応力、ひずみ、および岩石変形

応力は岩石に作用する単位面積あたりの力であり、ひずみは結果として生じる形状またはサイズの変化である。これら2つの関係性によって、岩石が湾曲するか、流動するか、あるいは破壊するかが決定される。

Definition

応力は、単位面積あたりに物体に作用する力の分布であり、ひずみは生じる測定可能な変形であり、岩石変形は、弾性、延性、または脆性挙動を介して応力に応答して岩石が形状または体積を変化させるプロセスである。

Scope

このトピックでは、すべての地質構造の基礎となる力学的概念について扱う。すなわち、応力テンソルとその主軸、ひずみの種類、弾性、塑性、脆性領域、および異なる深度で岩石がひずみに対応する変形メカニズムである。これは、褶曲や断層を解釈するための力学的基盤となる。

Core questions

• 岩石の応力状態はどのように記述され、平面上に分解されるのか？
• 弾性応答、塑性応答、脆性応答を区別するものは何か？
• 脆性-延性遷移の深度を制御するものは何か？

Key theories

モール・クーロン破壊基準

岩石の脆性破壊は、平面上のせん断応力が岩石の凝集力と摩擦抵抗を合わせたものを超えたときに発生する。この基準は、主応力に対する断層の配向を予測する。

バイアリーの岩石摩擦法則

バイアリーは、ほとんどの岩石の摩擦強度が、せん断応力と垂直応力の間の単純で、ほぼ岩石に依存しない関係に従うことを発見した。これは、脆性地殻における断層の強度に対する堅牢な上限を提供する。

Mechanisms

低温低圧下では、岩石はまず弾性的に変形し、応力がその強度を超えると破壊によって破壊する。深度が増すにつれて、高い封圧と温度は破壊を抑制し、転位クリープ、拡散クリープ、圧溶解などの延性メカニズムを可能にし、連続的な流動を生み出す。これらの領域間の移行、すなわち脆性-延性遷移は、通常、地殻中深度で発生する。

Clinical relevance

岩石強度とin-situ応力場を定量化することは、安定したトンネル、鉱山、およびボーリング孔を設計し、地震ハザード分析における断層挙動を予測し、流体注入による誘発地震を理解するために不可欠である。

History

破壊の力学は、クーロンの18世紀の摩擦に関する研究とモールの図式応力解析に由来する。バイアリーの摩擦研究を含む20世紀の実験岩石力学は、岩石強度が封圧、温度、ひずみ速度によってどのように変化するかを定量化し、実験結果を地殻変形と結びつけた。

Key figures

• James Byerlee
• Charles-Augustin de Coulomb
• Otto Mohr

Seminal works

• byerlee1978

Frequently asked questions

応力とひずみの違いは何ですか？

応力は岩石に作用する単位面積あたりの力であり、ひずみは伸び、短縮、せん断などの結果として生じる変形です。応力は原因であり、ひずみは測定可能な結果です。