直立的,形成正断 层。 (3)在右间内正相反,使右间内水平应力增 加,σ1是水平的,σ1是直立的,形成 逆断层。
不稳定域
稳定域
tan φ
τ0
不同应力状态下的摩尔圆
表示应力的莫尔圆是研究岩石破坏理论 各种准则的有价值的形象化手段。 表示三种应力状态:纯张、纯剪和纯压。 表示应力值大小:拉伸时一个主应力为 负值,另一个主应力为0;纯剪切时是一 对相等的正值和负值;压缩时一个主应 力为正值,另一个主应力为0。 圆的直径逐渐增大,表示最大主应力与 最小主应力之间的差逐渐增加 (⊿σ=σ1-σ3 ),当应力差达到某一 特定值时,材料即发生破坏。 纯拉伸莫尔圆直径最小,暗示材料抗拉 强度比抗压强度小得多(两者相差10-20 倍)。
主应力与各Βιβλιοθήκη Baidu断层关系小结
Anderson(1951)根据主应 力的性质,结合莫尔-库伦 准则分析,总结了近地表地 壳中断层产生与主应力性质 和方位的关系:
4.格里菲斯断裂准则 4.格里菲斯断裂准则
库伦-纳维叶准则存在问题:
格里菲斯发现:岩石破裂强度远远小于根据分子结构理论计算
出来的岩石粘性强度,甚至可以小10-20倍??? Griffith理论:Griffith检查库伦-纳维叶准则时发现,在微观 尺度上,岩石像玻璃一样,它的破裂受到材料原始先前存在的 微观裂缝影响,这种裂隙称为Griffith裂隙。由于在裂隙口的尖 端产生应力集中,使岩石对断裂作用的阻力减弱。实验结果的 抛物线形包络线与Griffith模式一致。
tan φ
不稳定域
稳定域
τ0
3.抛物线型莫尔包络线理论
莫尔根据岩石力学实验的结果,对库伦斜线 提出修正:因为岩石的的内摩擦角是随着围 压的变化二变化的。
对于强硬的岩石变化较小,库伦剪切斜线规 则可以使用;对于软弱岩石,内摩擦角随着 围压的增大二减小,当围压足够大是,剪裂 角接近45°。
在4000,15000,30000(psi)围压下,对三根圆柱体灰岩做标准压缩试验。 每一次实验记录破裂时σ1、σ3,最大主应力与断层面夹角θ,画成不同应力 图。 三个圆分别代表了试验期断裂时的应力状态,分别画出一条与n轴呈2θ角的 半径,半径与圆的交点坐标反映岩石破裂时断层面上的正应力(σn)和剪应 力(τ),交点就是“破坏”点。 连接各个应力圆的破坏点,即为灰岩破坏时的莫尔包络线。 莫尔包络线就是材料破坏时的各种极限应力状态应力圆的公切线。
包络线方程式: 包络线方程式:τ=τ0+μσn τ0-粘结强度; σn-作用在该剪切面上的正应力; μ-内摩擦系数; )/σ μ=tanΦ=(τ-τ0)/σn =tanΦ=(τ Φ-内摩擦角; τ-断裂发生所需要的临界剪应力。
包络线特征:斜直线型包络线。 理论意义:岩石发生破裂不仅与岩石 本身粘结强度(τ0)有关,还要克 服断裂作用的内摩擦力。 适用条件:该理论较好解释野外所见 构造现象。剪切破裂面位于最大主应 力为平分线的锐角两边,两组共轭的 剪切面的夹角一般为25º-30º。 花岗岩 15º 辉绿岩 20º 砂岩 25º 两组共轭的剪切面的交线即中间应力 方向(σ2),内摩擦系数一般为 0.466-0.70。 大理岩 28-30º 页岩 40º
理论意义:(1)最大剪应力 (τmax)为常量τ0 。即达到材 料抗剪强度极限时开始断裂, 称最大剪应力理论或库伦断 裂准则。 (2)剪裂面与最大主应力σ1 的夹角(剪裂角)θ=45º,共轭 断裂夹角(共轭角)为 2θ=90º。 适用条件:对于塑性材料或 高围压情况下,该理论比较 合适。因此适用于地表深层 次构造环境。
纯张 纯剪 纯压 一般压缩
τ
σ3
σ1
σ
破裂方位与莫尔包络线形状的 相互关系
对于图中每一个应力圆来 说,预期大致在P平面上 发生破裂,包络线斜率为 正的,一般角度(σ1与断 裂面夹角)小于45º。 P1点:断裂面与σ1呈30º 斜交,剪破裂; P2点:断裂面与σ1呈25º 斜交,张剪切破裂; P3点:张裂面与σ1平行 (0º)。