Ứng suất, Biến dạng và Biến dạng Đá

Ứng suất là lực trên một đơn vị diện tích tác dụng lên đá và biến dạng là sự thay đổi hình dạng hoặc kích thước do đó; mối quan hệ của chúng quyết định liệu đá uốn cong, chảy hay vỡ.

Definition

Ứng suất là sự phân bố các lực tác dụng lên một vật thể trên một đơn vị diện tích, biến dạng là sự biến dạng có thể đo lường được tạo ra, và biến dạng đá là quá trình mà đá thay đổi hình dạng hoặc thể tích để phản ứng với ứng suất thông qua hành vi đàn hồi, dẻo hoặc giòn.

Scope

Chủ đề này bao gồm các khái niệm cơ học làm nền tảng cho tất cả các cấu trúc địa chất: tenxơ ứng suất và các trục chính của nó, các loại biến dạng, các chế độ đàn hồi, dẻo và giòn, và các cơ chế biến dạng mà đá thích nghi với biến dạng ở các độ sâu khác nhau. Đây là nền tảng cơ học để giải thích các nếp uốn và đứt gãy.

Core questions

• Trạng thái ứng suất trong đá được mô tả và phân giải trên một mặt phẳng như thế nào?
• Điều gì phân biệt các phản ứng đàn hồi, dẻo và giòn?
• Yếu tố nào kiểm soát độ sâu của sự chuyển tiếp giòn-dẻo?

Key theories

Phá hủy Mohr–Coulomb

Sự phá hủy giòn của đá xảy ra khi ứng suất cắt trên một mặt phẳng vượt qua lực cố kết của đá cộng với sức cản ma sát, một tiêu chí dự đoán hướng của các đứt gãy so với các ứng suất chính.

Định luật ma sát đá của Byerlee

Byerlee nhận thấy rằng cường độ ma sát của hầu hết các loại đá tuân theo một mối quan hệ đơn giản, gần như độc lập với loại đá giữa ứng suất cắt và ứng suất pháp tuyến, cung cấp một giới hạn trên vững chắc về cường độ của các đứt gãy trong vỏ giòn.

Mechanisms

Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp, đá biến dạng đàn hồi trước tiên và sau đó bị phá hủy do nứt gãy khi ứng suất vượt quá cường độ của nó. Với độ sâu tăng lên, áp suất giới hạn và nhiệt độ cao hơn ngăn chặn sự nứt gãy và cho phép các cơ chế dẻo như trượt lệch, trượt khuếch tán và hòa tan áp suất, tạo ra dòng chảy liên tục. Sự chuyển tiếp giữa các chế độ này, sự chuyển tiếp giòn-dẻo, thường xảy ra ở độ sâu trung bình của vỏ Trái Đất.

Clinical relevance

Định lượng cường độ đá và trường ứng suất tại chỗ là điều cần thiết để thiết kế các đường hầm, mỏ và lỗ khoan ổn định, để dự đoán hành vi đứt gãy trong phân tích nguy cơ địa chấn, và để hiểu về địa chấn do bơm chất lỏng.

History

Cơ học phá hủy dựa trên công trình về ma sát của Coulomb vào thế kỷ XVIII và phân tích ứng suất đồ họa của Mohr. Cơ học đá thực nghiệm thế kỷ XX, bao gồm các nghiên cứu về ma sát của Byerlee, đã định lượng cách cường độ đá thay đổi theo áp suất giới hạn, nhiệt độ và tốc độ biến dạng, liên kết kết quả thí nghiệm với biến dạng vỏ Trái Đất.

Key figures

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

Seminal works

• byerlee1978

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa ứng suất và biến dạng là gì?

Ứng suất là lực trên một đơn vị diện tích tác dụng lên đá, trong khi biến dạng là sự biến dạng do đó, chẳng hạn như kéo dài, rút ngắn hoặc cắt. Ứng suất là nguyên nhân và biến dạng là hiệu ứng có thể đo lường được.