第四章变形机制介绍
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第四章 显微构造变形机制（1）
• 天然岩石变形行为主要表现为脆性和韧性，以及介于二者 之间，即脆性向韧性过渡。 • 研究方法：依据岩石变形实验结果，与天然变形岩石观察 研究。
• 一、显微破裂和碎裂流动
• 1.显微破裂作用：发生在矿物晶体规模上破裂作用。
• 从应力—应变的角度上看，岩石或矿物在应力作用下，超 过强度极限时就会发生破裂。岩石的抗剪强度和抗张强度 弱，易于产生这两种裂隙。 • 宏观上的脆性变形为脆性破裂，从微观角度看主要是微破 裂的产生和扩展及有关的碎裂作用。
• • • •
库仑剪破裂准则 表达式：τ＝τ0＋μσn τ——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） • ������ 上式可改写成τ＝τ0＋σn·tgφ截距为τ0 的直线方程
Griffith理论：材料的强度取决于内部存在的微小裂隙， 在一组无规则取向的裂隙群中，最容易破坏方向上的裂 隙，其周围任意一点上最大张应力分量达到克服材料原 子间内聚力所需要的临界值时，开始扩展和发生破裂。 显微破裂主要有：晶内破裂、晶间裂隙和穿晶裂隙
• b.亚晶粒旋转重结晶作用(subgrain rotation recrystallization):由动态恢复作用形成的亚晶粒逐渐 旋转,使相邻亚颗粒之间位向差>12°,形成了大角度 边界,形成了新颗粒.
• a.颗粒边界迁移重结晶作用(grain boundary migration recrystallization):颗粒边界膨胀作用(bulging)和成核作用(nucleation)
导致了晶体重新组织,具有高位错密度的老晶体被细小无应变新颗粒所代 替,在此过程中不需要改变矿物晶体的化学成分.
•
• • •
来自百度文库
具有代表性的几种机械双晶形态特征
• 3.扭折(Kinking) • 当挤压应力轴与滑移面平行或夹角很小(0~30°),
晶体就会发生弯曲,产生了扭折,形成了膝折. • 事实上对于只有一个滑移系的矿物(如云母,滑石, 蓝晶石)或只有少数滑移系的矿物(如长石),扭折是 它们的主要韧性变形机制.
• 2.双晶滑动 在晶内滑移时,如果晶体的一部分相对另一部
• 分滑移的距离为单位晶格的非整数倍.其特点是: a 剪切应变是恒定的,其大小严格受地为双晶的几何要求所决 定的. b.滑移的结果造成了相对位移两侧晶体以滑移面为对称面成 镜像对称,即产生了机械双晶. c.双晶滑移也可以产生矿物集合体的形态和结晶方位优选. d.产生双晶滑移的剪应力比产生平移滑移所需要的剪应力高 许多. 平移滑移和双晶滑移是低温条件下塑性变形的唯一的变形机 制.
太行山北段中新生代断层岩 碳酸盐岩区碎裂岩系列断层岩典型显微构造特征 Typical microstructures of cataclasite series in carbonate rock. a 计鹿村北灰质初碎裂岩(单偏光) ;b 蓬头村北灰质碎裂岩(单 偏光)
花岗岩岩体区碎裂岩系列断层岩的典型显微构造特征 Typical microstructures of cataclasite series in granitic rock. a 大河南岩体赵家蓬调和寺农场附近初碎裂岩(单偏光) ;b 王 安镇岩体康家沟村附近碎裂岩(正交偏光)
岩石的脆性破坏 ������ 试验和自然界宏观破裂的主要 形式 – 张裂——位移方向垂直于破裂 面 剪裂——位移方向平行于破裂面
–
库仑剪破裂准则： ������ 问题的提出–岩石 实验中破裂面与应力 圆中最大剪应力作用 面不一致–自然界岩石 实际共轭剪裂面夹角 也不是90° ������ 库仑准则的核心– 剪破裂不仅与剪应力 有关，而且与正应力 有关������ 经验公式
断裂带内断层岩的2 期变形叠加(a) 和3 期变形叠加(b)
a 南台石英闪长岩、碎裂岩2 期变形叠加: ①早期碎裂岩(基质是碎基和压溶残余物) , ②晚期碎裂岩(基质是方解石细脉)
(正交偏光) ;b 黄安村北白云岩、碎裂岩3 期变形叠加: ①最早期碎裂岩(碎基和压溶残 余物胶结) , ②、③后2 期碎裂岩(充
2.碎裂流动
• a.定义：碎裂作用使岩石破碎呈细小的碎块，随后这些细小 碎块发生了滑移和旋转、产生了连续流动。 • b.产物：断层角砾岩、碎裂岩、断层泥 • c.碎裂流动特征 • （1）在碎裂流动过程中，裂隙和孔隙被从流体中沉淀物质充 填，随后充填物发生破碎，造成了角砾成分复杂。 • （2）碎裂流动发生在地壳浅部层次上，温度低、应变速率高 条件下。 • （3）流体促进了岩石破裂。
1.微应变阶段 2.塑性应变阶 段（位错密度 加大、应变硬 化、恢复。 3.稳态蠕变
动态恢复时应力-应变曲线
亚晶粒、重结晶， 降低位错密度， 发生在高温条件 下。
四、 动态重结晶作用 • 动态重结晶(dynamic recrystallization):是指由
变形作用引起的重结晶作用,使大的颗粒变为细小的新颗粒. 发生的条件是温度大于0.5Tm. • 特征:使大的强硬变矿物晶体变为细小无应变的新颗粒. • 依据动态重结晶形成机理和方式的不同,可以把动态重结晶 作用又进一步划分为颗粒边界迁移重结晶和亚晶粒旋转重 结晶两种类型
三、位错蠕变
• 位错蠕变也称为Weertman蠕变:晶体内塑性变 形时应变硬化和恢复作用达到动态平衡时变 形，称之为位错蠕变。 • 应变硬化就是变形晶体内位错密度增大（位 错缠结、交割等）； • 恢复是使变形晶体回复到未变形时的状态过 程，也就是是晶体内位错密度降低的过程 （攀移、交滑移、亚晶粒、动态重结晶）。
填方解石细脉) , ③期的细脉切过②期的(单偏光)
二、晶内滑移作用
• 晶内滑动有三种形式：平移滑动、双晶滑移和扭折
• 1.平移滑动：晶体一部分相对另一部分发生了单位晶格的整数倍滑移。
• 滑动时角剪切应变发生变化,晶格内部质点排列不变.滑动后晶体形态发 生改变,结晶学优选方位发生改变 .形成变形纹,变形条带,拔丝构造,波状 消光等组构
• 天然岩石变形行为主要表现为脆性和韧性，以及介于二者 之间，即脆性向韧性过渡。 • 研究方法：依据岩石变形实验结果，与天然变形岩石观察 研究。
• 一、显微破裂和碎裂流动
• 1.显微破裂作用：发生在矿物晶体规模上破裂作用。
• 从应力—应变的角度上看，岩石或矿物在应力作用下，超 过强度极限时就会发生破裂。岩石的抗剪强度和抗张强度 弱，易于产生这两种裂隙。 • 宏观上的脆性变形为脆性破裂，从微观角度看主要是微破 裂的产生和扩展及有关的碎裂作用。
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库仑剪破裂准则 表达式：τ＝τ0＋μσn τ——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） • ������ 上式可改写成τ＝τ0＋σn·tgφ截距为τ0 的直线方程
Griffith理论：材料的强度取决于内部存在的微小裂隙， 在一组无规则取向的裂隙群中，最容易破坏方向上的裂 隙，其周围任意一点上最大张应力分量达到克服材料原 子间内聚力所需要的临界值时，开始扩展和发生破裂。 显微破裂主要有：晶内破裂、晶间裂隙和穿晶裂隙
• b.亚晶粒旋转重结晶作用(subgrain rotation recrystallization):由动态恢复作用形成的亚晶粒逐渐 旋转,使相邻亚颗粒之间位向差>12°,形成了大角度 边界,形成了新颗粒.
• a.颗粒边界迁移重结晶作用(grain boundary migration recrystallization):颗粒边界膨胀作用(bulging)和成核作用(nucleation)
导致了晶体重新组织,具有高位错密度的老晶体被细小无应变新颗粒所代 替,在此过程中不需要改变矿物晶体的化学成分.
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来自百度文库
具有代表性的几种机械双晶形态特征
• 3.扭折(Kinking) • 当挤压应力轴与滑移面平行或夹角很小(0~30°),
晶体就会发生弯曲,产生了扭折,形成了膝折. • 事实上对于只有一个滑移系的矿物(如云母,滑石, 蓝晶石)或只有少数滑移系的矿物(如长石),扭折是 它们的主要韧性变形机制.
• 2.双晶滑动 在晶内滑移时,如果晶体的一部分相对另一部
• 分滑移的距离为单位晶格的非整数倍.其特点是: a 剪切应变是恒定的,其大小严格受地为双晶的几何要求所决 定的. b.滑移的结果造成了相对位移两侧晶体以滑移面为对称面成 镜像对称,即产生了机械双晶. c.双晶滑移也可以产生矿物集合体的形态和结晶方位优选. d.产生双晶滑移的剪应力比产生平移滑移所需要的剪应力高 许多. 平移滑移和双晶滑移是低温条件下塑性变形的唯一的变形机 制.
太行山北段中新生代断层岩 碳酸盐岩区碎裂岩系列断层岩典型显微构造特征 Typical microstructures of cataclasite series in carbonate rock. a 计鹿村北灰质初碎裂岩(单偏光) ;b 蓬头村北灰质碎裂岩(单 偏光)
花岗岩岩体区碎裂岩系列断层岩的典型显微构造特征 Typical microstructures of cataclasite series in granitic rock. a 大河南岩体赵家蓬调和寺农场附近初碎裂岩(单偏光) ;b 王 安镇岩体康家沟村附近碎裂岩(正交偏光)
岩石的脆性破坏 ������ 试验和自然界宏观破裂的主要 形式 – 张裂——位移方向垂直于破裂 面 剪裂——位移方向平行于破裂面
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库仑剪破裂准则： ������ 问题的提出–岩石 实验中破裂面与应力 圆中最大剪应力作用 面不一致–自然界岩石 实际共轭剪裂面夹角 也不是90° ������ 库仑准则的核心– 剪破裂不仅与剪应力 有关，而且与正应力 有关������ 经验公式
断裂带内断层岩的2 期变形叠加(a) 和3 期变形叠加(b)
a 南台石英闪长岩、碎裂岩2 期变形叠加: ①早期碎裂岩(基质是碎基和压溶残余物) , ②晚期碎裂岩(基质是方解石细脉)
(正交偏光) ;b 黄安村北白云岩、碎裂岩3 期变形叠加: ①最早期碎裂岩(碎基和压溶残 余物胶结) , ②、③后2 期碎裂岩(充
2.碎裂流动
• a.定义：碎裂作用使岩石破碎呈细小的碎块，随后这些细小 碎块发生了滑移和旋转、产生了连续流动。 • b.产物：断层角砾岩、碎裂岩、断层泥 • c.碎裂流动特征 • （1）在碎裂流动过程中，裂隙和孔隙被从流体中沉淀物质充 填，随后充填物发生破碎，造成了角砾成分复杂。 • （2）碎裂流动发生在地壳浅部层次上，温度低、应变速率高 条件下。 • （3）流体促进了岩石破裂。
1.微应变阶段 2.塑性应变阶 段（位错密度 加大、应变硬 化、恢复。 3.稳态蠕变
动态恢复时应力-应变曲线
亚晶粒、重结晶， 降低位错密度， 发生在高温条件 下。
四、 动态重结晶作用 • 动态重结晶(dynamic recrystallization):是指由
变形作用引起的重结晶作用,使大的颗粒变为细小的新颗粒. 发生的条件是温度大于0.5Tm. • 特征:使大的强硬变矿物晶体变为细小无应变的新颗粒. • 依据动态重结晶形成机理和方式的不同,可以把动态重结晶 作用又进一步划分为颗粒边界迁移重结晶和亚晶粒旋转重 结晶两种类型
三、位错蠕变
• 位错蠕变也称为Weertman蠕变:晶体内塑性变 形时应变硬化和恢复作用达到动态平衡时变 形，称之为位错蠕变。 • 应变硬化就是变形晶体内位错密度增大（位 错缠结、交割等）； • 恢复是使变形晶体回复到未变形时的状态过 程，也就是是晶体内位错密度降低的过程 （攀移、交滑移、亚晶粒、动态重结晶）。
填方解石细脉) , ③期的细脉切过②期的(单偏光)
二、晶内滑移作用
• 晶内滑动有三种形式：平移滑动、双晶滑移和扭折
• 1.平移滑动：晶体一部分相对另一部分发生了单位晶格的整数倍滑移。
• 滑动时角剪切应变发生变化,晶格内部质点排列不变.滑动后晶体形态发 生改变,结晶学优选方位发生改变 .形成变形纹,变形条带,拔丝构造,波状 消光等组构