地质构造力学基础.ppt

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1、2019年5月19日星期日,地质构造,永久变形,应力作用,地壳运动,地质构造的基本形态、组合型式、分布规律，与岩石或岩体的力学性质、所处的应力状态密不可分。 地质构造成因机制的研究，实际是进行力学成因机制的分析。 分析力学成因机制建立在现代岩石固体力学基础上（把岩石所受应力与岩石本身的力学性质结合起来进行的）建立在材料力学的实验基础上的。材料看成是均质的，在人为条件下短时间内进行的。 岩石是不均质的，所处环境是复杂的，变形经历时间漫长。 解决方法，均质、简化、模拟,2019年5月19日星期日,一、力 定义： 力是物体间的相互作用。 力是一种矢量，一般用力的三要素来表示（既力的作用点、大小和方向

2、）。作用于物体任何一点的力都可以进行力的分解，几个已知力也可以进行力的合成。,1.1 力和应力,2019年5月19日星期日,一、力 作用在岩石上的力，往往成对出现。,1.1 力和应力,压力两力作用同一直线、大小相等、方向相向。正。,张力两力作用同一直线、大小相等、方向相背。负。,剪力(扭力)两力作用非同一直线、大小相等、方向相反。,正剪力,负剪力,逆时针,顺时针,2019年5月19日星期日,二、外力和内力 处于地壳和岩石圈中的任何地质体，都会受到相邻介质的作用力。,1.1 力和应力,外力被研究物体（对象）以外的物体施加于所研究物体的作用力。分为：,面力通过接触面传递的力。接触面称界面或作用面。

3、 （接触力）,体力每个质点都受到的外力。（非接触力） 它不通过接触, 而是相隔一定的距离相互作用, 如太空星球之间的吸引力, 物体的重力等 。,2019年5月19日星期日,二、外力和内力,1.1 力和应力,内力由外力作用引起的物体内部各部分(质点)之间的相互作用力。分为：,固有内力未受外力时，质点之间的相互作用力。使各质点处于相对平衡状态，使物体保持固定的形状。,附加内力物体受到外力作用时，内部质点之间的相互作用力也会相应地改变，这种内力的改变量称为附加内力。它阻止物体继续变形并力图恢复其原来的形状。构造地质学研究中非常关注附加内力。,2019年5月19日星期日,二、外力和内力,1.1 力和应

4、力,内力外力，是个相对概念 内力 外力。 视研究对象而定,例如，对地球来说，月球的引力是外力，而自转产生的惯性力便是内力。但对地壳来说，惯性力又是外力，由于惯性力的作用，在地壳内部产生的抵抗力才是内力。由此可见，内力与外力是随着研究的对象的不同而转化的。 本章研究对象：主要研究附加内力。,2019年5月19日星期日,二、外力和内力,1.1 力和应力,外力,内力,外力,外力发生变形。 附加内力 反外力。 阻止继续变形。力图恢复原状。,2019年5月19日星期日,三、应力,1.1 力和应力,因为附加内力的存在阻止了物体发生变形。一个物体的变形和破坏与内力的大小有关，而内力的大小是由应力来度量的。所

5、以研究附加内力，就必须了解度量内力大小的应力是什么？,应力应力是物体单位面积上的内力。 应力单位：“帕斯卡” 。（Pa） 其大小取决于：总内力；作用面的大小。 当内力均匀分布，则截面A上的应力为： =P/A （为应力符号）,2019年5月19日星期日,三、应力,1.1 力和应力,当内力不均匀时：,合应力 任一截面上产生的与外力作用方向平行的应力。 正应力和剪应力 正应力：垂直截面的应力，以表示 剪应力：平行截面的应力，以表示 规定：正应力压为正，张为负。剪应力以逆时针方向为正、以顺时针方向为负。,2019年5月19日星期日,三、应力,1.1 力和应力,2019年5月19日星期日,三、应力,1.

6、1 力和应力,主应力、主方向、主平面 主应力：某一截面上只有正应力，没有剪应力时的正应力 主方向：主应力的方向 主平面：垂直于主应力的平面,2019年5月19日星期日,一、应力状态的概念,1.2 应力状态分析,定义：物体受到外力作用时，内部任一点各个截面上的应力分布情况。,2019年5月19日星期日,一、应力状态的概念,1.2 应力状态分析,单元体六个面上的正应力，称为主应力（可张、可压）。 三对主应力值相等时，物体只发生体积改变，而形状不变；三对主应力值大小不相等时，物体形状就会发生形状改变，这时三对主应力分别称为： 最大主应力（1） 中间主应力（2） 最小主应力（3） 13=应力差 当条件

7、相同时应力差愈大形变也愈大。,2019年5月19日星期日,一、应力状态的概念,1.2 应力状态分析,主方向(A),主平面(B),2019年5月19日星期日,一、应力状态的概念,1.2 应力状态分析,一点的三个主应力决定了该点的应力状态。 单轴应力状态一个主应力不为零，其余两个均为零。 双轴应力状态或平面应力状态一个主应力为零，其余两个均不为零。 三轴应力状态三个主应力均不为零，且123 。,2019年5月19日星期日,二、应力集中现象的分析,1.2 应力状态分析,应力集中又称应力扰动，是由于岩块或地块内部的局部不均匀性和不连续性，在岩体内部造成应力场局部变化的现象。应力集中会影响构造应力场中的

8、应力分布状态. 当受力岩石内部存在孔洞、缺口、微小裂隙等缺陷时易形成应力集中。,2019年5月19日星期日,二、应力集中现象的分析,1.2 应力状态分析,2019年5月19日星期日,二、应力集中现象的分析,1.2 应力状态分析,地球的演化经历了漫长的历史, 一个地区发生过多期次的构造运动和构造变形, 在早期构造变形的部位, 尤其是在断裂的端点, 拐折点, 分枝点以及两条或两条以上的断裂的交汇处, 都是后期构造应力场的应力集中部位。 有破裂存在的岩石再次受力后, 其应力集中与受力条件有密切关系, 例如, 张应力作用方向与先存破裂面垂直, 则在破裂面两端产生应力集中区; 当压应力作用方向与先存破裂

9、面垂直时, 则不出现应力集中区。 此外, 应力集中还与岩石的力学性质有关, 当岩石呈韧性时, 虽然岩石中有断裂存在, 后期构造应力场不会产生应力集中; 而岩石呈脆性状态时, 后期构造应力场则在断裂处容易产生应力集中。,2019年5月19日星期日,二、应力集中现象的分析,1.2 应力状态分析,应力集中现象,在断裂带中容易产生应力集中的部位示意图,2019年5月19日星期日,三、构造应力场,1.2 应力状态分析,构造应力场的概念 应力场某个地质体（物体）内部各点的瞬时应力状态所组成的空间(在三维空间上的组成的总体)，称为应力场。 均匀应力场、非均匀应力场 地壳中的应力场，是由地壳运动产生的，是形成

10、地质构造的主要因素。 构造应力场指地壳内一定范围内某一瞬时的应力状态。,2019年5月19日星期日,三、构造应力场,1.2 应力状态分析,构造应力场的特征 是指应力分布规律（大小、性质、方向、方式和变化）和构造形迹的总和,2019年5月19日星期日,三、构造应力场,1.2 应力状态分析,应力场分类,2019年5月19日星期日,三、构造应力场,1.2 应力状态分析,构造应力网络图 应力场的表示方法： 一般地，用地质体（物体）内各点的主应力1、 2 、 3 ，或最大或最小剪应力 的大小和方位来表示其应力场的状态和特征。 构造应力网络图依次沿相邻的各点的主应力或剪应力方向连接得到的轨迹线称为应力轨迹

11、线(又称应力网络)，由其绘制而成的应力轨迹图(应力网络图)能够客观地形象地定性表示某个地质体（物体）内的应力分布状态。,2019年5月19日星期日,三、构造应力场,1.2 应力状态分析,2019年5月19日星期日,1.2 应力状态分析,单向压缩的应力网络,最大应力迹线,最大剪应力迹线,最大剪应力迹线,2019年5月19日星期日,1.2 应力状态分析,单向拉伸的应力网络,最大应力迹线,最大前应力迹线,最大剪应力迹线,2019年5月19日星期日,1.2 应力状态分析,纯剪切的应力网络,最大应力迹线,最小应力迹线,最大剪应力迹线,2019年5月19日星期日,1.2 应力状态分析,直扭剪切附加侧向压缩

12、的应力网络,2019年5月19日星期日,1.2 应力状态分析,直扭剪切附加侧向拉伸的应力网络,2019年5月19日星期日,1.2 应力状态分析,旋扭剪切的应力网络,2019年5月19日星期日,例如, 一矩形物体在单向拉伸条件下, 仅有主张应力s3的轨迹和最大剪应力tmax轨迹线; 而在单向挤压的条件下, 仅有主压应力s1和最大剪应力tmax的轨迹线。,1.2 应力状态分析,2019年5月19日星期日,三、构造应力场,1.2 应力状态分析,应力等值线图 主应力或剪应力的应力等值线图能定量地表示某个地质体（物体）内各点的应力分布及其变化特点。因此，这两种图件是常用的有效的应力状态表示方法之一。,2

13、019年5月19日星期日,三、构造应力场,1.2 应力状态分析,构造应力的研究方法 古构造应力场 从构造形迹的力学性质及空间分布规律入手，反推形成构造形迹时的应力场的特征。反序法。 节理统计、岩组分析、泥巴模拟、光弹模拟、数学地质模拟等。,现代构造应力场 在地质分析的基础上用仪器进行实地测定。,2019年5月19日星期日,一、岩石的变形和应变的概念,1.3 岩石变形分析,岩石的变形与位移 变形 岩石受力后，内部各质点之间的位置发生改变，使其形态或体积发生变化的现象。,2019年5月19日星期日,一、岩石的变形和应变的概念,1.3 岩石变形分析,位移 物体内各质点的位置在变形前后的相对变化。（平

14、移、旋转、体变、形变） 平移、旋转：改变坐标，不改变形态 （内部各质点相对位置不变） 体变、形变：改变形态和体积 （内部各质点相对位置改变）,2019年5月19日星期日,一、岩石的变形和应变的概念,1.3 岩石变形分析,位移,位移的四种方式,2019年5月19日星期日,一、岩石的变形和应变的概念,1.3 岩石变形分析,岩石的应变 应变是指变形前后物体的形状、大小或物质线方位的改变量。（变形的程度）,2019年5月19日星期日,一、岩石的变形和应变的概念,1.3 岩石变形分析,岩石的应变 线应变变形前后线段长度的变化（ ） 应变量计算： A. 单位长度比： 式中：线应变量； L 0、L变形前、后

15、同一线段的长度比（伸长为正；缩短为负） B. 平方长度比： 式中：变形后、前同一线段的长度比的平方,2019年5月19日星期日,一、岩石的变形和应变的概念,1.3 岩石变形分析,L0,L,2019年5月19日星期日,1.3 岩石变形分析, 剪应变岩石在剪应力或扭应力作用下，使岩石内部原来垂直的两条微小线段所夹直角的改变量。 （1）定义： 角应变：变形前相互垂直的两条直线， 变形后其夹角偏离直角的量（） 剪应变：角应变的正切（ ） （2）应变量计算：= tg （右偏为正；左偏为负）,2019年5月19日星期日,二、岩石的变形和应变的概念,1.3 岩石变形分析,主应变、主应变面和主应变轴 主应变：

16、三个相互垂直的截面上的线应变。 主应变面：只有线应变的三个相互垂直的截面。 应变主方向：三个主应变方向。（也称主应变轴）,2019年5月19日星期日,二、岩石的变形的方式,1.3 岩石变形分析,2019年5月19日星期日,三、均匀应变与非均匀应变,1.3 岩石变形分析,1. 均匀应变： （1）定义： 物体内各质点的应变特点相同的变形(变形性质、方向和大小都相同) （2）特点：,变形前 变形 变形后 直线 直线 平行直线 平行直线 平面 平面 平行平面 平行平面,2019年5月19日星期日,三、均匀应变与非均匀应变,1.3 岩石变形分析,2. 非均匀应变： （1）定义： 物体内各质点的应变特点发

17、生变化的变形 (变形性质、方向和大小发生变化的变形) 例如, 弯曲和扭转就是非均匀变形, 构造地质学主要研究的多是这类变形, 但在具体研究时, 多把整体的非均匀变形分解成局部的均匀变形来讨论分析, 即把非均匀变形视为若干连续的局部均匀变形的总和。 （2）特点：,变形前 变形 变形后 直线 曲线 平行直线 非平行直线 平面 曲面 平行平面 非平行平面,2019年5月19日星期日,三、均匀应变与非均匀应变,1.3 岩石变形分析,3. 连续变形：物体内从一点到另一点的应变状态是逐渐变化的（如弯曲）。 4. 不连续变形：物体内从一点到另一点的应变状态是突然变化（如断开）。 褶皱是一种非均匀连续变形,2

18、019年5月19日星期日,三、均匀应变与非均匀应变,1.3 岩石变形分析,非均匀变形 A.变形前；B.变形后； C.不连续变形,弯曲变形,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,在外力作用下，岩石变形要经历弹性变形、塑性变形、断裂变形三个阶段。这三个阶段依次发生, 但不是截然分开的, 而是彼此过渡的。由于岩石力学性质不同, 不同岩石的三个变形阶段的长短和特点也各不相同。 1.弹性变形岩石在外力作用下变形, 当外力解除后, 岩石又恢复到变形前的状态, 这种变形行为叫弹性变形。 特点：应力与应变成正比。 （受力愈大，变形愈大，但有上限弹性极限）地震为例，小地震恢复，大

19、地震破坏。,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,线段0B弹性变形阶段。在岩石变形的初期阶段, 应力应变图上为一段斜率较陡的直线0A, 说明应力与应变成正比, 与A点对应的应力值为比例极限; 线段AB为曲线, 这时应力与应变不成比例, 与B点对应的应力值y为弹性极限. 在B点前撤除应力, 岩石可恢复到变形前的形态. 直线的斜率tan/E称弹性模量,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,2.塑性变形物体受力变形, 当作用力超过物体的弹性极限, 在物体中产生永久性不可恢复的变形叫塑性变形。 特点：外形变化，但内部结合力尚未破坏，任保持

20、其连续性。 褶皱构造就是岩石塑性变形与弹性变形结合的具体表现。其本质就是质点的滑动位移。此外，岩石在强大的应力下产生的压溶和重结晶作用，也能促使岩石的变形。,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,塑性变形的特点: BD 曲线为塑性变形阶段。应力与应变呈非线形关系, 当外力解除之后物体也不能恢复原状。在应力应变图上, 从B点开始, 受力物体进入塑性变形阶段, 过B点后, 曲线显著弯曲, 当达到C点后, 曲线变成近水平状态, 这意味着即使载荷增加很少, 甚至没有增加载荷的情况下, 变形也会显著增加, 此时岩石抵抗变形的能力很弱, 这种现象称为屈服或塑性流变, C点为

21、屈服点, 对应该点的应力值sg称屈服极限。过C点后应力缓慢增加, 一直到D点, 应力值增加到最大值。,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,断裂变形： （教材29页定义） 定义：当应力达到或超过岩石的强度极限时，岩石的内部结合力遭到破坏，就会产生破裂面，岩石失去连续完整性，这时就发生了断

22、裂变形。 几个概念： 强度极限：是指在常温常压下使固体物质开始破坏时的应力值。 强度：岩石抵抗外力作用的能力。 一般岩石的抗压强度要远大于岩石的抗剪、抗张强度。（抗压强度约为抗张强度的30倍）,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,断裂变形的特点: 应力与应变呈非线性关系, 受力物体失去连续性。 在应力应变图上, D点即为岩石的强度极限点, 对应该点的应力值sD为强度极限, 过D点后, 应力下降较快, 岩石产生破裂, 失去连续完整性。,2019年5月19日星期日,五、岩石的力学性质,1.3 岩石变形分析,岩石的变形与岩石的力学性质密切相关。 岩石的弹性与塑性 岩

23、石具有弹性变形的性质，称为弹性。 地震波的传播，对研究地质构造无直接意义。 岩石具有塑性变形的性质，称为塑性。 褶皱构造 岩石是既具弹性，又具塑性的弹塑性材料，不存在消长关系。 岩石的脆性与韧性 脆性: 岩石在弹性变形阶段后至断裂前, 没有或只有极小的塑性变形(35%).称为脆性。,2019年5月19日星期日,五、岩石的力学性质,1.3 岩石变形分析,脆性韧性: 岩石在断裂前塑性变形的应变量为58%。 韧性: 岩石在断裂前能承受较大的变形(塑性变形量超过10%)而不失去连续完整性时，称 。 岩石的脆性和韧性是相互消长的。,岩石的刚性 岩石不易发生变形的性质，称为刚性。 岩石为非理想刚性体。 岩

24、石的粘性 岩石易发生流动变形的性质，称为粘性。 岩石为非理想粘性体。,2019年5月19日星期日,五、岩石的力学性质,1.3 岩石变形分析,脆性和刚性的岩石，往往表现为性硬硬性岩石。 弹性、塑性、韧性和粘性强的岩石，往往表现为性软软性岩石。,2019年5月19日星期日,六、岩石的蠕变和松弛,1.3 岩石变形分析,岩石的蠕变 当作用于岩石应力保持长期不变时，岩石的应变会随应力作用时间的延长而逐渐加大，称为岩石的蠕变。 岩石的松弛 在岩石受力变形的过程中，若待应力和应变达到一定值以后就维持应变量不变，则需继续作用的应力值会随时间的延长而逐渐减小，称为岩石的松驰。,2019年5月19日星期日,七、岩

25、石的强度和断裂变形方式,1.3 岩石变形分析,岩石的强度 当岩石所受应力达到或超过岩石的强度极限时，就会发生断裂。岩石的抵抗破坏的能力，称为岩石的强度。,同一岩石的强度, 在不同性质的应力作用下, 差别较大。 常温常压下一些岩石的强度极限,岩石的 抗压强度抗剪强度抗张强度,2019年5月19日星期日,七、岩石的强度和断裂变形方式,1.3 岩石变形分析,岩石的断裂方式 岩石受力发生断裂的方式有张裂和剪裂两种， 张裂是在张力作用下产生的，当张应力达到或超过岩石的抗张强度时就会发生张裂。 剪裂是在剪应力作用下产生的。当剪应力达到或超过岩石的抗剪强度时就会发生剪裂。,受力类型,张裂,剪裂,挤压作用,拉

26、伸作用,剪切作用,2019年5月19日星期日,八、岩石剪裂角的分析,1.3 岩石变形分析,岩石剪裂角和库仑剪切破裂线的概念 在岩石变形实验中发现, 岩石受到挤压力的作用, 会在与挤压力方向成一定交角的位置形成一对剪切破裂, 由于这一对剪切破裂是受同一作用力而形成的, 构造地质学中称这一对剪切破裂为共轭剪切破裂。 当岩石发生共轭剪切破裂时, 包含s1象限的共轭剪切破裂面中间的夹角称为共轭剪切破裂角（2） s1作用方向与剪切破裂面的夹角称为剪裂角（）,2019年5月19日星期日,八、岩石剪裂角的分析,1.3 岩石变形分析,二维应力状态的应力分析可知, 两组最大剪应力作用面与s1或最小主应力轴的夹角

27、均为45, 二剪裂面之间的夹角为90, 二剪裂面的交线是中间应力轴s2的作用方向。 但从野外实地观察和室内岩石实验来看, 包含s1的共轭剪切破裂角常常90, 通常在60左右, 而共轭剪切破裂的剪裂角则45, 也就是说, 两组共轭剪裂面并不沿理论分析的最大剪应力作用面的方位发育, 这个现象可用库伦、莫尔强度理论来解释。,2019年5月19日星期日,1.3 岩石变形分析,据岩石实验, 库伦剪切破裂准则认为, 岩石抵抗剪切破坏的能力不仅与作用在截面上的剪应力有关, 而且还与作用在截面上的正应力有关, 设产生剪切破裂的极限剪应力为t, 可写成如下关系式: t=t0+msn 式中t0 是当sn =0时岩

28、石的抗剪强度, 在岩石力学中又称内聚力, 对于一种岩石而言t0是一常数。sn是剪切面上的正应力, 当sn为压应力时, sn为正值, t将增大;当sn为张应力时, sn为负值, t将减小; m为内摩擦系数, 即为上述直线方程中的直线的斜率, 如果以直线的斜角f表示, 则m=tanf, 因此, 上式可写成: t=t0+sn tan f,2019年5月19日星期日,1.3 岩石变形分析,t=t0+sn tan f 上式为库伦剪切破裂准则的关系式, f为岩石的内摩擦角。在s、 t坐标的平面内, 上式为两直线, , 称剪切破裂线, 该线与极限应力圆的切点代表剪切破裂面的方位及其应力状态。图中可以看出,

29、该切点并不代表最大剪应力作用的截面,而是代表略小于最大剪应力的一个截面。其上的压应力值介于s1 、s3之间, 并接近s3 值。剪切破裂线总是向着s轴的负方向倾斜, 说明该截面上的剪应力值比最大剪应力值略小, 其上的压应力值却比最大剪应力面上的压应力要小得多, 因此, 该截面阻碍剪裂发生的抵抗力也就小得多, 所以, 在这个截面上最容易产生剪切破裂。,2019年5月19日星期日,1.3 岩石变形分析,t=t0+sn tan f 当岩石发生剪切破裂时, 剪裂面与最大主应力轴s1的夹角(剪裂角)q=45-f/2, 共轭剪裂角为2q=90f。由此可见, 剪裂角的大小取决于内摩擦角(f)的大小, 内摩擦角

30、小, 剪裂角就大, 内摩擦角大, 剪裂角就小。 不同岩石的内摩擦角是不同的, 在变形条件相同的情况下, 脆性岩石的内摩擦角往往要大于韧性岩石的内摩擦角。,岩石沿着与最大主应力轴分别 呈45-/2和135- /2 夹角的两个剪面破裂。,2019年5月19日星期日,1.3 岩石变形分析,莫尔剪切破裂准则: 该准则认为, 相当多材料的内摩擦角f并不是一个固定的常数, 其破裂线的方程一般表达式为: t n =f (sn ) 该破裂线称莫尔包络线, 其为曲线, 包络线各点坐标(sn , t n )代表各种应力状态下在即将发生剪切破裂的截面上的极限应力值。由于f角是变化的, 因而剪裂角q也是变化的, 但仍

31、小于45。,2019年5月19日星期日,一、应变椭球体,1.4 应变椭球体与递进变形,应变椭球体的概念 岩石发生变形时, 其内部质点的相对位置将发生变化。设想在变形前岩石中有一个半径为1 的单位球体, 变形后成为一椭球体。这一个椭球的形态和方位表示了岩石的应变状态, 称为应变椭球体. 应变椭球有三个互相垂直的主轴, 沿主轴方向只有线应变而没有剪应变。 在三个主轴不等时, 分别叫最大应变轴, 最小应变轴和中间应变轴.,2019年5月19日星期日,一、应变椭球体,1.4 应变椭球体与递进变形,1. 定义： 用来表示应变状态的椭球 2. 特征： (1)变形前是球，均匀变形后为一椭球 (2)有三个相互

32、垂直的主轴（X、Y、Z），分别代表最大、中间、最小应变轴（或1、2、3；A、B、C ） (3)有三个相互垂直的主平面（YZ、XZ、XY），分别垂直X、Y、Z轴 (4)应力与应变有密切关系： 最大应变轴平行最小压应力轴和最大张应力轴 最小应变轴平行最大压应力轴和最小张应力轴,2019年5月19日星期日,一、应变椭球体,1.4 应变椭球体与递进变形,分别以X,Y,Z (或A, B, C) 来表示应变椭球的最大, 中间, 最小应变轴, 包含任意两个主轴所构成的平面叫主平面. 所以, 应变椭球体具有XY, YZ, XZ ( 或AB, BC, AC) 主轴构成的三个主平面。,2019年5月19日星期日,

33、一、应变椭球体,1.4 应变椭球体与递进变形,应变椭球体的三个主轴方向与地质构造的空间方位有关： 垂直最小应变轴Z轴的主平面(XY面, 或AB面)是压扁变形面, 它代表了褶皱构造的轴面, 片理面等面状地质构造的方位. 平行最小应变轴Z轴的主平面(XY面, 或AB面)是最大压缩方向. 垂直最大应变轴X轴的主平面(YZ面, 或BC面)是拉伸变形面, 它代表了张节理等面状地质构造的的方位. 平行最大应变轴X轴的主平面(YZ面, 或BC面)是最大拉伸方向, 它常常反映在矿物的拉伸定向排列上.,2019年5月19日星期日,二、递进变形,1.4 应变椭球体与递进变形,递进变形的概念 在同一动力持续作用的变

34、形过程中, 如果应变状态发生连续的变化, 这种变形叫做递进变形 递进变形是一个过程, 在此变形过程中, 岩石内部的应变状态随变形过程的发展而变化, 会依次出现性质和方位不同的应变状态, 并导致地质构造变形的发展及其力学性质的转化。因此, 递进变形既涉及变形的空间分布规律, 也涉及到时间因素, 它是岩石变形的历史过程。,2019年5月19日星期日,二、递进变形,对于同一变形过程来说, 增量应变和全量应变之间是有密切关系的, 全量应变的大小等于各阶段增量应变之和。,2019年5月19日星期日,二、递进变形,2019年5月19日星期日,二、递进变形,2019年5月19日星期日,二、递进变形,递进的简

35、单剪切是非共轴递进变形的典型实例。,2019年5月19日星期日,一、岩石的成分、结构和构造,1.5 影响岩石力学性质和变形的因素,岩石矿物成分、结构和构造，所处的地质环境包括围压、温度、溶液、孔隙压力、应力作用方式和作用时间等，对岩石的力学性质和变形的影响都是十分明显的。,岩石的成分 岩石成分，在一定的条件下，对岩石的力学性质和变形会产生明显的影响。 含硬度大的粒状矿物越多的岩石，强度越大，呈脆性变形，如石英砂岩，花岗岩等。 含硬度的片状矿物，强度越小，呈韧性变形，如粘土岩、片岩等。,2019年5月19日星期日,一、岩石的成分、结构和构造,1.5 影响岩石力学性质和变形的因素,岩石的结构和构造

36、 ,2019年5月19日星期日,二、围压（静岩压力）,1.5 影响岩石力学性质和变形的因素,岩石处于地下深处时, 承受着周围岩体对它施加的围压, 岩石所处深度越大, 围压就越大, 增大围压的效应一方面增大了岩石的强度极限, 另一方面增大了岩石的韧性。,2019年5月19日星期日,三、温度,1.5 影响岩石力学性质和变形的因素,绝大多数岩石在近地表的常温常压的条件下是脆性的, 随着岩石所处深度的增加, 温度也随之的升高, 温度的升高导致岩石的强度降低, 弹性减弱, 韧性显著增强。,2019年5月19日星期日,三、温度,1.5 影响岩石力学性质和变形的因素,高温塑性变形形成的肠状褶皱,2019年5

37、月19日星期日,四、溶液,1.5 影响岩石力学性质和变形的因素,影响岩石的强度和质点迁移能力(异常孔隙流体) 。,在干燥和潮湿这两种不同的条件下, 岩石的力学性质是大不相同的。当岩石中有溶液或水蒸气时, 会降低岩石的强度极限, 增加了岩石的韧性。此外, 岩石中的溶液, 可以降低岩石内矿物颗粒之间的粘结力, 使岩石受力后, 易发生颗粒粒间滑动, 从而造成岩石的塑性变形。溶液还可溶解岩石中的部分易溶组分, 在岩石中留下微小孔洞, 导致岩石的强度降低。,2019年5月19日星期日,1.5 影响岩石力学性质和变形的因素,岩石的变形实验还表明, 同一种岩石, 因其内中的溶液介质不同, 其强度降低的程度也

38、不同。例如, 处于围压为1000MPa的大理岩, 在煤油介质内的抗压强度为810MPa, 但在水溶液中, 它的抗压强度却降低为156MPa, 仅为在煤油中的抗压强度的五分之一。 溶液对岩石的力学性质的影响的原因是, 溶液的加入使分子的活动能力增强, 由此导致了岩石的内摩擦力和分子之间的凝聚力必然减少, 从而降低了岩石和矿物的强度。 下表列举了部分岩石在干燥和潮湿条件下抗压强度的降低率(单位:Mpa),2019年5月19日星期日,五、孔隙水压力,在沉积物沉积时, 一些流体被封闭在粒间孔隙内, 沉积物被压实后, 其中部分液体被挤出, 但大部分仍留岩石孔隙中和岩层中。这种岩石孔隙内的流体的压力称为孔

39、隙压力 。 在正常情况下, 地壳内任一深度上孔隙水的流体静压力相当于这一深度到地表的水柱的压力, 约等于围压(静岩压力)的40%。由于快速沉积或构造变动使沉积物快速压实而孔隙水不能及时排出, 可使孔隙压力异常增大。 孔隙压力Pp的作用在于, 它抵消了围压Pc的作用, 这时对变形起作用的是有效围压Pe: Pe=PcPp 因此, 当岩石中存在有异常的孔隙压力时, 就产生了类似降低围压的效果, 降低围压就等于降低了岩石的强度。Heard 在大理岩变形实验中发现, 当孔隙压力为围压的90%时, 压缩条件下的脆性韧性过渡将由原来的3.5km加深到5.5km。,2019年5月19日星期日,六、时间,一般将

40、单位时间内物质的应变量或变形量称为应变速率或变形速率, 其单位为cm/s。地质条件下的岩石变形持续的时间相当漫长, 一个造山带的变形和形成可能要经历几百万年乃至上千万年。 1. 施力速度 快速施力, 不仅加快岩石的变形速度, 而且使岩石的脆性变形得以加强。例如, 常温常压下的沥青和潮湿粘土具韧性特征, 但在快速冲击力的作用下, 会像脆性物质一样地破坏。 慢速施力, 会使脆性物质发生塑性变形, 长时间地缓慢持续施力, 使物体破坏所需要地应力远比迅速施力使之破坏所需的应力小得多。,2019年5月19日星期日,六、时间, 施力重复次数 岩石多次重复受力, 即使作用力不大, 也能造成岩石破裂, 物质变

41、形实验表明, 当施加应力次数增加时, 材料破裂时的应力值就降低; 当降至某一应力值时, 应力曲线便趋于水平, 该应力值代表了材料在重复受力情况下发生破裂的最低应力极限, 称为疲劳极限或耐力极限。,2019年5月19日星期日,六、时间,蠕变与松弛 (1) 蠕变: 是指在应力不增加的情况下, 随着时间的增长, 物体变形继续缓慢增加的现象。 (2) 松弛: 是指当受力物体应变保持不变时, 随时间的增长, 应力逐渐减小的现象。 以上两种现象均与时间有关, 它们都反映了一条规律, 即长时间的缓慢变形会降低材料的弹性极限。 脆性降低，韧性增强。易于持续塑性变形。,89,影响岩石力学性质的各种因素,2019

42、年5月19日星期日,作业及思考题：,1. 面力、体力、外力、内力、正应力和剪应力的含义是什么？ 2. 哪些因素可以在岩石中引起应力集中？ 3. 什么是变形、位移和应变？ 4.全量应变与增量应变之间是什么关系？ 5.岩石变形一般经历哪几个阶段？ 影响岩石变形特征的外部因素主要有哪些？它们如何影响岩石的变形？,2019年5月19日星期日,本章结束,2019年5月19日星期日,使用时，直接删除本页！,精品课件，你值得拥有！,精品课件，你值得拥有！,2019年5月19日星期日,使用时，直接删除本页！,精品课件，你值得拥有！,精品课件，你值得拥有！,2019年5月19日星期日,使用时，直接删除本页！,精品课件，你值得拥有！,精品课件，你值得拥有！,图7-10,sAs,