4变形岩石应变分析基础

第四章应变分析基础PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion本章主要内容•变形、位移和应变的概念•旋转应变与非旋转应变•递进变形、全量应变与增量应变•岩石的变形阶段•影响岩石力学性质的外部因素PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion一、变形和位移1．变形：岩石的初始状态、方位和位置的改变就是变形。岩石变形的五种方式：按变形后的状态可分为均匀变形与非均匀变形拉伸挤压剪切弯曲扭转中和面PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion．位移变形岩石内部质点初始位置到终止位置之间的移动距离就是位移。岩石发生位移的四种方式平移旋转(虚线为可能的路径）形变体变P0P1P0P0P0P1P1P1平移、旋转、形变和体变PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion二、变形的度量——应变物体的变形程度用应变来度量，物体在某一时刻的形态与早先的形态（一般指初始状态或未变形的状态）之间的差别就是物体在该时刻的应变。应变的一般情况原始状态原始状态原始状态挤压拉伸剪切PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion．线应变线应变是物体内某方向单位长度的改变量。设一原始长度为l0的杆件变形后长度为l，则其线应变e为000llllleΔ=-=杆件的简单拉伸变形线应变可用百分数表示。一般把伸长时的线应变取正值，缩短时的线应变取负值。bbllPP00PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion实际上，杆件在纵向被拉长的同时，还有横向变形，其横向线应变e0为泊松效应0000bbbbbeΔ=-=泊松比：在弹性变形内，一种材料的横向线应变与纵向线应变之比的绝对值为一常数，eeeenn-==00或杆件的简单拉伸变形该常数就是该材料的泊松比（n），即bb0ll0PPPDFcreatedwithpdfFactorytrialversion．剪应变变形前相互垂直的两条直线变形后直角的改变量（y）称为角剪切应变，或简称角剪应变，其正切值g称为剪应变，即g＝tgy.边长为单位长度的正方形相邻两边发生的剪应变PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion．主应变和应变主方向在均匀变形条件下，通过变形物体内部任意点总是可以截取一个体积微小的立方体，其三对相互垂直的表面上都只有线应变而无剪应变，这三对相互垂直的截面就是该点的主应变面，其上的线应变称为主应变，其方向称为应变主方向或主应变轴，平行于最大伸长方向者称为最大应变主方向l1或最大主应变轴A，平行于最大压缩方向者称为最小应变主方向l3或最小主应变轴C，介于其间的为中间应变主方向l2或中间主应变轴B。PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion三、应变椭球体应变椭球体设想在变形前岩石中有一个半径为1的单位球体，该球体变形而成的椭球体可以用来描述岩石的应变状态，这个椭球就是应变椭球体。圆截面圆截面213（A或X）（C或Z）（B或Y）PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion旋转应变与非旋转应变根据应变主轴方向的物质线在变形前后平行与否，可把应变分为旋转应变与非旋转应变。非旋转变形又称无旋转变形，l1和l3质点线方向在变形前后保持不变。如果体积不变而且l2=0，则称为纯剪应变。ACDBOdabccAbO'O'5620'3340'40刚体旋转＝＝2240'简单剪切（单剪）纯剪单剪与纯剪应变旋转应变的l1和l3质点线方向将会改变。最典型的情况是单剪应变，是由物质中质点沿着彼此平行的方向相对滑动而成。三、应变椭球体PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion变形体力学中定义的纯剪切和简单剪切纯剪切的力学条件是：s1=-s2，张应力与压应力大小相等，符号相反，在与主应力呈45º夹角的斜截面上，仅作用有纯粹的剪切应力，因而称为纯剪切。如果从与边界上剪切力方向相平行的截面上仅作用有剪应力的意义上来说，纯剪切与简单剪切并无实质上的区别。三、应变椭球体1212PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion纯剪切模型（Mckenzie模型）；b.简单剪切模型（Wernicke模型）三、应变椭球体纯剪盆地从形态上看是对称的，下地壳和上地幔中没有剪切滑脱面。而简单剪切伸展模式则以一条穿透上地幔或下地壳的滑脱面为特征，盆地的构造形态不对称，软流圈物质的上涌不像纯剪模式那样位于盆地的正下方，而是偏移到了盆地的一侧。PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion四、递进变形1．全量应变与增量应变拉伸区压缩区12345用卡片模拟简单剪切的递进变形过程全量应变又叫有限应变、总应变，是变形历史中某一瞬时之前已经发生的应变总和。增量应变又叫瞬时应变、无限小应变，是变形历史中某一瞬间正在发生的无限小应变。PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion．共轴递进变形与非共轴递进变形变形是共轴递进变形的典型实例。在非共轴递进变形中，各增量应变椭球体的主轴与有限应变椭球体的主轴不一致。递进的简单剪切是非共轴递进变形的典型实例。共轴递进变形中变形椭圆内射线的应变历史在共轴递进变形中，各增量应变椭球体的主轴始终与有限应变椭球体的主轴一致，递进纯剪缩短量0%20%30%40%50%l1l2l3020304050(%)l2的变形史l1的变形史l3的变形史PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion五、岩石的变形阶段脆性和韧性岩石的变形一般都经历弹性变形、塑性变形和破裂变形三个阶段。由于受到岩石自身的力学性质、边界条件、物理化学条件、外力的性质等因素的影响，不同岩石的这三个阶段各不相同。大理岩在挤压应力作用下的变形实验结果PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion岩石变形的应力－应变曲线（1）弹性变形（2）塑性变形（3）破裂变形岩石变形的一般化应力－应变曲线根据材料在破裂前塑性变形的应变量可以把材料分为脆性材料（5%）、韧性材料（10%)、韧－脆性材料（5~7.5%）和脆－韧性材料（7.5~10%)。y'yP12破裂塑性变形区弹性变形区eeePDFcreatedwithpdfFactorytrialversion六、影响岩石力学性质的外界因素1．围压－－影响岩石的极限强度和韧性使固体物质的质点彼此接近，增强了质点的内聚力，从而使晶格不易破坏，因而不易破裂。围压与深度和构造环境有关。2．温度－－影响岩石的韧性和屈服极限温度升高时岩石质点的热运动增强，减弱了它们之间的联系能力，使物质质点更容易位移。温度与深度和构造环境有关。3．孔隙流体－－影响岩石的强度和质点迁移能力（异常孔隙流体）PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion六、影响岩石力学性质的外界因素4．时间4．时间（1）时间对应变速率的影响长时间受力时质点有充足的时间固定下来，易于产生永久变形;快速受力时质点来不及重新排列就破裂了，表现出脆性特征。（2）蠕变与松弛－－长时间地缓慢变形会降低弹性极限在应力不增加的情况下，应变随着时间的增长缓慢增加的现象就是蠕变，反映了岩石的流动性。在应变恒定的情况下，所需应力可以随时间增长不断减小的现象就是松弛。岩石中各种地质构造主要是岩石蠕变的产物。PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion七、岩石变形的微观机制1．脆性变形机制－－微破裂作用、碎裂作用和碎裂流岩石中固有的微裂隙引起应力集中，从而导致脆性破裂。2．塑性变形机制－－晶内滑动和位错滑动、位错蠕变（边界形化作用、动态重结晶作用和核幔构造）、扩散蠕变、溶解蠕变（压溶作用）、颗粒边界滑动岩石中矿物晶体特性和缺陷对塑性变形过程具有重要意义。PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion八、岩石的破裂准则1．库伦破裂准则－－水平直线型莫尔包络线理论破裂准则是用来解释岩石破裂时的临界应力状态的理论。ττ0σ2θ2θ2θ水平直线型莫尔包络线当一点应力状态的与应力莫尔圆与莫尔包络线相切时，岩石在该点处开始破裂。岩石首先沿着与最大主应力轴呈45º和135º的截面破裂，两组破裂面应相互垂直。对于塑性材料或高围压情况比较合适。PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion．斜线型莫尔包络线理论岩石抵抗剪切破裂的能力不仅与作用在截面上的剪应力有关，还与该截面上的正应力有关。为此引入内摩擦角（j）的概念，岩石沿着与最大主应力轴分别呈45º－j/2和135º－j/2夹角的两个剪面破裂。B12CEOD0拉破裂线库伦剪切破裂莫尔包络线剪切破裂时的斜线型莫尔包络线理论八、岩石的破裂准则PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion．格里菲斯剪切破裂准则岩石中随机分布的大量微裂隙对岩石的破裂强度有显著影响，这些微裂隙可以近似地看作扁平的椭圆形裂隙。麦克林托与华西（1962）又作了修正。平面格里菲斯莫尔包络线T06T02T0-4T08T004560格里菲斯莫尔包络线修正的格里菲斯莫尔包络线八、岩石的破裂准则PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion九、应变测量概述确定岩石内的有限应变状态及其分布规律的一个方法，就是测量和统计变形岩石内已知原始形状的标志物在变形后的形态变化，然后加以对比分析。根据变形标志物中已知长度或相对长度比的线性标志物发生的长度变化，可以计算伸缩线应变。根据两条直线之间原始角度的变化可以计算角剪应变和剪应变。砾石、砂粒、气孔、鲕粒、放射虫、还原斑等原始形状规则的标志物：变形化石和变形晶体等与变形有关的小型构造标志物：压力影、生长矿物纤维、石香肠构造、线理、面理、节理等已知原始形状的其它标志物原始为圆球或椭球的标志体应变标志体PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion什么是变形、位移和应变？2.简单剪切与纯剪有什么不同？3.全量应变与增量应变之间是什么关系？4.岩石变形一般经历哪几个阶段？5.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？PDFcreatedwithpdfFactorytrialversion格式电子书定制范围：几乎所有出版过的书籍，一般出版半年到一年以上的所有书籍都可以定制。你只需要给我们提供书名，作者，出版社等详细书籍信息即可，我们就可以给你制作成pdf格式的电子书发到你邮箱，方便快捷每本书只需5元，批量定制更优惠，出差携带方便，学习、科研、论文、项目必备。联系qq：523028751，邮箱[e-mail]