淺談巖石的地質(zhì)特性及其演化

■張波

（新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第九地質(zhì)大隊(duì)新疆烏魯木齊830009）

淺談巖石的地質(zhì)特性及其演化

■張波

（新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第九地質(zhì)大隊(duì)新疆烏魯木齊830009）

簡(jiǎn)要論述巖石循環(huán)的地質(zhì)作用，提出并討論巖石地質(zhì)本質(zhì)性命題，側(cè)重闡述巖石的物質(zhì)性、結(jié)構(gòu)性和賦存性，及其同地質(zhì)演化的密切關(guān)系。通過(guò)對(duì)巖石本質(zhì)性的認(rèn)識(shí)，探討巖石物理本屬性，包括不均勻性、不連續(xù)性的成因及其同地質(zhì)本質(zhì)性的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上討論巖石力學(xué)本構(gòu)性研究中對(duì)介質(zhì)力學(xué)屬性的考慮。試圖通過(guò)巖石地質(zhì)本質(zhì)性、物理本屬性到力學(xué)本構(gòu)性的討論建立起巖石力學(xué)與地質(zhì)學(xué)相互認(rèn)識(shí)和深入結(jié)合的知識(shí)通道。

巖石力學(xué) 地質(zhì)本質(zhì)性 物理本屬性 力學(xué)本構(gòu)性

1　引言

巖石力學(xué)的研究對(duì)象是巖石。雖然研究目標(biāo)是探討巖石的力學(xué)性能及其工程行為，而且主要應(yīng)用力學(xué)學(xué)科的原理和方法，但是巖石卻同其他工程材料又有所不同，因而有其特殊性。巖石是自然造物，是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中，經(jīng)歷了多種地球動(dòng)力作用才得以形成的，并由此獲得其本質(zhì)性。本文簡(jiǎn)要地論述了巖石循環(huán)的地質(zhì)作用，提出并討論了巖石地質(zhì)本質(zhì)性命題，側(cè)重闡述了巖石的物質(zhì)性、結(jié)構(gòu)性和賦存性，及其同地質(zhì)演化的密切關(guān)系。作為巖石力學(xué)研究對(duì)象的巖石，同其他工程建筑材料的不同之處就在于它的地質(zhì)演化及所形成的地質(zhì)本質(zhì)性。

2　巖石力學(xué)與地質(zhì)學(xué)的結(jié)合

2.1巖石力學(xué)與地質(zhì)學(xué)的學(xué)科關(guān)系

巖石力學(xué)將力學(xué)理論作為學(xué)科發(fā)展的研究目標(biāo)，而巖石則是巖石力學(xué)研究的對(duì)象。巖石是一種地質(zhì)產(chǎn)物，也可稱(chēng)地質(zhì)體。巖石力學(xué)屬于應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，它的研究任務(wù)是以巖石工程建設(shè)為己任，也包括地質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)工程。更廣更深的力學(xué)、地質(zhì)學(xué)，與工程學(xué)科的結(jié)合勢(shì)在必行。因此，地質(zhì)學(xué)必然成為巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)科的支柱性基礎(chǔ)學(xué)科之一。那么，巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)科從地質(zhì)學(xué)中究竟能有何得益，地質(zhì)學(xué)在哪些領(lǐng)域?qū)r石力學(xué)與巖石工程學(xué)科的研究和發(fā)展可能做出貢獻(xiàn)，這就是本文所試圖回答的主要問(wèn)題。從廣義和實(shí)用的角度看，地質(zhì)學(xué)同其他地球科學(xué)的分支有著密切的交叉，因而也含有與它們相關(guān)的研究?jī)?nèi)容。地質(zhì)學(xué)的研究對(duì)象是地球，尤其是地殼，重點(diǎn)在于研究它的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)，以及其形成、演化的地質(zhì)動(dòng)力作用和過(guò)程。地質(zhì)學(xué)的核心研究思路是地質(zhì)歷史的時(shí)空重建，在層序和構(gòu)造分析的基礎(chǔ)上，地質(zhì)學(xué)家采用了許多現(xiàn)代數(shù)理化科學(xué)和技術(shù)方法，從而使傳統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)科步入現(xiàn)代科學(xué)行列。

2.2巖石力學(xué)與地質(zhì)學(xué)結(jié)合的知識(shí)通道

巖石力學(xué)家大多認(rèn)識(shí)到地質(zhì)學(xué)是巖石力學(xué)的重要基礎(chǔ)學(xué)科，在巖石力學(xué)的本構(gòu)建模及巖石工程分析計(jì)算中試圖盡可能地考慮巖石特性及地質(zhì)條件，但是地質(zhì)科學(xué)涵蓋著大量分支學(xué)科，從何入手仍是很大的問(wèn)題。地質(zhì)學(xué)家也很熱心于為巖石工程建設(shè)做出自己的貢獻(xiàn)，然而難于確定適當(dāng)?shù)那腥朦c(diǎn)和深入的方向。顯然，構(gòu)建一條地質(zhì)學(xué)和巖石力學(xué)相互溝通的知識(shí)通道是必要的。事實(shí)上，巖石力學(xué)及土力學(xué)同地質(zhì)學(xué)的結(jié)合從一開(kāi)始就被認(rèn)為是學(xué)科發(fā)展的要點(diǎn)之一。從地質(zhì)科學(xué)來(lái)看，最基本的問(wèn)題在于巖石力學(xué)研究中應(yīng)該如何看待巖石。作為巖石力學(xué)研究對(duì)象和巖石工程所處的介質(zhì)，巖石應(yīng)區(qū)別于其他人工材料，那么它的特殊性何在，這就需要追究巖石的本質(zhì)性，而從地質(zhì)學(xué)趨向巖石力學(xué)的知識(shí)通道也就從此處進(jìn)口。

3　巖石成因演化的地質(zhì)作用

3.1巖石的全球旋回

地球上巖土是地殼物質(zhì)，是地球演化的產(chǎn)物。某階段的巖土物質(zhì)可成為下階段物質(zhì)演化的起點(diǎn)。一階段的穩(wěn)態(tài)演變可經(jīng)歷漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)代，礦物組分逐漸變化。由一階段物質(zhì)轉(zhuǎn)化為另種組分也常有很長(zhǎng)的過(guò)渡期，形成過(guò)渡型礦物組分和不同的物態(tài)。對(duì)巖石的考察地質(zhì)學(xué)家可追溯它的由來(lái)，然而更重要的是推測(cè)它的未來(lái)。巖漿巖和沉積巖在進(jìn)入高溫、高壓條件下形成變質(zhì)巖類(lèi)，也屬次生巖類(lèi)。而已經(jīng)形成的各類(lèi)巖石在強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)中可能進(jìn)入地殼深部，與巖漿產(chǎn)生混熔，形成新的巖漿源。巖石旋回的驅(qū)動(dòng)力為地殼運(yùn)動(dòng)同地表物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的耦合作用，它表現(xiàn)為地殼隆升或仰沖，使巖漿上涌，產(chǎn)生巖漿巖，同時(shí)造成表層巖石剝蝕和運(yùn)移的條件，形成沉積巖：而地殼的下沉或俯沖則可使地球表層被巖石卷入地殼深部，產(chǎn)生變質(zhì)巖，甚至進(jìn)入上地幔巖漿源區(qū)，進(jìn)入漿源中。如此旋回不已，通過(guò)各類(lèi)地質(zhì)作用形成復(fù)雜而多樣的巖石，造成巖石的多樣性。

3.2成巖地質(zhì)作用

巖石成巖作用和早期演化決定著巖石的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)，也是奠定地殼物質(zhì)基礎(chǔ)的主要地質(zhì)作用它包含了多種地質(zhì)作用，并構(gòu)成地殼演化的基本過(guò)程。成巖地質(zhì)作用可分為三大類(lèi)：巖漿活動(dòng)、沉積作用和變質(zhì)作用。巖漿從漿源流進(jìn)地殼巖層后逐漸冷凝的過(guò)程為巖漿侵入活動(dòng)，結(jié)果形成侵入巖漿巖。巖漿從漿源流經(jīng)地殼巖層后達(dá)到地面，便出現(xiàn)火山活動(dòng)，產(chǎn)生溢流或噴發(fā)，并相應(yīng)形成火山巖系。溢流巖的成分主要取決于相應(yīng)的巖漿，如酸性流紋巖、基性玄武巖等。噴發(fā)巖則常同地表沉積物混雜，形成火山沉積巖系。地球表層在陸地高處受大氣、水和生物圈的作用，發(fā)生巖石的剝蝕，包括各類(lèi)侵蝕作用，如風(fēng)蝕、浪蝕、喀斯特化、潛蝕等。從母巖剝離出來(lái)的巖石在重力、水力、風(fēng)力作用下搬運(yùn)到異地堆積或水域中沉積下來(lái)，完成成土過(guò)程后，通過(guò)漫長(zhǎng)的固結(jié)和膠結(jié)作用才形成沉積巖類(lèi)，包括碎屑和化學(xué)沉積巖等。

3.3巖石演化的地質(zhì)作用

巖石在形成后又經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的地質(zhì)演化才構(gòu)成現(xiàn)今在地殼表層所見(jiàn)的巖石巖石后期演化的地質(zhì)作用主要可歸納為構(gòu)造形變、蝕變和風(fēng)化三大類(lèi)，其作用主要是造成巖石結(jié)構(gòu)和組成的改變，或稱(chēng)改造。在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中巖石產(chǎn)生構(gòu)造形變，主要是結(jié)構(gòu)的變化，同時(shí)也有礦物組成的改變，包括生成構(gòu)造應(yīng)力礦物，形成構(gòu)造巖，包括斷層巖等。巖石蝕變作用是巖石形成后在地殼一定深處受到深部流體，尤其是水熱作用而產(chǎn)生的礦物組成的改變。

4　結(jié)論

巖石的地質(zhì)本質(zhì)性、物理本屬性和力學(xué)本構(gòu)性應(yīng)該是巖石力學(xué)與工程研究的三大屬性。這三者的知識(shí)貫通和共識(shí)必將導(dǎo)致巖石力學(xué)與工程研究的深化和總體水平的提升。巖石力學(xué)是一門(mén)多學(xué)科的交叉學(xué)科，各學(xué)科既有分工，也有合作。地質(zhì)學(xué)家在巖石的地質(zhì)本質(zhì)性上要多下些功夫自是理所當(dāng)然的，但是也需要對(duì)巖石的物理和力學(xué)屬性上作些研究，以期更深入地理解巖石的力學(xué)側(cè)面。

[1]王思敬.論巖石的地質(zhì)本質(zhì)性及其巖石力學(xué)演繹 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（3）：433～450.

[2]王思敬.從工程地質(zhì)觀(guān)點(diǎn)探討巖體力學(xué)屬性 [J].地質(zhì)科學(xué)，1966，1(1)：64～78.

[3]谷德振.巖體工程地質(zhì)力學(xué)的基礎(chǔ) [M].北京：科學(xué)出版社；1979：1～290.

[4]王思敬,傅冰俊,楊志法.中國(guó)巖石力學(xué)與工程的世紀(jì)成就 [M].南京：河海大學(xué)出版社，2004：1 966.

F407.1[文獻(xiàn)碼]B

1000～405X（2016）～4～357～1