学习任务影响固体岩石变形的主要因素
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发布时间：2022-05-06 07:25
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时间：2022-06-29 00:21
野外各种构造形迹的变形特征受多方面的因素制约，其中包括岩石的能干性，内在因素（岩石的成分、组构及岩石力学性质），外在因素（围压、温度、溶液、时间、应力状态等）。基于各种因素对岩石力学性质的影响，考虑以上各种因素对分析固体岩石变形具有重要意义。
一、岩石的能干性
岩石的能干性是指岩石抵抗流变的能力。自然界中的岩石从受力产生变形的角度可分为：强硬岩石，抵抗流变的能力大，这种岩石称为能干岩石，例如花岗岩、白云岩、砂岩等；软弱岩石，抵抗流变的能力小，这种岩石称为不能干岩石，例如页岩、黏土、膏盐、煤层等。
岩石的能干性强弱，除决定于本身的性质外，还取决于外界因素。例如灰岩本来是坚硬的岩石，但当它呈薄层状时，在地质变形中则变为不能干岩石。
二、岩石变形的内在因素
（一）岩石成分、结构构造、变形介质的不均性
N.J.Price实验曲线表明，钙质砂岩和泥质粉砂岩在单轴挤压下，其杨氏模量是不同的，如从图3-17中两条曲线形态和位置的不同可以看出，当两种岩石的石英颗粒含量相同时，钙质胶结砂岩比泥质胶结的粉砂岩强度大。若当岩石中矿物的颗粒细小或圆滑，具较低强度；或定向排列，则岩石受力显示不能干或易塑性变形。当岩石中矿物的颗粒粗大或呈棱角、杂乱无序排列具较高强度，则岩石受力显示能干或产生脆性变形。
图3-17 两种岩石杨氏模量与石英含量关系变化图
（据N.J.Price）
此外，岩石中的化学性质稳定的矿物和易溶于水的盐类（如黄铁矿、岩盐、石膏等），如果其含量高，也会降低岩石的强度（杨氏模量）。
（二）岩石的黏结性
岩石矿物颗粒或岩石碎屑之间黏结能力，称为黏结性，亦称易滑性。在自然界中，即便是同一种岩石，由于其胶结物（硅质、铁质、泥质）不同，胶结类型的不同（基底式、接触式、孔隙式），会导致它们黏结性不同。例如，沉积岩中的石英砾岩和石英砂砾岩，石英砂岩与钙质砂岩的黏结性是不同的，产生的变形效果也不同。
（三）岩层厚度和成层性
岩层厚度和成层性对变形的产生具有决定性意义。在自然界中，在同一强度的外力作用下，岩层厚度越大且成层性越差，则岩层越不易变形，可形成完整平缓的褶皱形态；岩层厚度越小且成层性越好，则岩层越易变形，可形成复杂无规律的褶皱形态。
在沉积岩中，若其他条件相同，碎屑颗粒细、棱角不显著，呈基底式胶结的岩石，往往强度较高；反之，呈接触式胶结的岩石，强度就比较低。具有层理，尤其是薄层的沉积岩层，在侧向压力作用下，容易沿层理面滑动，易形成褶皱构造；不具层理或巨厚层岩石，则容易产生断裂。凡是孔隙或裂隙发育的岩层，强度都会明显降低。
三、岩石变形的地质环境（外在因素）
（一）围压
岩石处于地下深处，承受周围岩体对它施加的压力，这种状态下的压力称为围压，又称为静岩压力。
实验证明，在其他条件不变的情况下，随着围压的加大，岩石内部质点彼此接近，增强了岩石中各质点的内聚力，从而提高了岩石弹性和强度极限，导致塑性（韧性）能力增强，岩石表现为不易破坏。如图3-18中石灰岩在常温时，从0.1MPa到400MPa围压下进行实验中得出的应力-应变曲线。说明当围压是0.1MPa时，施加压应力到280MPa，此点应力值为弹性极限，超过此点，岩石破裂；当围压增加到100MPa时，施加压应力到400MPa，岩石仍没有破裂，而发生塑性变形，此时的弹性极限比0.1MPa围压时的弹性极限有所提高，岩石韧性增强。
自然界中地表的岩石多表现为脆性，以断裂变形为主；岩石随着深度的增大，则围压也就越大，并表现出韧性增强，发育为褶皱、韧性剪切带（见图9-1）。
图3-18 不同围压下石灰岩的应力-应变曲线图
（据E.Robertson）
图3-19 不同温度和溶液条件下大理岩的应力-应变曲线图
（据D.T.Griggs，1951）
（二）温度
在常温层下每降100m地温升高3℃，即地温梯度为3℃/100m，地表是处在常温、常压条件下，大多数岩石在这状态下呈脆性性状。随着深度增加，其温度也随之升高，会使岩石质点的热运动增强，并减弱它们间的联系能力，从而导致岩石强度降低、弹性减弱，有利于岩石发生变形。图3-19为大理岩在不同温度条件下的应力-应变曲线，在常温和1000MPa围压下，对大理岩试件垂直施压，其弹性极限为200MPa；当温度升高到150℃时，则弹性极限降为100MPa。由此表明，温度升高对岩石变形有很大的影响。因此，当温度升高到适当程度时，较小的应力也能使岩石发生较大的塑性变形。
（三）溶液
地壳中的岩石大部分都含有溶液（水分、油气），它们的存在会使岩石软化，软化的岩石有利于变形的楔入作用，溶液增加便于岩石间的粒间运动，也便于岩石重结晶作用，从而降低岩石的弹性极限，提高韧性，最终有利于岩石的变形；在构造应力的配合下，溶液还会导致矿物的溶解和新矿物的形成，有利于岩石的塑性变形。
表3-2列举了七种岩石在干燥和潮湿条件下的抗压强度，从表中可看出，七种岩石在潮湿条件下的抗压强度的降低率，如煌斑岩抗压强度降低率最小，为12%，而页岩抗压强度降低率最大，为60%。
表3 -2 七种岩石在干燥和潮湿条件下的抗压强度
（据徐开礼等，1989）
在图3-19中，湿、干大理岩的两条不同的应力-应变曲线对比表明，湿大理岩比干大理岩更容易发生塑性变形。干大理岩产生10%的变形量的压应力是300MPa，而湿大理岩产生同样的应变仅需要200MPa。溶液的加入使分子的活动力增强，岩石的内摩擦力和分子间的凝聚力减小，从而降低了岩石和矿物的强度。
（四）孔隙压力
岩石孔隙内流体的压力称为孔隙压力。正常情况下，孔隙压力约为围压的40%；在油田中曾测得孔隙压力/围压比值为80%，甚至也存在接近100%的可能性。当孔隙压力大到几乎等于围压时，就使岩石产生了浮起效应，用这种效应较好地解释了巨大岩席的推覆和滑动的可能性。
四、岩石变形的时间效应
自然界水滴石穿这一现象就是时间“作祟”。地壳中的岩石在漫长的地质发展时期变形过程中，其变形的程度与强度有时表现出人们难以置信的地步，如欧洲阿尔卑斯推覆构造的推覆体推移距离达几十千米，上百千米，人们可能认为是巨大无比的作用力造成的，但主要是时间效应导致其推覆的距离甚远。因此看来，时间的因素对岩石变形具有重大影响。它也是目前模拟实验难以解决的问题，岩石的变形时间效应表现在以下几方面。
（一）施力速度的影响
快速施力不仅可加快岩石的变形速率，而且会使其脆性增强。例如，沥青等材料，在快速的冲击力作用下，呈现脆性破裂；若缓慢施力，则表现为弯曲韧性变形小而不破裂。其原因是：岩石受到缓慢的长时间外力作用，内部质点有充分的时间移动到平衡位置而固定下来，而呈现永久变形。值得指出的是，地壳中的变形，除陨石的碰撞和地震等外，都表现为长期而缓慢的变形。
（二）重复施力对岩石变形的影响
如果对岩石重复施力，虽然每次作用的应力没有达到岩石的强度极限，但是只要达到某个临界值以上，并且有足够的重复次数，岩石同样会发生破裂，这种现象称为疲劳现象。若重复作用的应力低于这个临界值，即使重复作用的次数再多，岩石也不会发生破裂，这个临界值称为疲劳极限或疲劳强度。
重复作用的应力在弹性极限与疲劳极限之间，在应力作用下可产生一些塑性变形，每次塑性变形可以积累在一起，当塑性变形积累到一定程度时就不会增加，岩石不会破裂；若重复作用的应力，达到或超过疲劳极限，塑性变形不断积累，且增量不再减小，当塑性变形积累到能使岩石破裂的应变量时，岩石就会发生疲劳破裂。如日常生活中用手折铁丝，一次是折不断的，反复多次折铁丝会发热，再继续反复折，最后铁丝会被折断，就是重复施力的最好例证。
（三）蠕变与松弛地质作用分析
1.蠕变与松弛概念
蠕变是指施于岩石一个恒定的应力后不再增加，随着时间的增长，岩石应变增加的现象。松弛是指应变维持恒定时，随着时间的延长应力逐渐减小的现象。这两种现象均与时间有关，反映出长时间的缓慢变形，降低了材料的弹性极限。如在生长的大树枝干一端*一大块石头，日久此枝干变弯，可成为牛颈状。岩石蠕变失稳常造成地质灾害，要加以预防。
2.蠕变与松弛对岩石的变形影响
岩石在恒定外力作用下都会发生蠕变，只是不同的岩石其蠕变速度不同。温度增高，蠕变会加快。
蠕变和松弛是在长时间应力持续作用下，岩石弹性不断降低，弹性变形逐渐减小，永久变形缓慢增加，从而呈现流变特征的反映。由于岩石的变形一般是在漫长的地质时期中发生的，当变形发展到一定阶段后，维持变形的应力就会逐渐减小，出现松弛现象，从而使变形固定下来。蠕变与松弛反复发生，使岩石中微小的永久变形不断积累，以至形成规模巨大的变形。
3.蠕变与松弛在地质事件中的作用
人们对地质时期中产生剧烈变化的运动称为构造运动或地壳运动，而把两次地壳运动之间较平静的时期称为构造运动期（这与划分蠕变与松弛极为相似）。
地质时期的地壳运动是呈螺旋式发展的，每一次地壳运动就是蠕变，每一次构造运动期就是松弛，二者的交替遵循辩证法，诸如：加里东运动、海西运动、印支运动、燕山运动、喜马拉雅运动，陈国达教授对此有精辟的论述，如图3-20所示。
图3-20 蠕变与松弛造成螺旋式地壳运动发展示意图
五、应力状态
应力状态对岩石力学性质性状有很大的影响。岩石受到压应力作用会引起岩石体积的缩小，使内部质点靠近，提高内聚力而增强其塑性，从而有利于塑性变形。在高围压下，如果因压应力作用而出现破裂时，多是以剪切破裂为主。相反，当岩石受到张应力作用时，由于岩石一般抗张强度都较低，易于产生张性的破裂。
压挤力：使岩石塑性增大，即易产生延性（流变能力），破裂行为，如剪裂。
伸张力：使岩石脆性增大，即易产生刚性（破坏能力），破裂行为，如张裂。
在不同应力状态下的岩石的形变规律：岩石最难克服拉伸，次为剪切，最后为压缩。一般来说，抗压能力大于抗张能力的30～50倍，抗压能力为抗剪能力的10倍。
学习指导
分析地质构造的力学成因，应同应力、应变以及与岩石本身的力学性质结合起来进行。而地壳中岩石是不均质的，变形又经过了漫长而复杂的过程，应力分析是本情境主要的学习内容，是地质构造识别与分析的基础。
固体岩石变形受众多因素制约，本情境重点为变形分析、蠕变与松弛，难点为应变椭球体与“米”字形法则的运用以及递进变形分析等。
练习与思考
1.什么是外力、内力和应力？
2.什么是正应力和剪应力？
3.在单轴应力状态下，如何分析岩石受力情况？
4.试述固体岩石变形三个阶段的特征。
5.岩石的变形方式有几种？
6.在脆性岩石中，为什么剪裂角总小于45°？
7.影响岩石力学性质和变形的主要因素有哪些？
8.何谓蠕变？何谓松弛？
