岩石变形物理学岩石力学性质.pptx
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1、会计学1岩石变形物理学岩石力学性质岩石变形物理学岩石力学性质岩石力学性质岩石力学性质uu岩石力学性质是岩石受力作用之后所反映的性状和特质。uu岩石力学性质主要是指岩石的岩石的变变形特征形特征和岩石的岩石的力学强度力学强度。uu岩石力学的性质与岩石变形有密切关系。第1页/共55页脆性变形脆性变形塑性变形塑性变形为什么要研究岩石的力学性质?为什么要研究岩石的力学性质?第2页/共55页岩石力学性质研究的途岩石力学性质研究的途径径(1)观察研究天然岩石的力学现象;(2)实验室内对岩石进行变形实验研究;(3)野外对岩石地质体实地试验研究;(4)理论分析和数值模拟研究;第3页/共55页韧性变形韧性变形脆性
2、变形脆性变形天然岩石变形天然岩石变形第4页/共55页0.1MPa0.1MPa高温流变仪高温流变仪样品装置示意图样品装置示意图实验室岩石变形实验实验室岩石变形实验第5页/共55页12=3=围压围压1=2=围压围压133差(异)应力(差(异)应力(differential stress)=1-3第6页/共55页岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线第7页/共55页l l当受到外应力作用时,对于不同的固体材料,其力学响应具有很大变化性。即使对某种特定的固体材料,它的力学响应也要取决于变形的物理和化学条件。l l目前,人们将材料的力学响应主要划分为弹性
3、(弹性(elastic)、塑)、塑性(性(plastic)和粘性()和粘性(viscous)三种基本类型以及它们之间的过渡类型。第8页/共55页岩石力学性质的一些基本概念(一)岩石力学性质的一些基本概念(一)l l弹性变形:弹性变形:弹性变形:弹性变形:指物体在外力作用下变形,外力卸载指物体在外力作用下变形,外力卸载后物体能完全恢复原状的变形,称为弹性变形后物体能完全恢复原状的变形,称为弹性变形 。具有这种变形性能的物体称为弹性变形体,弹。具有这种变形性能的物体称为弹性变形体,弹性变形体可又分为:性变形体可又分为:理想弹性体和非理想弹性体。理想弹性体和非理想弹性体。l l理想弹性体变形:理想弹
4、性体变形:理想弹性体变形:理想弹性体变形:应力与应变之间具有确定的单应力与应变之间具有确定的单值线性关系,符合虎克定律:值线性关系,符合虎克定律:=E=Ee e(E E为杨氏弹为杨氏弹性模量)性模量),它是瞬时,它是瞬时恢复原状恢复原状的可逆变形的可逆变形 。第9页/共55页岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线第10页/共55页l l非理想弹性体变形:非理想弹性体变形:非理想弹性体变形:非理想弹性体变形:是指受力后不产生瞬时全部是指受力后不产生瞬时全部弹性变形,而是随着时间的延长逐渐增大弹性变弹性变形,而是随着时间的延长逐渐增大弹性变形到应有的值,当形到应有的值,当外力卸载外力卸载后,
5、也不立即恢复原后,也不立即恢复原状,而是随时间延长逐渐恢复原状。这种现象称状,而是随时间延长逐渐恢复原状。这种现象称为为弹性后效(即滞弹性)。弹性后效(即滞弹性)。弹性后效(即滞弹性)。弹性后效(即滞弹性)。l l岩石的弹性变形通常表现为滞弹性(岩石的弹性变形通常表现为滞弹性(anelasticanelastic),),因而岩石的滞弹性具有重要意义。上地幔的地震因而岩石的滞弹性具有重要意义。上地幔的地震波衰减一般认为与岩石的滞弹性有关。波衰减一般认为与岩石的滞弹性有关。第11页/共55页滞弹性(滞弹性(anelastic)第12页/共55页岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线当变形继续
6、,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,表明岩石变形已超出其弹性极限而发生了永久变形(即塑性变形)。这个极限点的应力y叫屈服应力叫屈服应力(yield stress)第13页/共55页l l塑性变形塑性变形塑性变形塑性变形是指物体在外力施加过程中产生的变是指物体在外力施加过程中产生的变形,在外力解除后,永远不会自动恢复到原状形,在外力解除后,永远不会自动恢复到原状的变形。具有这种性能的变形体称为塑性变形的变形。具有这种性能的变形体称为塑性变形体。体。l l在在应力不超过某一临界值(即屈服应力)应力不超过某一临界值(即屈服应力)y y的的条件下,条件下,理想
7、塑性材料理想塑性材料理想塑性材料理想塑性材料可以持续永久变形,在可以持续永久变形,在这一临界值之下,材料不发生永久变形。这一临界值之下,材料不发生永久变形。岩石力学性质的一些基本概念(二)岩石力学性质的一些基本概念(二)第14页/共55页y理想塑性材料的力学行为理想塑性材料的力学行为应力应力第15页/共55页岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线第16页/共55页塑性变形材料的典型应变时间曲线塑性变形材料的典型应变时间曲线第17页/共55页岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线岩石变形的应力应变曲线第18页/共55页
8、第19页/共55页第20页/共55页韧性和塑性区别韧性和塑性区别n n韧性(延展性):韧性(延展性):韧性(延展性):韧性(延展性):是用来描述允许大应变,宏观以是用来描述允许大应变,宏观以均质变形为特征,而不管所包括的微观变形机制如均质变形为特征,而不管所包括的微观变形机制如何的流变性质。何的流变性质。n n塑性:塑性:塑性:塑性:是一种永久变形,它主要是是一种永久变形,它主要是用来描述用来描述晶内的晶内的位错运动,以及晶内扩散。位错运动,以及晶内扩散。n n岩石变形机制通常有三种:岩石变形机制通常有三种:(1 1)碎裂作用(碎裂作用(cataclasiscataclasis)(2 2)晶内
9、塑性(晶内塑性(intracrystalline plasticityintracrystalline plasticity)(3 3)晶内扩散流动(晶内扩散流动(flow by diffusive mass transferflow by diffusive mass transfer)第21页/共55页n n脆脆-韧性转化韧性转化从从宏观表象宏观表象上描述上描述n n脆脆-塑性转化塑性转化从从微观机制微观机制上描述上描述n n脆脆-塑塑(韧韧)性转换域性转换域是一个十分重要的是一个十分重要的问题,地球上大部分地震都发生在脆问题,地球上大部分地震都发生在脆-塑塑(韧韧)性转换域的深度。性转换
10、域的深度。第22页/共55页岩石圈简化流变学模型岩石圈简化流变学模型第23页/共55页(s s1 s s3)Depth(km)摩擦定律摩擦定律:t t=c+msmsn*(linear with depth)塑性塑性:(non-linear with depth&temperature)de/dt=C Dsn e-E/RTLog(Ds)=(1/n)log(de/dt)log(c)+E/(RT)第24页/共55页世界上一些地区地震震源深度分布柱状图世界上一些地区地震震源深度分布柱状图(据(据Maggi et al.,2000)第25页/共55页 岩石力学性质的一些基本概念(三)岩石力学性质的一些基
11、本概念(三)岩石力学性质的一些基本概念(三)岩石力学性质的一些基本概念(三)l l流体的粘性流体的粘性流体的粘性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存在的一种内摩擦效应。l l流体沿着流体沿着x x方向流动的方向流动的n n个不同流层。它们的流速个不同流层。它们的流速 是是y y的函数,的函数,在在y y轴方向的变化率称为速度梯度,轴方向的变化率称为速度梯度,d d/dy/dy。同一位置上的。同一位置上的剪应力(即摩擦阻力)与速度梯度呈正比关系剪应力(即摩擦阻力)与速度梯度呈正比关系l l=d d/dy /dy 粘度
12、(粘度(粘度(粘度(PasPas)l l(1 1)式中可作下列变换)式中可作下列变换l l(1 1)改写为)改写为l l(1 1)、()、(3 3)式称为)式称为牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律牛顿粘性定律,它表示剪切应力与剪切它表示剪切应力与剪切它表示剪切应力与剪切它表示剪切应力与剪切应变速率成正比。应变速率成正比。应变速率成正比。应变速率成正比。服从牛顿粘性定律的材料称为牛顿流体服从牛顿粘性定律的材料称为牛顿流体(或线粘性流体)。具牛顿粘性变形称为(或线粘性流体)。具牛顿粘性变形称为粘性流体变形粘性流体变形。(2)(1)(3)(4)第26页/共55页理想粘性材料的力学行为理想粘性材料的
13、力学行为应力应力第27页/共55页y理想塑性材料的力学行为理想塑性材料的力学行为应力应力第28页/共55页第29页/共55页l l弹塑性变形弹塑性变形弹塑性变形弹塑性变形指物体同时具有弹性和塑性的性能。指物体同时具有弹性和塑性的性能。在弹塑性变形中,有一部分是弹性,其余部分为在弹塑性变形中,有一部分是弹性,其余部分为塑性变形。塑性变形。l l粘弹性粘弹性粘弹性粘弹性变形变形变形变形既具有弹性,又能发生粘性流动的既具有弹性,又能发生粘性流动的物体物体材料,称为粘弹性,它所表现的力学性质,材料,称为粘弹性,它所表现的力学性质,称为粘弹性称为粘弹性变形变形。如蛋清就是一种粘弹性体。如蛋清就是一种粘弹
14、性体。l l地壳岩石在长期力作用下通常表现为一种同时具地壳岩石在长期力作用下通常表现为一种同时具有弹性和塑性的物质,这种弹性和塑性是指在弹有弹性和塑性的物质,这种弹性和塑性是指在弹性范围内显现的弹性和塑性,而且当岩层具有高性范围内显现的弹性和塑性,而且当岩层具有高度塑性时还能发生半粘性流动。度塑性时还能发生半粘性流动。第30页/共55页n n地壳岩石严格讲也是一种粘弹性体地壳岩石严格讲也是一种粘弹性体,只不过不像,只不过不像蛋清那样明显,这主要是它的流动需要在长时间蛋清那样明显,这主要是它的流动需要在长时间载荷下表现出来。载荷下表现出来。对于固体或流体而言,温度越对于固体或流体而言,温度越高,
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- 岩石 变形 物理学 力学 性质
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