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岩石脆性破裂与断层摩擦滑动中的基本规律讨论

已有 13211 次阅读 2011-4-18 11:49 |系统分类:科研笔记

岩石脆性破裂与断层摩擦滑动中的基本规律讨论

0)根据岩石变形条件,可以分为脆性破裂或断层摩擦滑动、脆塑性转化、塑性变形。在地表自然状态下,绝大部分岩石表现出脆性变形特征。随着深度增加(压力和温度增加),岩石逐渐出现脆塑性转化,直到塑性变形。由于地壳岩石种类很多,不同岩石发生脆塑性转化和塑性变形的温度、压力条件差别很大。另外,流体孔隙压、应变速率等也会影响岩石变形。

1)在地壳浅表,岩石发生脆性破裂,形成各种类型的破裂面。不管什么性质的脆性破裂,基本都遵循库仑破裂准则(The Coulomb Law of Failure):

其中,内摩擦角 与断层面和最大主应力的夹角 之间具有如下关系:

由于绝大部分岩石的内摩擦角接近 ~30°,因此,断层面和最大主应力的夹角 接近30°。也就是说,最大主应力在共轭破裂面的锐角方向。

按照这一原则,根据脆性破裂面的夹角,可以推断最大主应力的方位。如下图所示:

2)由于地壳内部存在大量的断层,在应力作用下,通常会沿已经存在的断层滑动,其滑动规律用Fault Friction Byerlee’s law表达:

其中,系数0.85,  0.6是断层的摩擦系数,表达式为: 

低压(浅部) mf = 0.85, ff = 40.3°,得出 q=25°

-高压(深部) mf = 0.6, ff = 30.9° q=29.55°

因此,在接近地表,最大主应力与断层夹角在25°左右时,断层最容易滑动。最大主应力仍然出现在共轭断层锐角一侧。

3)库仑破裂准则和摩擦定律都可以用应力莫尔圆表达,如下图:

A中给出了,不同应力值下的莫尔圆、摩擦滑动包络线、库仑破裂包络线。

如果莫尔圆与摩擦滑动线相切,则滑动面与最大主应力夹角接近25°左右的先存断层开始滑动(图B

如果断层走向与最大主应力夹角不是25°左右,即使莫尔圆与摩擦滑动线相切,断层也不会滑动,此时,随着应力增加,莫尔圆会超过摩擦滑动线(图C)。根据应力水平,处于图C中灰色区域的断层,都有发生滑动的可能。

如果没有合适的断层发生滑动,应力会继续增加,直到达到完整岩石的破裂强度,即莫尔圆与库仑破裂线相切(图D),此时,处于灰色区域的任何断层都会发生滑动。如果没有合适的断层滑动,岩石就会产生新的破裂面。此时,破裂面的角度满足库仑破裂准则给出的结果。

因此,处于脆性破裂域,无论破裂还是摩擦,最大主应力都位于共轭破裂面或断层面的锐角方向。这在理论、实验、和野外的观察中都得到证实,并且经历了长时间的验证。

4)处于塑性变形域的岩石,根据塑性理论,理想的共轭剪切面(变形带、劈理面等)夹角为90°,但在野外经常观察到最大主应力位于共轭剪切面大于90°方向的情况。

郑亚东教授统计的结果是平均夹角为110°,并且据此提出了适用于塑性变形域的准则:最大有效力矩准则。

 

综述所述,在脆性域,最大主应力位于破裂面或断层面锐角方向;

在塑性域,共轭剪切面呈90°分布,或最大主应力位于共轭剪切面(变形带、劈理面等)的钝角的方向。

 



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