矿物的组构决定了其硬度、密度和结晶结构等性质,进而决定了弹性模量等力学性能;碎屑岩由多种矿物组成,其弹性模量等岩石力学参数取决于矿物组成、成岩作用强度和组构。
地层条件下的碎屑岩,在三维应力场作用下,处于压缩状态,类似于被压缩的弹簧(F=kx, F-弹力,k-倔强系数,x-弹性形变)。当取心至地表,失去围岩约束,所受的应力被卸载,类似于失去弹力的弹簧,岩心会在应力卸载的方向发生变形(ε=σ/ E, ε-应变,σ-应力,E-弹性模量)。由于三维应力的不同,岩心会在不同方向上产生差异变形,并可能因差异变形产生微裂缝。
以页岩为例,其微观上主要由基质和毫米–厘米级纹层构成;基质为长英质等碎屑颗粒,伊利石、伊蒙混层等黏土矿物,以及有机质等组分的无序混积;纹层为长英质、凝灰质(主要成分为长英质、伊利石、黄铁矿)、有机质等某组分的有序成层聚集。纹层的岩石力学性能因纹层的组分不同而存在差异。假设地层条件下,处于三维应力场(最大主应力为σ1,最小主应力为σ3)的页岩由有机质纹层(弹性模量为E1)与长英质纹层(弹性模量为E2)构成。页岩取出至地表,失去围岩约束,纹层因应力卸载发生纵向变形(有机质ε=σ1/ E1,长英质ε=σ1/ E2)和横向变形(有机质ε=σ3/ E1,长英质ε=σ3/ E2)。纵向变形的结果是两类纹层均不同程度延长;横向变形的结果是在两类纹层界面产生剪切作用(应变不同导致延长不同),进而在平行纹层方向发生不同程度破裂,从而降低了纹层间的抗拉强度(St)。
地表条件下岩心易于平行纹层界面破裂,不代表地层条件下岩石易于平行纹层界面破裂(岩石破裂的产状不仅取决于岩石的抗拉强度,还取决于地应力场);地表条件下岩心能观察到低角度裂缝,不能反映地层条件下岩石存在低角度裂缝。
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