影响岩石力学性质的因素

(一)围压

设地壳深部一岩块与地表距离为z，上覆岩层密度为ρ，重力加速度为g，则该岩块受上覆岩层的压力为σ_z。在σ_z的作用下，岩块有水平方向扩张的趋势，但由于围岩的制约，不允许横向扩张，即e_x=e_y=0，因此，水平方向的压应力σ_x=σ_y。则有：

构造地质学(第二版)

式中：μ为泊松比。在地壳深处，岩石处于高温、高压状态，延性明显增加，应力差减小。当μ=0.5时：σ_x=σ_y=σ_z=ρgz，τ_xy=τ_xx=τ_yz=0。此时岩石处于静水压力状态。

带有围压的岩石力学实验是将圆柱形试件放在密封压力室内，四周用油或气体施加围压σ₂=σ₃，由活塞施加轴向载荷σ₁。以σ₁-σ₃为纵坐标，以应变ε为横坐标，即可绘制出应力-应变曲线。

在不同围压下进行的大理岩三轴实验表明(图3-31)，随着围压增加，岩石弹性极限增大，延性增强，强度及破坏前的应变增大。但岩石类型不同，所受影响的程度不同。

图3-31 大理岩在不同围压下应力-应变曲线

(据Karman，1912)

对碳酸盐类岩石及砂岩来说，围压对弹性极限的影响较小，对延性影响较大。例如，Carrara大理岩(图3-31)在围压为零时呈现脆性，在应变小于1%时即发生脆性破裂；当围压增加到50MPa时出现脆-延性过渡状态；当围压达68.5MPa时则出现明显的延性流动。

对大部分硅酸盐类岩石来说，围压的加大将使弹性极限有显著提高，但破裂前的永久变形量提高不大。玄武岩和花岗岩在室温下脆-延性转化的围压为1000MPa，而石英岩在2000MPa时仍为脆性。

围压对岩石力学性质影响的原因在于围压增加使固体物质质点彼此靠近从而增加了岩石内聚力。

(二)温度

在地壳常温层以下，温度随深度的增加而增加。估计地壳底部温度可高达1100～1300℃。因此，在研究地壳岩石变形时必须考虑温度因素。

在固定围压、不同温度条件下进行的岩石力学实验表明，温度升高可降低岩石的弹性极限和强度，促进岩石的延-脆性转化。

图3-32是花岗岩在500MPa围压、各种温度下的应力-应变曲线。在室温情况下花岗岩是脆性的；在300℃时已产生显著的永久变形；在800℃时几乎是完全延性的。

图3-32 花岗岩在500MPa围压各种温度下应力-应变曲线

(据Griggs et al.)

温度还可以促进蠕变和松弛现象的发生和发展。

温度升高产生延性的原因是由于在高温条件下岩石内部分子的热运动增强，因此削弱了岩石的内聚力，使晶粒容易产生滑移。

(三)孔隙液压

地壳的岩石中含有各种原生或次生的孔隙或裂隙。对结晶岩石来说，原生孔隙或裂隙往往存在于矿物颗粒接触面间或矿物内部(如气、液包裹体)，沉积碎屑岩的孔隙存在于碎屑颗粒之间。人们用孔隙率表示岩石中孔隙的多少：

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式中：n为孔隙率；V_v为岩石中孔隙的体积；V_s为不含孔隙岩石的体积。一般情况下，砂的孔隙率为40%，Handin et al.(1963)给出Berea砂岩的孔隙率为18.2%，Repetto粉砂岩的孔隙率为5.6%，Hasmark白云岩的孔隙率为3.5%。

如果岩石的孔隙中含有水，在成岩过程中孔隙缩小将造成孔隙内的液体对矿物颗粒产生一种压力，这种压力与矿物表面垂直，称为孔隙液压。根据石油、天然气开发的实际资料，孔隙液压随着岩石埋藏深度的增加而增加，但并非呈简单的线性关系，在一定深度上两者趋近相等。设λ=孔隙液压/围压，则随着深度增加，λ→1。

由于孔隙液压与矿物颗粒表面垂直，所以将直接减缓围压的作用。设围压为P，孔隙液压为P_s，则有效围压P_e=P-P_s。因此孔隙液压对岩石力学性质的影响与围压相反：它使岩石的延性、强度和弹性极限降低，脆性增加。

图3-33是印第安纳石灰岩在68.950MPa围压条件下不同孔隙压力时的应力-应变曲线。当孔隙压力为0时(曲线⑦)，在实验的高围压当孔隙压力为0时(曲线⑦)，在实验的高围压情况下灰岩的弹性极限及强度很高，并出现应变硬化；当孔隙液压与围压相等时(曲线①)，由于孔隙液压与围压抵消，应力-应变曲线与单轴实验相同；当孔隙液压小于围压时，应力-应变曲线介于曲线①和⑦之间。从图3-33中可以清楚看出，随着孔隙液压增高，石灰岩弹性极限、强度及延性变形迅速减小。

图3-33 印第安纳石灰岩的应力-应变曲线

(据Spencer，1981)

围压68.950MPa；孔隙压力：①68.950MPa，②65.055MPa，③55.160MPa，④41.370MPa，⑤34.475MPa，⑥27.580MPa，⑦0MPa

孔隙中的流体对变形的另一种作用称为水弱化作用。如不含水石英在500MPa围压下500℃时可承受3500MPa应力，当含水量为0.1%时，同等条件下的强度仅为100～200MPa。

(四)时间

时间对岩石力学性质的影响是多方面的。如快速加力岩石可表现脆性变形，缓慢加力脆性物质也能出现塑性变形。又如，当多次、重复加力时，在没有达到岩石强度极限的情况下可使岩石发生脆性破坏。或者说，多次重复加力可以降低岩石的破坏强度(图3-34)。当在重复加力情况下破坏应力降低到某一极限值时，如继续降低应力，无论重复加力多少次也不能引起岩石破裂。该极限值称为疲劳极限。

图3-34 某金属耐力曲线

(据M.P.Billings，1972)

在地质构造的应力-应变解析中，时间对岩石变形的影响主要体现在应变速率、蠕变和松弛三个方面。

1.应变速率

应变速率是指单位时间内应变的变化量：

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式中：

图3-35 500℃，500MPa条件下Yule大理岩在不同应变速率下的应力-应变曲线

(据Heard，1963)

随着应变速率降低，岩石强度降低，弹性极限下降，塑性变形增加。图3-35是500℃，500MPa条件下不同应变速率时Yule大理岩应力-应变曲线。从图中可以看出，在应变速率为4.0×10^-1/s时，182MPa应力才可以产生10%的应变；应变速率为3.3×10^-8/s时，小于45MPa的应力即可产生10%的应变。

一般认为，地壳缓慢运动的应变速率

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式中：E为扩散激活能；R为Bolzman气体常数；T为绝对温度；A为具有应变速率量纲的实验常数；σ为应力差；f(σ，t)是与温度和应力差有关的常数。

2.蠕变

蠕变是指岩石在恒定载荷作用下应变随时间缓慢增长的现象。在地壳变形过程中，时间以百万年计，因此蠕变现象是重要的。尽管实验室实验中很难模拟如此长时间内的蠕变变形，但可以充分显示时间对岩石变形的影响。

图3-36是索伦霍芬石灰岩蠕变实验曲线。该石灰岩在室温常压下，强度为251.06MPa。在长期实验中，在恒定137.30MPa压力作用下即发生变形：第一天缩短0.006%，10天后缩短0.011%，100天后缩短0.016%，400天后的缩短量超过0.019%。

典型蠕变曲线由三部分组成(图3-37)：①过渡蠕变阶段(AB段)，应变速率在该阶段随时间递减，达到B点时应变速率最小，如果在该阶段卸载应变恢复为零；②稳定蠕变阶段(BC段)，应变速率保持常量，如果在该阶段卸载，将保留一部分永久变形；③加速蠕变阶段(CD段)，应变速率随时间增加，达D点时岩石发生破坏。

图3-36 索伦霍芬石灰岩在恒定应力下的蠕变曲线

(据Griggs，1939)

图3-37 典型蠕变曲线

蠕变的应变以下式表示：

ε_t=ε_e+ε_Ⅰ(t)+ε_Ⅱ(t)+ε_Ⅲ(t) (3-38)

式中：ε_e为瞬时弹性应变；ε_Ⅰ(t)、ε_Ⅱ(t)和ε_Ⅲ(t)分别为过渡蠕变、稳定蠕变和加速蠕变。

蠕变受温度的影响很大，温度升高使蠕变容易发生并使蠕变速率加大(图3-38)。

蠕变也受应力控制。图3-39是在不同载荷下雪花石膏的蠕变曲线。曲线表明：应力越大，稳定蠕变持续时间短，变形迅速进入加速蠕变阶段。

图3-38 不同温度条件下蠕变曲线

(据A.H.Sully，1949)

图3-39 不同载荷下雪花石膏的蠕变曲线

(据Griggs，1940)

围压不同蠕变量也有很大变化：随着围压增加蠕变变形减小。

3.松弛

松弛是指应变保持不变时随着时间应力逐渐减小的现象。

蠕变、松弛和应变速率共同说明时间对岩石变形的意义。在以百万年为时间单位的地质历史时期中，时间因素对岩石变形的影响是巨大的。

(五)外力作用方式

外力作用方式不同，岩石的力学行为也不同。在张力的作用下岩石容易发生脆性破裂，在同等环境的压缩条件下，岩石则显示延性(图3-40)。

图3-40 围压为300MPa、在不同温度条件下索伦霍芬石灰岩在拉伸或压缩下应力-应变曲线

(据Spencer，1981)

索伦霍芬石灰岩的拉伸和压缩实验表明：外力作用方式不同，灰岩的脆延性转化的条件不同，拉伸时脆性转化为延性所需温度远远大于压缩时的转化温度。在400℃、300MPa围压的压缩条件下，已发生脆延性转化，在此条件的拉伸情况下灰岩仍为脆性变形。