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岩石物理学岩石物理学授课人:
黄文新地球物理与石油资源学院长江大学联系方式:
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8060418(o)1370721918111/1/20221地球物理与石油资源学院岩石物理学岩石物理学第第11章章岩石岩石第第22章章岩石孔隙度和渗透率岩石孔隙度和渗透率第第33章章岩石中波的传播与衰减岩石中波的传播与衰减第第44章章岩石的弹性岩石的弹性第第55章章岩石的变形岩石的变形第第66章章岩石的断裂岩石的断裂第第77章章岩石的强度岩石的强度11/1/20222地球物理与石油资源学院岩石物理学岩石物理学第第66章章岩石的断裂岩石的断裂6.16.1差应力作用下岩石的特性差应力作用下岩石的特性6.26.2脆性断裂(脆性断裂(brittlefracture)brittlefracture)6.36.3岩石断裂力学岩石断裂力学6.46.4流体对断裂的影响流体对断裂的影响11/1/20223地球物理与石油资源学院我们所见到的岩石我们所见到的岩石,都包含有大小不一的裂纹。
大的裂纹,如巨大的地质断层,都包含有大小不一的裂纹。
大的裂纹,如巨大的地质断层,长达几千长达几千kmkm,小的裂纹,如岩石样品中矿物内部的小裂纹,仅长几个,小的裂纹,如岩石样品中矿物内部的小裂纹,仅长几个mm。
这些。
这些裂纹都是断裂的结果,可以说,地球表面岩石中的断裂无所不在。
裂纹都是断裂的结果,可以说,地球表面岩石中的断裂无所不在。
第第66章章岩石的断裂岩石的断裂大的断层:
大的断层:
和地球动力学有关,特别是与地震的发生有密切关系。
岩和地球动力学有关,特别是与地震的发生有密切关系。
岩石断裂性质的研究已然成为研究地震过程的有力工具。
类似于滑坡等地石断裂性质的研究已然成为研究地震过程的有力工具。
类似于滑坡等地质灾害的研究,断裂以及沿断裂面的滑动,是决定发生失稳运动最重要质灾害的研究,断裂以及沿断裂面的滑动,是决定发生失稳运动最重要的条件。
的条件。
中型断层:
中型断层:
如岩石中的节理、解理等层面,往往是决定岩石或岩体强度如岩石中的节理、解理等层面,往往是决定岩石或岩体强度最主要的因素。
决定岩石或岩体强度的因素很多,但在地下高温高压环最主要的因素。
决定岩石或岩体强度的因素很多,但在地下高温高压环境中,其中最重要的因案是岩石断裂后产生的断裂面的力学性状,这些境中,其中最重要的因案是岩石断裂后产生的断裂面的力学性状,这些断层对工程或开挖的稳定性有重要影响。
断层对工程或开挖的稳定性有重要影响。
小型断层:
小型断层:
包括微型的裂纹,对于岩石的输运特性有着关键的影响。
它们形成包括微型的裂纹,对于岩石的输运特性有着关键的影响。
它们形成的裂纹网络是岩石中液体输运的通道。
许多矿产的形成,正是各种化学元素沿的裂纹网络是岩石中液体输运的通道。
许多矿产的形成,正是各种化学元素沿这些通道富集的过程,研究岩石内部的断裂和流体的输运,对于石油、天然气、这些通道富集的过程,研究岩石内部的断裂和流体的输运,对于石油、天然气、地热开采等问题都是十分重要的。
地热开采等问题都是十分重要的。
11/1/20224地球物理与石油资源学院第第66章章岩石的断裂岩石的断裂6.16.1差应力作用下岩石的特性差应力作用下岩石的特性通常发现,在差应力作用下岩石的应力通常发现,在差应力作用下岩石的应力应变曲线在宏观破坏以前,应变曲线在宏观破坏以前,明显地偏离弹性行为,特别是当差应力较高时更是如此。
有趣的是,明显地偏离弹性行为,特别是当差应力较高时更是如此。
有趣的是,在很低的流体静压力下,由于裂纹的闭合,岩石偏离线性(在很低的流体静压力下,由于裂纹的闭合,岩石偏离线性(OAOA阶段阶段););当应力增高时,岩石接近线性(当应力增高时,岩石接近线性(ABAB阶段阶段),差应力进一步增加时,岩,差应力进一步增加时,岩石又偏离线性石又偏离线性(BC(BC阶段阶段),这种偏离主要是由于岩石宏观破坏之前,内,这种偏离主要是由于岩石宏观破坏之前,内部产生许多微裂纹,使岩石中的孔隙增加的缘故。
岩石内部产生微裂部产生许多微裂纹,使岩石中的孔隙增加的缘故。
岩石内部产生微裂纹的实验证据主要来自岩石体积应变的测量、声发射测量和岩石中弹纹的实验证据主要来自岩石体积应变的测量、声发射测量和岩石中弹性波速度的测量。
性波速度的测量。
6.1.16.1.1岩石的膨胀岩石的膨胀
(1)
(1)岩石膨胀的定义:
岩石膨胀的定义:
在差应力作用下,岩石会发生变形,其体积的非在差应力作用下,岩石会发生变形,其体积的非弹性增加就叫做岩石的膨胀。
弹性增加就叫做岩石的膨胀。
11/1/20225地球物理与石油资源学院6.16.1差应力作用下岩石的特性差应力作用下岩石的特性图图6-16-1岩石膨胀的定义岩石膨胀的定义膨胀不是指岩石变形过程中体积的增膨胀不是指岩石变形过程中体积的增加,而是指非弹性部分体积的增加。
加,而是指非弹性部分体积的增加。
但实测曲线表明对应于差应力但实测曲线表明对应于差应力DD的岩石体的岩石体积应变为积应变为,偏离弹性的部分偏离弹性的部分c-c-代表了岩代表了岩石体积的非弹性增加,叫做岩石的体积膨胀,石体积的非弹性增加,叫做岩石的体积膨胀,用符号用符号AA来表示,即膨胀来表示,即膨胀AAc-c-一般来说随差应力增加,岩石的体积是缩小的,一般来说随差应力增加,岩石的体积是缩小的,但差应力超过某但差应力超过某值值BB后后,ddvv曲线偏离曲线偏离了直线,了直线,图图6-16-1典型结晶岩石的差应力典型结晶岩石的差应力体积应变曲线体积应变曲线如果岩石是完全弹性的如果岩石是完全弹性的ddvv曲线应沿图中曲线应沿图中的的ee直线上升,当差应力为直线上升,当差应力为DD时,岩石的体时,岩石的体积应变为积应变为cc。
6.1.16.1.1岩石的膨胀岩石的膨胀11/1/20226地球物理与石油资源学院为了确定岩石的膨胀为了确定岩石的膨胀A,A,必须知道在差应力必须知道在差应力dd作用下岩石的弹性变形作用下岩石的弹性变形以这种弹性变形为参考基准,才能得到膨胀以这种弹性变形为参考基准,才能得到膨胀AA。
通常是把在低差应力。
通常是把在低差应力下岩石应力下岩石应力-应变曲线的线性部分外推,得到应变曲线的线性部分外推,得到ddvv曲线。
但当岩石孔曲线。
但当岩石孔隙度较高,或者岩石巳发生了微破裂时,低应力下应力隙度较高,或者岩石巳发生了微破裂时,低应力下应力应变曲线的线性应变曲线的线性不好,难于进行外推,这时可以把膨胀定义为观测到的实际体应变不好,难于进行外推,这时可以把膨胀定义为观测到的实际体应变与在与在同样平均应力同样平均应力下由流体静压力实验得到的体积应变之差。
下由流体静压力实验得到的体积应变之差。
前一种方法比较简单,在处理实验资料时紧常采用,后一种方法物理意义前一种方法比较简单,在处理实验资料时紧常采用,后一种方法物理意义清楚,在理论分析时经常采用。
清楚,在理论分析时经常采用。
6.16.1差应力作用下岩石的特性差应力作用下岩石的特性6.1.16.1.1岩石的膨胀岩石的膨胀11/1/20227地球物理与石油资源学院6.16.1差应力作用下岩石的特性差应力作用下岩石的特性图6-2给出了四种岩石的体积膨胀实验绍果6.1.16.1.1岩石的膨胀岩石的膨胀11/1/20228地球物理与石油资源学院(22)岩石膨胀的特点)岩石膨胀的特点6.16.1差应力作用下岩石的特性差应力作用下岩石的特性岩石膨胀的局部化现象:
岩石膨胀的局部化现象:
在岩石宏观破坏之前,膨胀在岩石内部不是在岩石宏观破坏之前,膨胀在岩石内部不是均匀发生的,而是集中在局部地区,这个特点几乎是所有岩石膨胀的共均匀发生的,而是集中在局部地区,这个特点几乎是所有岩石膨胀的共同特征,同特征,为了说明这种局部化现象,以济南辉长岩单轴压缩时膨胀的发展过程为了说明这种局部化现象,以济南辉长岩单轴压缩时膨胀的发展过程为例。
从一块大岩块上,取五块相同的辉长岩样品进行单轴压缩将样为例。
从一块大岩块上,取五块相同的辉长岩样品进行单轴压缩将样品分别加载到应力品分别加载到应力应变曲线的应变曲线的ABCDABCD和和EE点后卸载(图点后卸载(图6363),把加),把加载过的样品切开,作为岩石光片,观测岩石内部微裂纹的发展情况。
载过的样品切开,作为岩石光片,观测岩石内部微裂纹的发展情况。
6.1.16.1.1岩石的膨胀岩石的膨胀11/1/20229地球物理与石油资源学院图图6363随差应力增加辉长岩颜色的变化随差应力增加辉长岩颜色的变化没有受到差应力的辉长岩是黑色的没有受到差应力的辉长岩是黑色的(A(A),随差应力的增加,岩石光片的颜),随差应力的增加,岩石光片的颜色由黑变白(色由黑变白(BCD)BCD),破裂后在样品的中间部位颜色非常白,破裂后在样品的中间部位颜色非常白(E)(E)。
6.16.1差应力作用下岩石的特性差应力作用下岩石的特性6.1.16.1.1岩石的膨胀岩石的膨胀11/1/202210地球物理与石油资源学院图图6-56-5裂纹密度空间分布随差应力的变化裂纹密度空间分布随差应力的变化图图6-46-4测量反射率的装置测量反射率的装置为了探讨辉长岩颜色变化和膨胀为了探讨辉长岩颜色变化和膨胀(即微裂纹发展程度即微裂纹发展程度)的关系,可用图的关系,可用图6-46-4所示的装置测定岩石光片的白光漫反射率。
颜色越白,反射率就高,所示的装置测定岩石光片的白光漫反射率。
颜色越白,反射率就高,这样通过漫反射率的测量,给岩石变自程度以定量的描述。
这样通过漫反射率的测量,给岩石变自程度以定量的描述。
图图6-56-5给出了随差应力的增大,给出了随差应力的增大,55块样品上微裂纹的发展过程。
块样品上微裂纹的发展过程。
6.16.1差应力作用下岩石的特性差应力作用下岩石的特性6.1.16.1.1岩石的膨胀岩石的膨胀11/1/202211地球物理与石油资源学院表表6161单轴实验辉长岩中微裂纹的统计单轴实验辉长岩中微裂纹的统计实验说明了岩石膨胀局部化的特点。
膨胀局部化几乎是所有岩石宏观脆性破实验说明了岩石膨胀局部化的特点。
膨胀局部化几乎是所有岩石宏观脆性破坏的前兆。
岩石的膨胀会引起岩石性质的变化,所以膨胀局部化必然造成变坏的前兆。
岩石的膨胀会引起岩石性质的变化,所以膨胀局部化必然造成变形过程中岩石性质在空间分布上的变化。
通常我们测量的岩石性质,是指整形过程中岩石性质在空间分布上的变化。
通常我们测量的岩石性质,是指整个岩石的平均性质,当差应力很小时,这种平均性质实际上代表了岩石内部个岩石的平均性质,当差应力很小时,这种平均性质实际上代表了岩石内部各点的特性。
一旦差应力较高,岩石膨胀发生局部化后,岩石各点变形十分各点的特性。
一旦差应力较高,岩石膨胀发生局部化后,岩石各点变形十分不同,而平均方法会掩盖许多岩石破坏前兆的信息,因此,研究这种变形局不同,而平均方法会掩盖许多岩石破坏前兆的信息,因此,研究这种变形局部化的规律对于岩石破坏预报是十分重要的。
部化的规律对于岩石破坏预报是十分重要的。
6.16.1差应力作用下岩石的特性差应力作用下岩石的特性6.1.16.1.1岩石的膨胀岩石的膨胀11/1/202212地球物理与石油资源学院6.16.1差应力作用下岩石的特性差应力作用下岩石的特性(33)膨胀强化现象膨胀强化现象考虑在有孔隙流体存在的情况下,由于发生膨胀引起岩石强度增高的现象。
考虑在有孔隙流体存在的情况下,由于发生膨胀引起岩石强度增高的现象。
根据有效应力定律,岩石强度是由有效应力决定的。
在围压为根据有效应力定律,岩石强度是由有效应力决定的。
在围压为3(3(固定值固定值),增加,增加11使岩石发生脆性破裂的三轴压缩实验中,如果岩样中含有孔隙液使岩石发生脆性破裂的三轴压缩实验中,如果岩样中含有孔隙液体,而且处于不排水条件,岩石的膨胀发生,造成岩石中原有裂纹的张开、体,而且处于不
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