5第五章II 岩石变形的微观机制

岩石微观结构与变形模式引言：岩石是地球上最常见的固体物质，其微观结构和变形模式是地质学研究的重要方向之一。

理解岩石的微观结构和变形机制，有助于我们认识地壳演化和地震活动，并对地球的动力学过程有更深入的认识。

本文将探讨岩石的微观结构和其变形模式。

一、岩石的微观结构1. 矿物组成：岩石是由一种或多种矿物组成的固体，矿物是自然界中具有特定化学组成和结晶形态的物质。

矿物的种类和比例决定了岩石的性质和特征。

a. 岩石分类：根据岩石的成因，可将其分为火成岩、沉积岩和变质岩。

每一种岩石类型的微观结构都有其独特的特征。

b. 矿物组合：岩石中不同矿物的组合方式对其力学性质和变形特征起着重要作用。

例如，含有粘土矿物的岩石通常具有较强的可塑性；而含有石英的岩石则更具抗压强度。

2. 结晶形状：岩石中的矿物具有独特的结晶形态，这取决于其在形成过程中的温度、压力和成分。

有些矿物呈大晶体形状，如长石和石英，而有些矿物则呈微晶状，如粘土矿物和云母。

3. 孔隙度和孔隙结构：岩石中的孔隙度和孔隙结构对其物理性质和力学行为具有重要影响。

孔隙度是指岩石中的空隙所占体积的百分比，一些火成岩具有高孔隙度，而沉积岩和变质岩具有相对较低的孔隙度。

孔隙结构则决定了岩石的渗透性和孔隙连通性。

二、岩石的变形模式1. 形变类型：岩石在受到力的作用下会发生不同类型的形变，包括弹性变形、塑性变形和断裂。

弹性变形是指岩石在受力停止后能够恢复其原始形态，而塑性变形是指岩石在受力停止后无法完全恢复原状。

断裂则是在达到岩石的强度极限时发生的破裂。

2. 控制因素：岩石变形的控制因素包括应力条件、温度和变形速率等。

应力条件是指岩石所受到的力的大小、方向和作用时间；温度则会影响岩石的粘性和流变性质；变形速率决定了变形过程中的能量消耗和岩石的变形方式。

3. 变形特征：不同类型的岩石在受到应力作用后会呈现出不同的变形特征。

例如，火成岩在岩浆喷发时会发生凝固结晶，形成独特的岩浆纹理和流动状结构；沉积岩常常呈现层理状结构和变形褶皱；变质岩则会形成石英条带和片麻岩状结构。

第25卷第3期2003年9月甘　肃　冶　金G ANSU　M ETALL U R GYVol.25　No.3Sep.,2003岩石变形显微构造形成机制及矿物中常见的变形显微构造特征Ξ付保国,侯青亚(山西冶金第三地质勘查局314队,山西　临汾　041000)摘　要:岩石受到应力的作用就会发生位移和变形,岩石变形是一种重要的构造现象,是构造地质学研究的主要内容;近十多年来,由于冶金物理学和材料学的极大发展,将位错理论和交电压透射电子显微镜技术引进到了变形岩石显微构造研究领域中来,使得构造地质工作者将宏观和微观进行了很好地结合,对构造地质学的研究大大地深入了一步,并初步发展成为一门系统的科学———显微构造岩石学。

关键词:岩石;矿物;变形显微构造;形成机制;特征中图分类号:P583 文献标识码:A1　岩石变形显微构造形成机制1.1　应力作用下岩石的力学行为当岩石表面受到的作用力较小,且作用时间短时,岩石变形不明显;而当作用力较大且作用时间较长时,岩石就会发生永久变形,当作用力超过岩石的破碎强度时,就会发生以断裂作用为主的变形。

①岩石在应力作用下,所表现的力学行为主要有以下3种:弹性、非弹性(包括脆性、韧性和塑性)和蠕变。

②影响岩石力学性质及变形行为的因素主要有:①外界物理环境的影响,主要包括气压、温度、外施应力加力条件(加载的快慢、加载力的方位和中间主应力加载方式等),反复的加载会引起表面的疲劳而导致强度的下降。

②岩石本身因素的影响,主要包括岩石的成分、结构、构造,岩石的孔隙度和含水量,岩石中先存的面状构造。

因此,岩石变形往往是多重因素互相制约、互相影响的,其多种因素的联合效应相当复杂。

在研究宏观变形的同时,详细研究其微观变形机制就显得更为重要,而且更有意义。

1.2　岩石的变形机制岩石在应力作用下的主要变形方式是脆性变形与韧性变形,但对于构造岩石学来说,由于脆性变形和韧性变形并不是截然分开的,尤其是在脆韧性过渡阶段,脆性变形的机制仍在一定程度上起重要作用。

岩石变形机制与构造变形解析介绍：地球的内部构造复杂多样，地表也存在各种山脉、山峰以及其他地质地貌。

这些地质结构形成的基础是岩石变形和构造变形。

本文旨在探讨岩石的变形机制以及构造变形的原因和解析。

一、岩石的变形机制岩石的变形主要有弹性变形、塑性变形和蠕变。

弹性变形是指在外力作用下，岩石发生形变，但一旦外力消失，岩石会恢复原样。

这种变形机制类似于弹簧的弹性，因此被称为弹性变形。

塑性变形是指岩石在外力作用下发生形变，一旦外力消失，岩石无法恢复原状。

塑性变形是岩石内部原子的排列和结构发生改变导致的，是一种渐进的形变过程。

蠕变是指岩石在长时间外力的作用下产生的缓慢流变，类似于粘塑性物质的变形过程。

在地质学中，岩石的变形通常是由于构造应力引起的。

构造应力是地壳中由于板块运动或其他地质过程产生的应力，它是岩石变形的主要驱动力。

构造应力分为挤压、拉伸和剪切应力。

挤压应力是指来自相对于岩石的两个方向的垂直压力，拉伸应力是指来自相对于岩石的两个方向的拉伸力，剪切应力是指来自相对于岩石的两个方向的切割力。

二、构造变形的原因和解析构造变形是地壳中岩石受到构造应力作用下的形变和位移，构成了地球上的山脉、地震和其他地质现象。

构造变形通常存在于板块边界附近的活动带，如地震带和火山带。

构造变形的原因可以分为两类：内因和外因。

内因是指地壳内部的构造应力引起的变形。

地球内部的构造应力是不均匀的，一部分是来自板块运动和构造活动，一部分是来自地球内部的热对流和岩石圈的变化。

外因是指地壳外部的构造应力引起的变形。

外部构造应力主要来自板块运动、重力和地质过程。

岩石的构造变形解析是地质学的一个重要研究领域。

通过对地壳内部的构造变形进行解析，可以揭示地壳演化的过程和机制。

地壳的构造变形解析可以通过地震学、地质力学和地质构造学等方法进行。

地震学是研究地球的震动和地震波的传播的学科。

地震波的传播路径和速度可以揭示地壳内部的岩石性质和构造变形情况。

岩石学中的岩石变形与变质过程岩石学是地球科学中的重要分支，研究的是岩石的形成和变化过程。

其中，岩石变形与变质过程是岩石学中的两个重要方面。

本文将探讨岩石变形与岩石变质过程的特点和机制，并介绍其在地质学和矿产资源开采中的重要意义。

一、岩石变形的特点及机制岩石变形是指在地质作用下，岩石发生形状、结构和体积上的改变。

岩石变形通常分为塑性变形和脆性变形两种类型。

塑性变形是岩石在高温或高压条件下，由于岩石内部微观构造的改变而发生的。

这种变形在岩石学中占据主导地位。

岩石在塑性变形过程中，原有的晶体结构会发生变化，晶体中的晶粒会发生旋转、滑移和再结晶，从而产生新的岩石结构。

这种变形形式使岩石具有了一定的韧性和可塑性，有助于岩石在地壳中的变形和运动。

脆性变形则是在低温和低压条件下，岩石发生的破碎、断裂和滑动等变形。

这种变形形式使岩石表现出脆性和不可形变的特点。

脆性变形主要发生在岩石的表层，如地壳的上部和地震的震源带等地方。

岩石变形的机制与地质力学和板块构造密切相关。

地质力学研究了岩石受力后的应力、应变和变形规律。

而板块构造理论则解释了地球上的地震、火山和地壳运动等现象。

这些理论为岩石变形的机制提供了解释基础。

二、岩石变质的特点及机制岩石变质是指由于地温、地压以及地球内部物质交换而引起的岩石结构和组成的改变过程。

在地壳深部，岩石会受到高温和高压的作用，使得其中的矿物质和岩石结构发生变化，形成新的岩石类型。

岩石变质通常分为接触变质、区域变质和动力变质三种类型。

接触变质是岩石在热液或岩浆的侵入下受热和周围岩石的物质交换作用而引起的变质。

这种变质作用通常发生在侵入岩和周围围岩的接触带内。

接触变质使原岩石的矿物质和结构发生改变，形成了特定的岩石类型，如大理岩、角闪岩等。

区域变质是指在大范围的构造作用下，岩石受到高温、高压和物质交换的影响，发生结构和组成的改变。

这种变质作用通常发生在板块碰撞带、造山带以及地中海沿岸等地区。

第五章岩石的弹性岩石在力的外力作用下，其原始长度、体积和形状都会发生变化，受力后的变形是岩石最常见的力学性质。

受力后的这些变形，当外力取消时，又可恢复到原来的形态，岩石的这种变形可恢复性质为岩石的弹性。

能够完全恢复变形的介质为完全弹性体，不能完全恢复变形的介质为不完全弹性体，或称为为粘弹性体。

可通过应力和应变的关系来研究岩石的弹性，利用弹性参数或弹性模量来表征岩石的弹性性质。

岩石有关弹性理论是地震波理论的基础。

5.1应力与应变岩石在应力的作用下必然在一定程度上产生应变，具有因果关系，并且存在着一定函数关系，其函数关系中的参数为弹性参数。

其中一些主要的弹性参数又称之为弹性模量(各种应力与应变的比值),各种岩石的弹性模量为一常数。

1）应力(stress)在所考察的截面上某一区域单位面积上的内力称为应力。

岩石受外力的作用而变形时，在岩石内各部分之间产生相互作用力，以抵抗外力的作用，这种抵抗力称为内力，内力力图使岩石从变形后的位置恢复到变形前的位置。

可用应力来表征内力的集中度或强度。

应力为矢量，单位为Pa(帕斯卡)或N/m 2（牛顿/平方米）。

例如在圆柱体上端垂直施加外力P 时，物体为了保持原形在内部产生抵抗外力的力—内力F，其大小与P 相同，方向相反，见图5-1所示，在其截面上的平均应力为：S F /=σ图5-1内力示意图如果在截面积上的内力分布，其大小不均匀，方向一致时，平均应力则不能完整表述应力状态，因此要以截面上任意一点的应力p 来表示，也就是说，在考察截面上某一面积S ∆，当S ∆在考察点趋于零时的内力，如下式表示。

SF p s ∆∆=→∆0lim一般情况下应力不垂直于，也不平行考察截面，因此可分解为正应力σ和切应力τ来表征。

正应力垂直截面，切应力与截面相切，见图5-2。

正应力的方向与应变方向平行，而切应力的方向与应变垂直。

按照外力作用的形式不同，应力又可分为拉伸应力和图5-2应力分解示意图压缩应力、弯曲应力和扭转应力等。

岩石变形机制及其数值模拟方法岩石的变形机制是指岩石在地质过程中发生形变的原因和机理，对于地质研究和工程应用都具有重要的意义。

本文将介绍岩石变形机制的原理和常见的数值模拟方法。

一、岩石变形机制岩石的变形机制主要包括三种类型：弹性变形、塑性变形和蠕变。

1. 弹性变形：当岩石受到外力作用时，如果外力不超过其强度极限，岩石会发生弹性变形。

弹性变形是指岩石在外力作用下发生的可逆性变形，当外力解除后，岩石会恢复到原来的状态。

弹性变形是岩石研究中最基本的一种变形类型。

2. 塑性变形：当外力作用超过岩石的强度极限时，岩石会进入塑性变形阶段。

塑性变形是指岩石在外力作用下发生的不可逆性变形，其特点是材料会发生永久形变。

塑性变形常发生在岩石中的微观裂隙或颗粒之间。

3. 蠕变：蠕变是岩石在长时间的外力作用下发生的渐进性塑性变形。

相比于塑性变形，蠕变需要更长的时间，通常发生在高温和高应力环境下。

蠕变对于岩石的长期稳定性和寿命预测具有重要影响。

二、数值模拟方法1. 有限元方法：有限元方法是一种常用的数值模拟方法，用于模拟岩石的变形行为。

该方法将岩石划分为有限个小单元，通过求解各单元的位移和应力状态来模拟岩石的变形过程。

有限元方法能够考虑岩石的非线性、非均质性和非连续性等特性，是模拟岩石变形机制的常用工具。

2. 边界元方法：边界元方法是一种基于边界条件的数值模拟方法，主要用于模拟岩石的弹性变形。

该方法将岩石划分为表面和内部两部分，通过求解边界上的位移和应力来模拟岩石的变形行为。

边界元方法适用于均质和各向同性的岩石模拟，并且具有较高的计算效率。

3. 离散元方法：离散元方法是一种基于颗粒间相互作用力的数值模拟方法，主要用于模拟岩石的塑性变形和颗粒流动。

该方法将岩石看作是由大量离散颗粒组成的集合体，通过模拟颗粒之间的相互作用力来模拟岩石的变形和破坏过程。

离散元方法适用于模拟岩石的非线性和离散性行为，但计算量较大。

4. 网格法：网格法是一种基于网格划分的数值模拟方法，主要用于模拟岩石的流体渗流和岩石物性的变化。