学习任务岩石变形分析
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发布时间：2022-04-22 18:27
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时间：2023-10-24 15:47
一、变形和应变的概念
固体岩石受力后，内部各质点发生相对位移，导致岩石形态、体积的改变称为变形。岩石变形的最基本形式有两种：线变形和剪切变形。线变形是指岩石受力后，表现为单纯的拉伸或压缩；剪切变形是指岩石受力后，表现为内部任意截面都旋转了一个角度，又称为角变形。为了说明固体岩石受力变形的程度，通常用应变量来度量；物体的相对变形量叫应变。与变形相对应，应变也可分为线应变和剪应变（角应变）。
（一）线应变
线应变指岩石受力发生线变形后，纵向上所增加或缩短的长度（ΔL）与变形前的长度（L）的比值，即：
地质构造识别与分析
在构造地质学中，规定由压应力产生的ε压为正，由张应力产生的ε张为负。
当岩石纵向产生线应变时，横向也会出现横向线应变，其公式为：
地质构造识别与分析
一般认为，横向线应变与纵向线应变的比值是一个常数，即：
地质构造识别与分析
μ为岩石的泊松比，每种岩石都有自己的泊松比，一般不超过0.5。岩石的这种性质称为泊松效应，它对解释岩石的变形具有重要意义。例如，岩石的许多张节理，就是因为受到侧向压应力而产生泊松效应，是在其垂直方向上诱导产生拉伸引起的。
（二）剪应变
指固体岩石在剪应力或扭应力作用下，岩石内部原来相互垂直的两条线段所夹直角的改变量。如果原来形状为正方形，变形后成为平行四边形，原来的直线旋转了θ角，其正切值tanθ即为剪应变量（γ），即：
γ＝tanθ
二、岩石的变形方式
（一）按受力方式的分类
固体岩石变形按受力方式，可分为五种变形方式。
1.拉伸变形
这种变形是沿物体轴线方向有一对大小相等、方向相反的力的作用，使物体内质点间距离拉长引起的变形，这时物体沿轴线方向伸长（图3-6A）。在拉伸中，物体不仅沿轴线方向发生变形，在垂直轴线方向上也发生变形。在描述变形程度时，用拉伸应变来表示。
2.挤压变形
这种变形是沿物体轴线方向有一对大小相等、方向相反的力的作用，使物体内质点间距离缩短引起的变形，这时物体沿轴线方向缩短（图3-6B）。在缩短中，物体不仅沿轴线方向发生变形，在垂直轴线方向上也发生变形。在描述变形程度时，用压缩应变来表示。
3.剪切变形
这种变形是物体受到一对大小相等、方向相反且不在一条直线上的外力（剪切力）作用，物体内质点沿作用力方向滑动位移引起的变形（图3-6C）。
图3-6 岩石几种变形方式
4.弯曲变形
物体受到垂直于其轴线的外力作用（包括力偶）可使其发生弯曲变形（图3-6D）。其重要特征是最大弯曲的凸侧受到拉伸，而凹侧受到挤压，其间有一即不受拉伸又不受挤压的中和面。野外常见的褶皱就是岩层的弯曲变形。
5.扭转变形
扭转变形是指物体两端受到一对扭矩作用时发生的形变（图3-6E）。
（二）按岩石变形后的形态分类
岩石的变形按变形后的形状，可分为均匀变形和非均匀变形两类。
1.均匀变形
均匀变形系指岩石的各个部分的变形性质、方向和大小都相同的变形。拉伸、压缩与剪切变形属于均匀变形。
2.非均匀变形
非均匀变形系指岩石各点变形的方向、大小和性质发生的变化的变形。弯曲与扭转属于非均匀变形，褶皱构造就属于非均匀变形的结果。
三、岩石变形的阶段
材料力学实验证明，岩石与其他固体物质一样，在受力变形过程中，应力（σ）与应变（ε）之间存在着一定的关系。如果以应力（σ）为纵坐标，应变（ε）为横坐标，则可得到应力-应变曲线（图3-7）。分析应力-应变曲线的特征，通常将岩石受力变形过程依次划分出弹性变形、塑性变形和断裂变形三个阶段。岩石的三个变形阶段是依次发生的，不是截然分开的，而是彼此过渡的。由于岩石的力学性质不同，不同岩石的各个变形阶段的长短和特点也各不相同。
图3-7 塑性材料（低碳钢）做拉伸实验时的应力-应变曲线
（据孙超，1990）
（一）弹性变形阶段
物体在外力作用下发生变形，当外力解除后，又能完全恢复其原状的变形称为弹性变形。如图3-7，当超过B点时，即使去掉外力，岩石也不会再完全恢复到变形前的状态。所以，B点的应力值σB称为弹性极限，OB段称为弹性变形阶段。OA呈直线，说明应力σ与应变ε成正比，符合胡克定律。OA的斜率为：
tanθ＝σ/ε＝E
式中：E称为弹性模量。不同力学性质的岩石，E值是不相同的。AB为一条曲线，应力σ与应变ε不能用胡克定律表示。但是，当外力去掉后，岩石仍然可完全恢复到变形前状态，所以仍为弹性变形阶段。
从微观角度看，岩石变形是由组成它们的质点受力发生位移，而导致岩石的形态或体积改变，同时质点的位移要吸收一定的位能，在短期内，外力解除后，这种位能又发挥作用，使质点部分或全部恢复其原来的位置，即弹性恢复或弹性回跳。地震冲击波的传播就使地壳内的岩石具有弹性变形的表征。
（二）塑性变形阶段
随着外力的继续增加，变形也相继增大，当应力超过岩石的弹性极限后，即使将应力解除，岩石的变形也不能完全恢复其原来的形状，这种变形叫作塑性变形或永久变形。图3-7所示BE段称为塑性变形阶段。
在BE塑性变形阶段中，整个变形曲线呈反S形。其中，当应力超过C点时，曲线变成水平状态，说明在没有增加外力的情况下，变形仍然显著增加，也说明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点为屈服点，其应力值σC称为屈服极限。当应力超过D点后，随应力的增加，曲线弯曲向上，说明岩石在塑性变形的最后阶段DE内会不断地受到强化，因而又重新产生不断增长的抵抗变形的能力。
岩石发生塑性变形的原因：从岩石本身性质来讲，受力岩石在塑性变形阶段内部质点发生位移，在新的位置上达到了新的平衡，当去掉外力作用后，岩石内部质点不再恢复到原来的位置；表现在岩石的外貌虽然变了形，但内部质点仍然存在着结合力而连接在一起，使岩石仍然保持着连续完整性。
岩石内部质点的位移，可以发生在矿物颗粒之间的滑动或矿物颗粒内部的滑动。粒间滑动是指发生在矿物颗粒之间的软弱界面上滑动，矿物颗粒本身的大小和形态未发生改变；粒内滑动是指矿物颗粒内部的质点产生平移滑动或双晶滑动（图3-8）。
图3-8 岩石塑性变形时的双晶滑动
（三）断裂变形阶段
任何岩石的弹性变形和塑性变形总是有一定限度的，若作用的外力继续加大，当其超过固体岩石的强度极限时，岩石内部的质点间的结合力就会遭到破坏而产生破裂面，使固体岩石完全失去其完整性，称为断裂变形或脆性变形。
如图3-7所示，当超过E点后曲线急剧下降，说明岩石失去了抵抗变形的能力，达到被破坏的程度。对韧性较强的岩石，当所受的张应力超过强度极限σE时，会出现细颈化现象。随着细颈化现象的出现，岩石表现为所受应力迅速减小，变形急剧发展且直到变形曲线上的K点时，才在细颈化处被拉断。EK区间乃为局部塑性变形阶段。
岩石的变形与岩石的力学性质有密切的关系，影响岩石变形的力学性质主要表现在岩石的脆性或韧性方面。岩石受力后，若在破裂前只有很小的塑性变形的现象（应变量＜3%～5%），称为岩石的脆性，脆性强的岩石，受力后很快就会发生破裂；岩石受力后，若在破裂前能承受较大的变形（应变量＞10%）而不失去连续完整性的现象，称为岩石的韧性，韧性强的岩石，不易被拉断、剪断或折断。岩石在地表的常温常压条件下一般表现为脆性，但随着围压、温度及变形速率等条件的改变可转化为韧性。
四、岩石的破裂行为
岩石在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。同一岩石的强度极限值，在不同性质的应力作用下差别很大（表3-1）。一般来说，岩石受力发生破裂发生的行为也称破裂方式，其方式有张裂和剪裂两种形式。
表3 -1 常温常压下，一些岩石的强度极限
（据徐开礼等，1989）
（1）张裂：是在外力作用下，当张应力达到或超过岩石的抗张强度时，在垂直于主张应力轴的方向上产生的断裂。
（2）剪裂：是岩石受力时，沿着最大剪应力作用面发生的断裂，此时的最大剪应力也达到或超过岩石的抗剪强度。从理论上分析，剪裂将沿着最大剪应力作用面发生，即剪裂面与σ1呈45°相交，但岩石力学实验和野外观察表明，剪裂面与σ1夹角总是小于45°。究其原因，库仑经过实验得出的结论是：岩石有内摩擦角，正是由于内摩擦角的存在，才导致野外与实验中（夹角小于45°）的与纯理论（夹角45°）的夹角不一致。由共轭剪裂面形成一对锐角和钝角，其锐角平分线常为σ1或压力方向，将共轭剪裂面所夹锐角叫共轭剪裂角（2θ）。
