【构造地质学 春季课件】第5章 岩石力学性质
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理论分析和数值模拟。
岩石力学性质是构造分析的基础
岩石是如何变形的？
地壳变形过程与受力作用
实验室岩石变形实验
0.1MPa高温流变仪
样品装置示意图
实验试样及主应力图示
σ1 压 缩
σ2=σ3= 围压
σ3 拉 伸
σ1=σ2= 围压
差（异）应力（differential stress）σ=σ1-σ3
岩石弹性变形通常表现为 滞弹性（anelastic）。岩 石的滞弹性具有重要意义， 上地幔的地震波衰减就被 认为与岩石的滞弹性有关。
屈服应力σy（yield stress）
随着变形继续，应力－ 应变曲线斜率变小，这 时如果撤除应力，曲线 并不回到原点，而与e轴 交于e1，说明试样由于 超出其弹性极限而发生 了永久变形。这个极限 点的应力叫屈服应力σy （yield stress）。
有效压力（Pe）降低，使岩石易于 破裂，强度降低。
硅酸盐矿物在高压和高温条件下 的水弱化作用
[Si-O-Si]+H2O→
X→2[SiOH]
X是活化了的化合物。
水弱化结果：
物体的弹性形变_胡克定律
岩石变形的应力－应变曲线
弹性变形与塑性变形
弹性变形 ：岩石在外力作用下发 生变形，当外力解除后，又完全 恢复到变形前的状态，该变形称 为弹性变形 。特点：应力和应变 成正比，符合虎克定律。
σ=Ee
E—弹性模量/杨氏模量
塑性变形：随着外力继续增加， 变形继续增大，当应力超过岩石
材料的粘弹性
非线粘性流体：非牛顿流体。其 发生流动变形时，各点剪应力与 剪应变速率成非线性关系。
粘弹性：既具有弹性，又能发生 粘性流动的材料，称为粘弹性体， 它所表现出来的力学性质，称为 粘弹性。
流体具有流动性，具有粘性。岩Βιβλιοθήκη Baidu石也具有流动性和粘性。只是其 流动速度比液体要缓慢得多而不 易觉察出来，从而说明岩石的粘 度较大。例如在常温下，石灰岩 的粘度约为冰川冰粘度的1亿倍。
晶内塑性（intracrystalline plasticity） 物质扩散流动（flow by diffusive mass transfer）
粘性和粘度
流体的粘性是指流体内部各流层之间相对滑动时，层面之间
存在的一种内摩擦效应。
流u在体y轴沿. 方着向x方的向变流化动率的称n为个速不度同梯流度层，。它du们/dy的。.流同速一u位.是置y的上函的数剪，
4.流体（fluid）
孔隙流体对岩石力学性质影响表现 为两个方面：物理方面影响和化学 方面影响。
当岩石中流体含量增加时，岩石强 度降低。流体促使矿物在应力作用 下的溶解和重结晶，从而促使塑性 变形；
产生孔隙流体压力效应：地壳中流 体孔隙压力（静水压力）为静岩压 力的40％。在变形过程中孔隙压力 （Pp）的作用会抵消围压（Pc）的 作用，对变形实际起作用时有效围 压（Pe）Pe=Pc-Pp
第二节 影响岩石力学性质的因素
结构构造特征 颗粒形状大小
内表面等
颗粒边界 分界面的特征 颗粒的连接
岩石的矿物 组成、孔隙度
饱水度
岩石的 物理性质
热动力条件 温度压力 应力场
质 信
息
模
型
球 地
各
物
岩石物理学
理数据 转换为地
岩
石
圈
种
1.各向异性（anisotropy）
橄榄石晶体
沉积岩的水平层理
2.围压（pressure）
3-9
10-30
石灰岩 96 (6-360)
3-6
12-20
砂岩 74 (11-252)
1-3
5-15
玄武岩 275 (200350)
10
页岩 岩石20－变8形0 的应力－应变曲线 2
岩石的抗压强度>抗剪强度>抗张强度
脆性
脆性：脆性材料在弹性范围内或弹 性变形后立即破裂，即在破裂前没 有或有极小的塑性变形，材料的这 种性质称为脆性。
的弹性极限后，再将应力撤去，
变形岩石已不能完全恢复原来的
形状，保留一定的永久变形，该
变形称为塑性变形 。
岩石变形的应力－应变曲线
滞弹性（anelastic）
非理想弹性体的变形：受 力不立即产生全部弹性变 形，而是随着时间的延长 逐渐增大弹性变形到应有 的值；当撤除外力后，也 不立即恢复原状，而是随 时间延长逐渐恢复原状。 这种现象称为弹性后效 （即滞弹性）。
第5章 岩石力学性质
第一节 岩石力学性质的几个 基本概念
岩石力学性质
岩石力学性质是岩石受力 作用之后的反映，主要指 岩石变形特征及岩石的力 学强度。岩石变形与岩石 本身力学性质有密切关系。
岩石力学性质研究的途径：
野外观察天然岩石力学现 象；
实验室内岩石变形实验；
野外对岩体进行实地实验；
增大围压的效应有两方面： 增大了岩石极限强度； 增大了岩石的韧性。
3.温度（temperature）
温度是影响岩石力学性质和 流变强度的重要因素。
温度的升高使岩石的韧性增 大，屈服强度降低；
温度升高和围压增加，导致 岩石从脆性向韧性过渡， 孕育着发震层；
温度对沥青的变形强度影响 是一个很生动的例子（夏 天的沥青和冬天的沥青强 度大不一样）。
脆性破裂：脆性材料的破裂称为脆 性破裂。
脆性破裂方式：张破裂和剪破裂。
韧性和塑性区别
韧性（延性）是用来描述允许大应变，以宏观均 质变形为特征，而不管所包括的微观变形机制如 何的流变性质。
塑性是一种永久变形，它涉及晶内的位错运动的 微观机制，可能还包括扩散。
岩石变形机制通常有三种：
碎裂机制（cataclasis）；
应力（摩擦阻力）与速度梯度呈正比关系
τ=η.du/dy η粘度（Pa·s）（1） y
（1）式中可作下列变换
u. =u.(y)
du d ( du ) d ( du ) d dy dy dt dt dy dt
（2）
（1）改写为
（3）
（4）
0
x
（1）、（3）式称为牛顿粘性定律，服从牛顿粘性定律的材 料称为牛顿流体（或线粘性流体）。
塑性材料的力学行为
塑性变形材料
理想塑性材料
当应力超过一定 值时，岩石就会 以某种方式而破 环，发生断裂变 形。这时的应力 值称为岩石的极 限强度或强度。
常温常压下一些岩石的强度极限
岩石
抗压强度 (MPa)
抗张强度 (MPa)
抗剪强度 (MPa)
花岗岩 148 (37-379)
3-5
15-30
大理岩 102 (31-262)
岩石力学性质是构造分析的基础
岩石是如何变形的？
地壳变形过程与受力作用
实验室岩石变形实验
0.1MPa高温流变仪
样品装置示意图
实验试样及主应力图示
σ1 压 缩
σ2=σ3= 围压
σ3 拉 伸
σ1=σ2= 围压
差（异）应力（differential stress）σ=σ1-σ3
岩石弹性变形通常表现为 滞弹性（anelastic）。岩 石的滞弹性具有重要意义， 上地幔的地震波衰减就被 认为与岩石的滞弹性有关。
屈服应力σy（yield stress）
随着变形继续，应力－ 应变曲线斜率变小，这 时如果撤除应力，曲线 并不回到原点，而与e轴 交于e1，说明试样由于 超出其弹性极限而发生 了永久变形。这个极限 点的应力叫屈服应力σy （yield stress）。
有效压力（Pe）降低，使岩石易于 破裂，强度降低。
硅酸盐矿物在高压和高温条件下 的水弱化作用
[Si-O-Si]+H2O→
X→2[SiOH]
X是活化了的化合物。
水弱化结果：
物体的弹性形变_胡克定律
岩石变形的应力－应变曲线
弹性变形与塑性变形
弹性变形 ：岩石在外力作用下发 生变形，当外力解除后，又完全 恢复到变形前的状态，该变形称 为弹性变形 。特点：应力和应变 成正比，符合虎克定律。
σ=Ee
E—弹性模量/杨氏模量
塑性变形：随着外力继续增加， 变形继续增大，当应力超过岩石
材料的粘弹性
非线粘性流体：非牛顿流体。其 发生流动变形时，各点剪应力与 剪应变速率成非线性关系。
粘弹性：既具有弹性，又能发生 粘性流动的材料，称为粘弹性体， 它所表现出来的力学性质，称为 粘弹性。
流体具有流动性，具有粘性。岩Βιβλιοθήκη Baidu石也具有流动性和粘性。只是其 流动速度比液体要缓慢得多而不 易觉察出来，从而说明岩石的粘 度较大。例如在常温下，石灰岩 的粘度约为冰川冰粘度的1亿倍。
晶内塑性（intracrystalline plasticity） 物质扩散流动（flow by diffusive mass transfer）
粘性和粘度
流体的粘性是指流体内部各流层之间相对滑动时，层面之间
存在的一种内摩擦效应。
流u在体y轴沿. 方着向x方的向变流化动率的称n为个速不度同梯流度层，。它du们/dy的。.流同速一u位.是置y的上函的数剪，
4.流体（fluid）
孔隙流体对岩石力学性质影响表现 为两个方面：物理方面影响和化学 方面影响。
当岩石中流体含量增加时，岩石强 度降低。流体促使矿物在应力作用 下的溶解和重结晶，从而促使塑性 变形；
产生孔隙流体压力效应：地壳中流 体孔隙压力（静水压力）为静岩压 力的40％。在变形过程中孔隙压力 （Pp）的作用会抵消围压（Pc）的 作用，对变形实际起作用时有效围 压（Pe）Pe=Pc-Pp
第二节 影响岩石力学性质的因素
结构构造特征 颗粒形状大小
内表面等
颗粒边界 分界面的特征 颗粒的连接
岩石的矿物 组成、孔隙度
饱水度
岩石的 物理性质
热动力条件 温度压力 应力场
质 信
息
模
型
球 地
各
物
岩石物理学
理数据 转换为地
岩
石
圈
种
1.各向异性（anisotropy）
橄榄石晶体
沉积岩的水平层理
2.围压（pressure）
3-9
10-30
石灰岩 96 (6-360)
3-6
12-20
砂岩 74 (11-252)
1-3
5-15
玄武岩 275 (200350)
10
页岩 岩石20－变8形0 的应力－应变曲线 2
岩石的抗压强度>抗剪强度>抗张强度
脆性
脆性：脆性材料在弹性范围内或弹 性变形后立即破裂，即在破裂前没 有或有极小的塑性变形，材料的这 种性质称为脆性。
的弹性极限后，再将应力撤去，
变形岩石已不能完全恢复原来的
形状，保留一定的永久变形，该
变形称为塑性变形 。
岩石变形的应力－应变曲线
滞弹性（anelastic）
非理想弹性体的变形：受 力不立即产生全部弹性变 形，而是随着时间的延长 逐渐增大弹性变形到应有 的值；当撤除外力后，也 不立即恢复原状，而是随 时间延长逐渐恢复原状。 这种现象称为弹性后效 （即滞弹性）。
第5章 岩石力学性质
第一节 岩石力学性质的几个 基本概念
岩石力学性质
岩石力学性质是岩石受力 作用之后的反映，主要指 岩石变形特征及岩石的力 学强度。岩石变形与岩石 本身力学性质有密切关系。
岩石力学性质研究的途径：
野外观察天然岩石力学现 象；
实验室内岩石变形实验；
野外对岩体进行实地实验；
增大围压的效应有两方面： 增大了岩石极限强度； 增大了岩石的韧性。
3.温度（temperature）
温度是影响岩石力学性质和 流变强度的重要因素。
温度的升高使岩石的韧性增 大，屈服强度降低；
温度升高和围压增加，导致 岩石从脆性向韧性过渡， 孕育着发震层；
温度对沥青的变形强度影响 是一个很生动的例子（夏 天的沥青和冬天的沥青强 度大不一样）。
脆性破裂：脆性材料的破裂称为脆 性破裂。
脆性破裂方式：张破裂和剪破裂。
韧性和塑性区别
韧性（延性）是用来描述允许大应变，以宏观均 质变形为特征，而不管所包括的微观变形机制如 何的流变性质。
塑性是一种永久变形，它涉及晶内的位错运动的 微观机制，可能还包括扩散。
岩石变形机制通常有三种：
碎裂机制（cataclasis）；
应力（摩擦阻力）与速度梯度呈正比关系
τ=η.du/dy η粘度（Pa·s）（1） y
（1）式中可作下列变换
u. =u.(y)
du d ( du ) d ( du ) d dy dy dt dt dy dt
（2）
（1）改写为
（3）
（4）
0
x
（1）、（3）式称为牛顿粘性定律，服从牛顿粘性定律的材 料称为牛顿流体（或线粘性流体）。
塑性材料的力学行为
塑性变形材料
理想塑性材料
当应力超过一定 值时，岩石就会 以某种方式而破 环，发生断裂变 形。这时的应力 值称为岩石的极 限强度或强度。
常温常压下一些岩石的强度极限
岩石
抗压强度 (MPa)
抗张强度 (MPa)
抗剪强度 (MPa)
花岗岩 148 (37-379)
3-5
15-30
大理岩 102 (31-262)