岩石物理学
为什么要研究岩石物理
岩石试验的基本事实
应用
陈颙（yongchen@)
为什么要研究岩石物理的摩擦 有效应力定律 岩石的蠕变
压力/GPa
把岩石样品放到与地球内部相似的高压高温环境中，研究在给定的应力状态（或应 力状态变化）下岩石各种性质及岩石中发生的力学过程。
岩石物理学
为什么要研究岩石物理
岩石试验的基本事实
应用
陈颙（yongchen@)
为什么要研究岩石物理？
为什么要研究岩石物理
高压高温环境 多孔介质 长期作用 元素、矿物和岩石
地球核心的溫度估计为6000-8000度。
高压锅的工作压 力一般是80千帕 （超过大气压的 数值），实际压 力是一个大气压 （平原101千帕） 加80千帕。
岩石是构成地球的基本材料，地球上99%的岩石都处在 600度和1GPa以上的高温高压状态。
为什么要研究岩石物理？
为什么要研究岩石物理
高压高温环境 多孔介质 长期作用 元素、矿物和岩石
1980年圣海伦斯火山喷发的火山灰颗粒在电子显微镜下(SEM)的形状
砂岩中的孔洞，注意孔洞连成的输运网络
花岗岩内部的微裂纹
Recognition of exciting opportunities for research in tectonics , brought into focus by recent technological developments, new quantitative data sets, and both conceptual and theoretical advances, motivated a workshop to consider the future directions (New Departures) for science in this field over the next ten years. Four topical areas of research were identified at the workshop:
岩石物理学进展
Upper crust strengths are represented by Byerlee’s law. Lower crust strengths are predicted wet and dry rheologies for diabase (MD) and granite( WG).
过去 – 油在砂岩中（油的仓库） 现在 – 油在页岩中（油的产地） 砂岩（仓库） 有机质少，浅 碳酸盐，页岩（生产线） 有机质多，深
油气运移易
孔隙度高
保存时间长
极低
传统勘探理论 蕴藏有限
岩石物理，断裂力学，分形 未知？
美国页岩气的开发取得了进展，由于输气管跟 不上，天然气产地（很多）的天然气价格不足 中国的五分之一。
石油革命 – 岩石物理是基础
逾渗(percolation)
导电和渗透性质均可以 用逾渗模型解释。
Probability of density
岩石是两相体
岩石 - 固相；孔隙流体 - 流体相。 （物理学、材料学少见） 正问题 – 已知各相特性，求两相特性质； 反问题 – 已知两相体和固相，求流体相。
前苏联 在科拉 半岛的 深钻， 发现地 下12km 处有大 量的水 含量。
大洋中脊的海水沿着海底的裂隙下渗成特 殊的成矿作用和生命系统。
Mantle strengths are given by olivine rheologies. (Jackson J, 2002, strength of continental lithosphere: Time to abandon the jelly sandwich ? GSA Today 12, 4-9)
2

1/ 2


= 0.6 - 1
3 .62-5.2 q ( 1)1 / 2

(
2
2
1)1 / 2 tg
(
2

2
1)1 / 2
为什么要研究岩石物理
岩石实验的基本事实
岩石实验 岩石的破裂 岩石的摩擦 有效应力定律 岩石的蠕变
W
F
= 与物理学摩擦的不同，惊人的普适性 摩擦与岩石种类无关。 摩擦与滑动面的粗糙程度无关。 只要这层断层泥不是由蒙脱土、蛭石和伊利石组成，岩石的摩擦滑动就好象断层 泥根本不存在
为什么要研究岩石物理
岩石实验的基本事实
岩石实验 岩石的破裂 岩石的摩擦 有效应力定律 岩石的蠕变
Terzagi实验 a. 多孔样品浸泡于水中；b.增加水柱高度后，样品体积几乎没有变化； c. 均布一层铅砂后，样品体积缩小 孔隙压力的概念，在金属材料研究中是没有的，但在岩石力学研究中却是一个极为 重要的概念。孔隙压力对岩石的力学性质有很大的影响。
1) Beyond Plate Tectonics: Rheology and Orogenesis of the Continents; 2) The Missing Link: From Earthquakes to Orogenesis;
3) Dynamic Interactions between Tectonics, Climate, and Earth Surface Processes; 4) Co-evolution of Earth and Life.
石油的形成 石油是由含有机质的动植物残骸被埋入地 下后和泥沙组成了有机淤泥，由于地层的 原因不断地被一层一层地掩埋，愈埋愈深， 最后于外面的空气隔绝，造成了一个缺氧 的环境，加上深层处温度的升高，压力的 增强，厌气性氧细菌便把有机质分解 （Cooking），形成了石油（高温则形成了 天然气）。这是物质条件。
生 – 储 – 盖的构造组合
生 – 烃源岩。Mudstone, shale, limestone. 页岩（Shale）主要是由粘土沉积后经压力和温度形 成的岩石（黏土主要是可塑的硅酸铝盐：有机质多 （油气的潜在产地）；颗粒非常小（透水性差，表 面积大，油气一旦生成，不易跑掉））。黑色页岩 可以作为石油的指示地层。页岩形成于静水的环境 中，泥沙经过长时间的沉积，所以经常存在于湖泊、 河流三角洲地带，在海洋大陆架中也有页岩的形成。 储 - 沙岩 由石英、长石等碎屑成分占50%以上的沉积 碎屑岩。透水性好。 盖 – 粘土、盐、石膏
岩浆流动性-压力、温度和水
为什么要研究岩石物理
岩石实验的基本事实
岩石实验 岩石的破裂 岩石的摩擦 有效应力定律 岩石的蠕变
岩石的蠕变特征
下地壳主要造岩矿物橄榄石的蠕变
Q 3 4 7 x10 1 3 exp RT
（当1 － 3 < 200MPa 时）
式中 是应变率 (s-1 ), R是普适气体常数(8.3144焦耳/摩尔/度,Jmol-1K-1)， T(K)是热 力学温度, 活化能Q=125 kcal/mol=0.52MJ/mol,应力单位为MPa。

岩石物理学
为什么要研究岩石物理
岩石试验的基本事实
应用
陈颙（yongchen@)
1 2 2 C0 2 S0 ( 1)
（6.10）
q ( 1)
2

1/ 2

(
2
2
1)1 / 2 tg
（6.11）
1 C0 q 3
Co
400号水泥 Co=40MPa 比重为2 多高自倒？
预应力缠绕
q ( 1)
在俯冲带，玄武岩和安山岩的大洋壳可以含1-2%的水，深入到俯冲 带200公里以下；然而正是这少量的水可以影响地幔中岩浆的分馏， 产生地震震波传速不连续面。 纵观地球史，最早形成地球的物质中有2%的重量是水，而今天表层 系统中的水只占地球重量的0.02%, 除去逸失者外，其余应当留在地 球的深部。据估计，下地幔中储存的水就相当于全大洋总量的五十 倍之多。水循环和演化 汪品先 《地球科学进展》18卷第6期,2003年。
为什么要研究岩石物理
岩石实验的基本事实
岩石实验 岩石的破裂 岩石的摩擦 有效应力定律 岩石的蠕变
1 1 ( ) ( 1 3 ) cos 2 1 3 2 2 1 ( ) sin 2 1 3 2
1 C0 q 3
F W
物理学中的摩擦 其中F是摩擦力，W是界面上的正压力, 是一个常数，与界面性质有关，但 与W 、F无关。Amonton发现，大多数金属的摩擦力约为正压力的1/3，也即。 以后我们会看到在地球内部应力状态下，岩石的摩擦系数要比这个数值高近1 倍。

拜尔利（Byerlee)定律
0.85 （< 200MPa） = 50MPa + 0.6（>200MPa） （， 的单位均为MPa）
为什么要研究岩石物理？
为什么要研究岩石物理
高压高温环境 多孔介质 长期作用 元素、矿物和岩石
人类活动和地质过程包含很宽的时间尺度：从几秒完成的地震到几千万年的造山运动。
长期作用下，岩石的流变
重要的科学白皮书
April 2003,Website and pdf file available at /
斯堪的纳维亚冰后回跳
末次冰期（100ka,20ka,9ka,B.P.) 的盛冰期，在北欧冰盖质量为 ０．２６×1019kg，全球海平面平均下降约120m. 由于高密度 地幔对低密度地壳的浮力作用，有海岸线等升图得出．陆地每 年升高9mm.
为什么要研究岩石物理？
为什么要研究岩石物理
高压高温环境 多孔介质 长期作用 元素、矿物和岩石