论岩石的地质本质性及其岩石力学演绎

发布时间：2016-10-31 12:15

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第２８卷第３期２００９年３月

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岩石力学与工程学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｖ０１．２８

Ｎｏ．３

Ｍａｒｃｈ．２００９

论岩石的地质本质性及其岩石力学演绎

王思敬

（中国科学院地质与地球物理研究所，北京

１０００２９）

精要：简要论述岩石循环的地质作用，提出并讨论岩石地质本质性命题，侧重阐述岩石的物质性、结构性和赋存性，及其同地质演化的密切关系。作为岩石力学研究对象的岩石同其他工程建筑材料的不同之处就在于它的地质演化及所形成的地质本质性。通过对岩石本质性的认识，探讨岩石物理本属性，包括不均一性、不连续性的成因及其同地质本质性的关系。在此基础上讨论岩石力学本构性研究中对介质力学属性的考虑。试图通过岩石地质本质性、物理本属性到力学本构性的讨论建立起岩石力学与地质学相互认识和深入结合的知识通道。关键词：岩石力学；岩石演化循环；岩石地质本质性；岩石物理本属性；岩石力学本构性中图分类号：Ｔｕ４５

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００—６９１５（２００９）０３—０４３３—１８

ＧＥｏＬｏＧＩＣＡＬＮＡＴＵＲＥｏＦＲＯＣＫＡＮＤＩＴＳＤＥＤＵＣＴＩＯＮＦＯＲＲＯＣＫ

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岩石力学的研究对象是岩石。虽然研究目标是

１

引

言

探讨岩石的力学性能及其工程行为，而且主要应用力学学科的原理和方法，但是岩石却同其他工程材

从地球科学视野或是从工程地质学观点来讨论岩石力学特性和问题已有相当多的文献可供参考。作者…在早期的研究工作中就曾作这样的尝试；谷德振等［２－－４１也对此进行了系统的论述。在２０世纪初，岩石力学界和工程地质学界所开展的世纪学术进展总结也含有这方面的讨论ｆ５－１’７１。陈宗基‘８～删在许多论著或讲演中曾阐述过地质因素的重要作用。

收藕日瓤：２００８—１２—１０；傣画日期；２００９—０２—１３

料又有所不同，因而有其特殊性。岩石是－－；ｆｅｅ自然造物，是在漫长的地质历史中，经历了多种地球动力作用才得以形成的，并由此获得其本质性。岩石演化循环，经过成岩、构造变形和次生蜕化才使其具有现今面貌，从而奠定岩石的物理本属性，构成力学评价之基础。当进行岩石的力学本构性研究及岩石工程评价时，物理本属性的力学表现至为重要，

作者简介：王思敬ｎ９３４一），男，１９６３年于苏联莫斯科地质学院获副旧Ｌ学位，现任教授、博十ｍ导师、。¨司ｒ程院院十，主要从粤水电、矿山、困防和环境工程等方面的教学与研究Ｔ作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｓｉｊｉｎｇ＠ｍａｉｌ

ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ

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万方数据　

岩石力学与工程学报

２００９焦

如能与其形成根源联系起来，必可得到新的理解，从而缩小不确定性。放眼到地球科学视野来深化和延拓岩石力学学科也许是更上一层楼的一个支承。

本文简要地论述了岩石循环的地质作用，提出并讨论了岩石地质本质性命题，侧重阐述了岩石的物质性、结构性和赋存性，及其同地质演化的密切关系。作为岩石力学研究对象的岩石，同其他工程建筑材料的不同之处就在于它的地质演化及所形成的地质本质性。通过对岩石本质性的认识，本文探讨了岩石物理本属性，包括不均一性、不连续性及时态性的成因及其同地质本质性的关系。在此基础上，文中还讨论了岩石力学本构性研究中对介质力学属性的考虑。本文试图通过岩石地质本质性、物理本属性到力学本构性的讨论，建立岩石力学与地质学相互认识和深入结合的知识通道。

２岩石力学与地质学的结合

２．１岩石力学与地质学的学科关系

岩石力学将力学理论作为学科发展的研究目标，而岩石则是岩石力学研究的对象。岩石是一种地质产物，也可称地质体。广义上讲，岩石力学应是力学与地质学相结合的交叉学科，若更有针对性地来看，岩石力学侧重于固体力学与岩石地质学的结合。

岩石力学属于应用基础学科，它的研究任务是以岩石工程建设为己任，也包括地质资源的开发工程。更广更深的力学、地质学，与工程学科的结合势在必行。因此，地质学必然成为岩石力学与岩石工程学科的支柱性基础学科之一。

那么，岩石力学与岩石工程学科从地质学中究竟能有何得益，地质学在哪些领域对岩石力学与岩石工程学科的研究和发展可能做出贡献，这就是本文所试图回答的主要问题。

地质学（ｇｅｏｌｏｇｙ）是地球科学的一个分支学科。地球科学（ｅａｒｔｈｓｃｉｅｎｃｅｓ）包括大气、海洋、地理和固体地球科学等（见图１）。固体地球科学（ｇｅｏ—ｓｃｉｅｎｃｅｓ）则包含地质学、地球物理学和地球化学。从广义和实用的角度看，地质学同其他地球科学的分支有着密切的交叉，因而也含有与它们相关的研究内容。

地质学的研究对象是地球，尤其是地壳，重点在于研究它的物质组成和结构，以及其形成、演化的地质动力作用和过程。地质学的核心研究思路是地质历史的时空重建，在层序和构造分析的基础上，地质学家采用了许多现代数理化科学和技术方法，从而使传统的地质学科步入现代科学行列。

万　

方数据图１地球与地质科学组成

Ｆｉｇ．１

Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｅａｒｔｈａｎｄｇｅｏｌｏｇｙｓｃｉｅｎｃｅｓ

从岩石力学与岩石工程学科研究和发展的角度看，相关的地质学研究主要涉及以下领域（见表１）：

表１

主要相关地质学科和领域

Ｔａｂｌｅ１Ｍａｉｎｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｕｂｊｅｃｔｓａｎｄｆｉｅｌｄｓ

编号

学科

分支学科和领域

与岩石力学关系

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力学科灾害地质学、地貌动力学等……。～。

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（１）岩石地质学科，包括矿物学、岩浆岩石学、

沉积岩石学、变质岩石学、地层学以及地球化学等，主要研究各类岩石的物质组成和结构，及其成岩和

早期演化的地质作用。

（２）地质构造学科，包括大地构造学、构造物理学、地质力学、地球动力学、构造地质学等，以及地球物理学，主要研究构造形变、褶皱断裂、岩石变形、构造应力等，从而论述地壳运动和区域构造演化。

（３）地质动力学科，主要研究内生动力作用和外生动力作用。内生动力作用是由地球内能驱动的地质作用，如地震、火山、地热等。外生动力作用的研究也可称地圈动力学，主要研究地球浅表层岩石圈和大气圈、水圈、生物圈的相互作用、动力过

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王思敬．论岩石的地质本质性及其岩石力学演绎

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程及岩土运动和浅表层地质演化，包括崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、地面塌陷、地面裂缝，以及地下水渗流、岩士潜蚀、土地浸没、土地侵蚀、沉积、堆积作用、土地沙化、盐碱化和岩溶化、岩石风化、卸荷作用等。

（４）历史地质学科，是以某些地质时代为主的

综合地质研究，如前寒武纪地质学，中、新生代地

质学，第四纪地质学等，尤其是第四纪地质学同岩石表生演化及工程地质环境研究的关系最为密切。

（５）工程地质学科，主要包括工程地质学、水文地质学和环境地质学等。它们的研究对象相同，应用目的一致，但在研究手段上有所异同，在学科方向上各有侧重。它们同岩石力学虽然学科属性有所差异，但互补性强，其发展过程就是学科交叉、渗透和合作的历程。

工程地质学是一‘门应用性强的地质学科，主要研究工程建设的地质条件和问题及其治理。它重点研究工程地质作用，即人类工程活动和地质环境的相互作用和制约。工程地质学的主要学科领域有工程岩土学（土质学）、工程地质力学、地质动力学、工程水文地质学、工程环境地质学、地质灾害学、资源工程地质学、城市地质学、专门工程地质学、区域工程地质学以及地质工程学等。

工程地质学由于广阔的应用性导致其学科的综合性，几乎得到地质学中所有学科领域的支持，其中有一部分同时也是岩石力学的支持学科，或者是岩石力学工作中有时可能涉及到的领域。所以在本文写作中只能就岩石力学研究的若干关键性地质问题进行探讨，讨论其岩石力学意义及研究方向，势必与工程地质学的覆盖面有一定的重叠。

２．２岩石力学与地质学结合的知识通道

岩石力学家大多认识到地质学是岩石力学的重要基础学科，在岩石力学的本构建模及岩石工程分析计算中试图尽可能地考虑岩石特性及地质条件，但是地质科学涵盖着大量分支学科，从何入手仍是很大的问题。地质学家也很热心于为岩石工程建设做出自己的贡献，然而难于确定适当的切入点和深入的方向。显然，构建一条地质学和岩石力学问相互沟通的知识通道是必要的。

事实上，岩石力学及土力学同地质学的结合从一开始就被认为是学科发展的要点之一。Ｔｅｒｚａｇｈｉ和Ｍｕｌｌｅｒ教授皆为后人做出了楷模。

进入２１世纪以来，国际岩石力学学会、土力学与岩土工程学会及工程地质与环境学会合作构建了国际地质岩土工程学会联合会（Ｆｅｄｅｒａｔｉｏｎ

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方数据ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＧｅｏ—ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｓｏｃｉｅｔｉｅｓ，ＦＩＧＳ）。联合

会约定的分工如下：工程地质做出地质建模，岩土力学进行计算分析，岩土工程开展设计和旖工（见图２（ａ））。这一方案思路简洁可行，但要融合成为整体尚有很大空间，需做大量工作。作者在ＦＩＧＳ的三角关系图上添加了一些合作的环节（见图２（ｂ））。

图２岩土力学与相关学科的关系

Ｆｉｇ．２

Ｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｒｏｃｋａｎｄｓｏｉｌｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄｒｅｌａｔｅｄｓｃｉｅｎｃｅｓ

岩石工程分析计算所需参数的确定和选择应由地质研究圈划出相对均一单元体，而后根据岩石力学本构关系的要求，通过试验和分析得出结果。岩

石工程的设计应同地质调查结合开展勘探和测试工

作，并同岩土力学分析结合开展试验和模拟研究，以提高岩石工程设计的可靠性。

工程地质学家、岩石力学学家需同设计、施工工程师密切结合，通过多元知识的综合集成方可设计和建成高质量的岩石工程。

多学科的合作归根到底是学科之间知识的交互和融合，因此必须建立一条知识通道。地质学和岩石力学之问的通道应从两头开通。在通道中间应有知识转化的接口，将通道联成整体。中问接口的意义在于取得双方的共识，以达到学科知识交融的目的。从地质科学来看，最基本的问题在于岩石力学研究中应该如何看待岩石。作为岩石力学研究对象

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和岩石工程所处的介质，岩石应区别于其他人工材料，那么它的特殊性何在，这就需要追究岩石的本质性，而从地质学趋向岩石力学的知识通道也就从此处进口。图３是学科知识沟通的内涵。

地质

物理力学本质性

本属性

本构性

物质性不均一性变形特性结构性各向异性强度特性赋存性不连续性渗透性演化性

时态性

流变性

图３岩石力学研究中的三大属性

Ｆｉｇ．３

Ｔｈｒｅｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｎｓｔｕｄｙｏｆｒｏｃｋｍｅｃｈａｎｉｃｓ

所谓本质性指物体的内在的固有特性，它在本质上制约着物体的其他有关表现和行为。岩石是～种地质体，它的本质性来源于其地质成因和演化，同其他人工材料有着本质的区别，可称为地质本质性。

作为岩石力学研究对象而言，岩石地质本质性包含其物质性、结构性、赋存性以及演化时态性。工程地质学家重点研究工程岩体长期地质演化所形成的物质组成，即其物质性；长期应力历史中形成的结构特性，即其结构性；长期同周围地质环境的有机联系，即赋存性。在这些研究中，贯穿始终的是地质作用和演化过程，而且从其演化趋势来预测未来的工程地质作用和岩体的工程行为。

岩石地质本质性的研究必将导致岩石物理本属性的揭示，以及其成因和展布规律。岩石物理本属性指物理特性的整体展布和格局，如不均一性、各向异性、不连续性及其时态性。这些本属性也必然具有很强的时态性，随着时间和条件的变化而改变。

地质学家对岩石地质本质性有了深入掌握后，方可认识其物理本属性。在此基础上，地质学家将可进一步理解岩石的变形破坏机制及其力学本构性。岩石力学家只有进一步认识这些实质性因素，才可考虑它们的作用，建立更加符合实际的岩石力学模型和科学合理的本构关系。而地质学家在理解岩石本构性的基础上又可返回到岩石本质性的深入研究中，以期同岩石力学进一步结合。

万　

方数据３岩石成因演化的地质作用

３．１岩石的全球旋回

地球上岩土是地壳物质，是地球演化的产物。某阶段的岩土物质可成为下阶段物质演化的起点。

一阶段的稳态演变可经历漫长的地质时代，矿物组分逐渐变化。由一阶段物质转化为另种组分也常有很长的过渡期，形成过渡型矿物组分和不同的物态。

对岩石的考察地质学家可追溯它的由来，然而更重要的是推测它的未来。以今推古到以古及今，再去以今推后，这是地质分析的重要原理之一。

从三大类岩石的全球旋回来看，岩浆岩是由幔源物质构成的，属原生岩类。而沉积岩则是已有岩石经破碎后再度堆积和胶结而成的，是典型的次生岩类。岩浆岩和沉积岩在进入高温、高压条件下形成变质岩类，也属次生岩类。但值得注意的足，作为次生岩类的沉积岩类又成为变质岩类的源岩。已形成的沉积岩类和变质岩类可再次以源岩组分进入新的沉积岩中。而已经形成的各类岩石在强烈的地壳运动中可能进入地壳深部，与岩浆产生混熔，形成新的岩浆源。

岩石旋回的驱动力为地壳运动同地表物质运动的耦合作用，它表现为地壳隆升或仰冲，使岩浆上涌，产生岩浆岩，同时造成表层岩石剥蚀和运移的条件，形成沉积岩：而地壳的下沉或俯冲则可使地球表层被岩石卷入地壳深部，产生变质岩，甚至进入上地幔岩浆源区，进入浆源中。如此旋回不已，通过各类地质作用形成复杂而多样的岩石，造成岩石的多样性。

３．２成岩地质作用

岩石成岩作用和早期演化决定着岩石的物质组成和结构，也是奠定地壳物质基础的主要地质作用（见表２）。它包含了多种地质作用，并构成地壳演化的基本过程。成岩地质作用可分为三大类：岩浆活动、沉积作用和变质作用，相应形成三大岩类（见表２）。

岩浆活动是地壳岩石的初始物质源泉，所形成的岩浆岩为原始岩类。岩浆从浆源流进地壳岩层后逐渐冷凝的过程为岩浆侵入活动，结果形成侵入岩浆岩。它的矿物组成取决于岩浆的主成分，如酸性岩、基性岩、碱性岩等，但通过岩浆分异及岩浆与围岩相互作用可形成多种岩性的岩石。后期岩浆活动退化过程中可能再做小规模的侵入活动，形成小

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表２岩石建造环境与岩石组成

Ｔａｂｌｅ２

Ｔｅｃｔｏｎｉｃｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｏｆｒｏｃｋｓａｎｄｔｈｅｉｒｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ

羹纂

沉积环境岩石组成Ｔ－∞ｔｚ“－ｔ寸性

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成孔洞结构

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多是软弱相

间组合，含软弱夹层层状不均一炷

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薄层组合，层状不均～一陛，

各向异性

多层组合，层

状不均一眭，

含软弱夹层多层组合，层

含盐陆相，滨海相，滨黏土岩、页岩、砂质页岩及

建造湖相

钙质页岩等，含钾盐、钠盐、

状４ｊ均。“胜，石膏、芒硝等

含可溶夹层

深成及浅成岩浆岩、如橄榄

岩浆深成、浅成各个地岩、辉绿岩、闪长岩、花岗均块体组

岩建质时代岩浆结晶分

岩、伟晶岩、细晶岩等，呈造

异相

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形变的各岩体

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霎嘉掣余浆液及水热作蚀变岩、高岭石及蒙脱石化羹器破碎机

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岩组而形成的

不同风化系数的岩（土）

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岩体或岩脉。

岩浆从浆源流经地壳岩层后达到地面，便出现火山活动，产生溢流或喷发，并相应形成火山岩系。溢流岩同喷发岩有时相互交替，形成复杂的岩组。溢流岩的成分主要取决于相应的岩浆，如酸性流纹岩、基性玄武岩等。喷发岩则常同地表沉积物混杂，，形成火山沉积岩系。

地球表层在陆地高处受大气、水和生物圈的作用，发生岩石的剥蚀，包括各类侵蚀作用，如风蚀、浪蚀、喀斯特化、潜蚀等。从母岩剥离出来的岩石在重力、水力、风力作用下搬运到异地堆积或水域中沉积下来，完成成土过程后，通过漫长的固结和胶

万　

方数据结作用才形成沉积岩类，包括碎屑和化学沉积岩等。

在地壳深处具有一定的高温、高压条件下，已形成的岩石受到岩石变质作用，产生结构和矿物组成的根本改变，形成不同变质程度的变质岩类。３．３岩石演化的地质作用

岩石在形成后又经过长期的地质演化才构成现今在地壳表层所见的岩石（见表２）。岩石后期演化

的地质作用主要可归纳为构造形变、蚀变和风化三大类，其作用主要是造成岩石结构和组成的改变，或称改造。

在构造应力场中岩石产生构造形变，主要是结构的变化，同时也有矿物组成的改变，包括生成构造应力矿物，形成构造岩，包括断层岩等。

岩石蚀变作用是岩石形成后在地壳一定深处受到深部流体，尤其是水热作用而产生的矿物组成的改变。

岩石风化作用是岩石在地表条件下产生变异的

一系列地质作用，包括应力卸荷、物理风化、化学风化和生物风化等作用。化学风化作用，如水解作用、淋滤作用等，强烈地改变岩石的矿物组成。３．４小结

岩石的全球旋回和漫长的成岩和演化历史表明，岩石是地质历史产物，它具有多样性，种类繁

多，并形成不均一眭。岩石的非稳定时态性非常突

出，大多处于演化的某种阶段，演化进展程度不一，属于过渡性产物。即使是同一种岩石，其所具有的组成、结构和物性也不尽相同，所包含的各种物理参数和力学性能差异很大。因此，要想对岩石的力学特性及其在工程条件下的表现有比较深入的认识和理解，光靠少数力学参数是不够的，而需要掌握

其全息信息，尤其是矿物组成和结构。岩石全息性能参数及对岩石成岩和演化程度信息的掌握是岩石工程和力学研究以及评价的基础。

４岩石的地质本质性

物体的本质性指其自身物性和结构所生成的内在本性。岩石力学家常说岩石是一种特殊材料。地质学家认为岩石与其他材料相比，其特殊性可归结于其地质本质性。

由于其赋存性及长期的演化过程，岩石也具有演化性。

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本文编号：159858