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1、2022/11/21,地球物理与石油资源学院,1,岩石物理学,授课人：黄文新地球物理与石油资源学院长江大学,联系方式： E-mail： tel: 8060418(o) 13707219181,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,2,岩石物理学,第1章 岩石第2章 岩石孔隙度和渗透率 第3章 岩石中波的传播与衰减 第4章 岩石的弹性第5章 岩石的变形第6章 岩石的断裂 第7章 岩石的强度第8章 岩石的其它特性,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,3,第8章 岩石的其它特性8.1 岩石的磁性8.2 岩石的热学性质8.3 岩石的电学性质,岩石物理学,2022/11/21,地球物理
2、与石油资源学院,4,第8章 岩石的其它特性,地球表面任何一点的静态磁场由两部分组成：第一，地球本身仿佛一块巨大的磁铁，它在整个地球表面产生了全球性的磁场，第二岩石具有的磁性也是地球磁场的另一组成部分，岩石磁性包含了由全球性磁场感应而生的岩石磁性（称为岩石的感应磁化强度Mi)和冻结在岩石中的磁性(称为岩石的剩余磁化强度Mt)两个部分。,本节岩石磁性的介绍以岩石的剩余磁化强度为重点。岩石的剩余磁化强度是岩石对于磁性的一种记忆，它与岩石中含铁的矿物成分关系很大；因此，岩石磁性的研究可以用于寻找铁矿。,8.1 岩石的磁性,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,5,8.1 岩石的磁性,8.1.1
3、 矿物的磁性,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,6,7.1 完整岩石的强度,7.1.1 岩石强度实验,从表71中可以清楚地看出，岩石的抗压强度远比抗拉强度大，少则大十几倍，多则大一百多倍不同类别岩石的强度相差很多，而且即使是同一类岩石，例如石灰岩在不同地方其强度也会差10倍之多。因此，在研究岩石强度问题时，对具体的某类岩石进行强度的实验室测定是十分置要的。,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,7,7.1 完整岩石的强度,7.1.1 岩石强度实验,岩石固有强度包括：抗压强度，抗拉强度和抗张强度，因此人们对岩石固有强度做了大量研究。Coates和Denco（1980）在Dee
4、re和Miller（1963）实验基础上拟合出了有关岩石抗压强度的关系式，具体表示如下：,(7-1),EYoungs modulus,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,8,7.1 完整岩石的强度,7.1.1 岩石强度实验,Griffth破裂准则：,式中：T0抗拉强度。,Griffth破裂准则的数字意义是：如果三个应力中有两个为零，在这个临界条件下，第三个应力一定等于单轴抗压强度C0。并且： C0=12T0,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,9,7.1 完整岩石的强度,7.1.2 强度与围压的关系,对于完整岩石来说，破裂是其发生破坏的主要形式。一旦岩石承受的压力1超过其强
5、度岩石就发生破裂。,图7-2 岩石破裂准则,图7-2表示了岩石破裂的两个准则，库仑准则：,（1） 正应力、剪切应力坐标系 | | = S0 + （72） S0-内聚力，-内摩擦系数,（2） 主应力坐标系 1=C0 + q3 (73）C0 单轴抗压强度，q-围压对岩石强度的影响系数,（3）参数间的关系 C0 =2S0(2+1)1/2+ (74） q =(2+1)1/2+2 (75）,0.6-0.8；q=3-5,因此，围压3的增加大大提高了破裂强度 1,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,10,7.1 完整岩石的强度,7.1.3 强度与温度的关系,图7-3 500MPa围压下岩石强度随温
6、度 的变化,图7-3给出了岩石强度与温度的关系，岩石强度随温度升高而下降，多数岩石当温度升高至400度，强度下降越1倍，同时，强度-温度关系强烈地依赖与岩石的种类。,（1）岩石强度随温度升高而下降的主要原因是： 在较高温度下，岩石在存在围压情况下容易发生 脆性-延性转变，例如，在小于1GPa的围压下，随温度升高，大多数岩石，包括火成岩、变质岩和部分沉积岩等都会出现脆性-延性转变，从而导致岩石强度的下降。,在常压下，情况就不尽如此了，随温度升高，岩石很少会发生脆性-延性转变，因此强度的变化也不太显著，但这方面的实验数据很少，考虑到地下岩石都处在一定的压力条件下，所以常压下岩石强度与温度关系的研究
7、也不是十分重要。,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,11,7.1 完整岩石的强度,7.1.4 强度与应变率和样品大小的关系,图7-4 岩石强度随应变率的变化,图7-4给出了花岗岩、大理岩、砂岩和页岩单轴压缩强度与应变率的关系，总的来说，随应变率的增加，岩石强度亦增加，增加的并不十分显著。花岗岩有些不同，应变率变化达3各数量级时，强度增加了越30%。,图7-5岩石强度随样品大小的变化,图7-5给出了7种岩石强度与样品大小关系的试验结果，随样品尺寸的增大，其强度随之下降。当样品尺寸增加10100倍时，玄武岩的强度可下降10倍，因此，在岩石实验中，选择固定尺寸的样品，可以增加实验结果的可
8、对比性。,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,12,7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度,第7章 岩石的强度,观察野外的岩石露头、岩心和矿井工作面，就会发现岩石中总是包括许多不连续的间断面，按尺度从小到大来说，有裂隙、节理和断层等等。假定这些间断面在地壳深部也同样存在，则除了完整岩石部分的破裂之外，岩体还可能沿着这些间断面发生滑动。这时，包含有间断面在内的岩体所能承受的最大应力，多数情况下将由这些间断面上的摩擦力决定。,7.2.1 拜尔利(DyerIee)摩擦滑动条件,拜尔利分析了大量岩石摩擦滑动的实验资料，提出了在地球深部环境下，岩石沿某一滑动面发生摩擦的条件是： = 0.85 （
9、200MPa） =50MPa + 0.6(200MPa) (76）,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,13,7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度,7.2.1 拜尔利(DyerIee)摩擦滑动条件,例题：将拜尔利定律用主应力1 ， 3 的函数关系给出，并给出摩擦滑动面法线与1方向的夹角，如图。,图7-6 平面应力状态,解：假定岩石中存在着随机方位分布的许多断层，则某一法线与1方向成角的断层面上：,（77）,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,14,7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度,7.2.1 拜尔利(DyerIee)摩擦滑动条件,（78）,（79）,2022/11/21
10、,地球物理与石油资源学院,15,7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度,7.2.2 拜尔利定律和库仑准则的比较,岩石的破坏包括破裂和摩擦滑动两种情况。,完整岩石：破裂是完整岩石中发生破坏的惟一机制，破裂条件可以由库仑准则给出。,非完整岩石（存在断层）：假如岩石中预先就存在着软弱面，比如断层，情况就变了。这是岩石发生破坏的机制可能是沿断层面的摩擦滑动，也可能是穿过断层面的破裂，究竟发生哪一种类型的破坏，要视岩石内部是首先满足库仑准则还是首先满足拜尔利定律而定。,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,16,7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度,7.2.2 拜尔利定律和库仑准则的比较,图7-7
11、 含软弱面岩石的强度随软弱面 方位的变化,图7-7（a)所示，岩石中预先存在一个软弱面，其法线与最大主应力方向成角，这是岩石强度（1- 3）随角的变化如图7-7（b).,小于1 或者大于 2：发生穿过软弱面P的破裂，而不发生沿P面的摩擦滑动，此时，尽管存在软弱面，岩石强度与完整的不含有软弱面岩石的强度一样。,位于1 和 2之间： 岩石只发生沿软弱面P的摩擦滑动，强度小于完整岩石的强度，且随角发生变化。,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,17,7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度,7.2.2 拜尔利定律和库仑准则的比较,图7-8 实际岩石的破裂强度和 摩擦滑动强度,库仑准则和拜尔利定
12、律的区别,1）图7-8中，库仑准则和拜尔利定律都可用直线来表示破坏发生的条件，分别称为C和B直线，一般地，C线比B线要高，表示在通常情况下，岩石的破裂强度壁摩擦滑动强度要高。在高的正应力下（1.5GPa,，相当于地壳底部的正应力数值），B线和C线相交，表明当正应力足够高时，岩石的摩擦滑动条件与破裂强度趋于一致。也就是说，在地壳深部，断层或其他间断面的存在在力学上已经没有意义。断裂的岩石与完整的岩石在高压下的力学行为是一样的。,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,18,7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度,7.2.2 拜尔利定律和库仑准则的比较,图7-9 库仑准则的图示,库仑准则和拜尔
13、利定律的区别,2）岩石中一点的应力状态也可以用-平面上的莫尔圆来表示。岩石内某点的莫尔圆与C相切，这点必然要发生破裂，也就是说，莫尔圆与C线相切，是破裂发生的充分必要条件，由切点的位置可以求出破裂面的方位（图7-9）,与此不同的是，当讨论预先给定的软弱面问题时，莫尔圆与B线相切或相交是摩擦滑动的必要条件，但究竟是否会发生滑动，要视所研究面上的，是否满足拜尔利定律而定，也就是说，莫尔圆与B线相交，是发生摩擦滑动的必要但非充分条件,对于含有软软弱面的岩石，B线以下是稳定区，B线及B线以上，C线以下的区域为可能发生摩擦滑动的应力状态区,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,19,7.2 含裂
14、隙、节理和断层的岩体强度,7.2.3 安德森断层,1）正断层 断层面倾角大于45度，断层上盘向下运动（图7-10a） 垂直向应力是最大主应力1，断层走向即为中等主应力2的方向（图7-10b),图7-10 正断层及应力方向,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,20,7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度,7.2.3 安德森断层,1）逆断层 断层面倾角小于45度，断层上盘向上运动，亦称逆冲断层（图7-11b） 垂直向应力是最小主应力3，断层走向即为中等主应力2的方向（图7-11c),图7-11 逆断层及应力方向,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,21,7.2 含裂隙、节理和断层
15、的岩体强度,7.2.3 安德森断层,1）走向断层 断层面近于直立，断层沿水平方向滑动，（图7-12c d） 垂直向应力是中等主应力2，断层走向与最大（水平）主应力交角小于45度的方向（图7-12a),图7-12 走向滑动断层及应力方向,2022/11/21,地球物理与石油资源学院,22,7.3 地壳中的(偏)应力状态,第7章 岩石的强度,7.3.3 实地(ln situ)应力测量,在中国、北美、南非和澳大利亚进行了许多现场应力测量，下面根据测量的结果，对地完应力场作一般性的介绍。,1） 垂直应力v,图7-13地壳内垂直主应力与深 度的关系,图7-13看出，随深度的变化，垂直主应力增加，等于上覆岩层压力,v = 岩石g h (7-10),2022/11/21,地球物理与石油资源学院,23,7.3 地壳中的(偏)应力状态,7.3.3 实地(ln situ)应力测量,2） 水平应力大小,图7-14 水平主应力随深度变化的关系,
