淺談巖石的地質特性及其演化

■張波

（新疆地質礦產勘查開發局第九地質大隊新疆烏魯木齊830009）

淺談巖石的地質特性及其演化

■張波

（新疆地質礦產勘查開發局第九地質大隊新疆烏魯木齊830009）

簡要論述巖石循環的地質作用，提出并討論巖石地質本質性命題，側重闡述巖石的物質性、結構性和賦存性，及其同地質演化的密切關系。通過對巖石本質性的認識，探討巖石物理本屬性，包括不均勻性、不連續性的成因及其同地質本質性的關系。在此基礎上討論巖石力學本構性研究中對介質力學屬性的考慮。試圖通過巖石地質本質性、物理本屬性到力學本構性的討論建立起巖石力學與地質學相互認識和深入結合的知識通道。

巖石力學 地質本質性 物理本屬性 力學本構性

1　引言

巖石力學的研究對象是巖石。雖然研究目標是探討巖石的力學性能及其工程行為，而且主要應用力學學科的原理和方法，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，是在漫長的地質歷史中，經歷了多種地球動力作用才得以形成的，并由此獲得其本質性。本文簡要地論述了巖石循環的地質作用，提出并討論了巖石地質本質性命題，側重闡述了巖石的物質性、結構性和賦存性，及其同地質演化的密切關系。作為巖石力學研究對象的巖石，同其他工程建筑材料的不同之處就在于它的地質演化及所形成的地質本質性。

2　巖石力學與地質學的結合

2.1巖石力學與地質學的學科關系

巖石力學將力學理論作為學科發展的研究目標，而巖石則是巖石力學研究的對象。巖石是一種地質產物，也可稱地質體。巖石力學屬于應用基礎學科，它的研究任務是以巖石工程建設為己任，也包括地質資源的開發工程。更廣更深的力學、地質學，與工程學科的結合勢在必行。因此，地質學必然成為巖石力學與巖石工程學科的支柱性基礎學科之一。那么，巖石力學與巖石工程學科從地質學中究竟能有何得益，地質學在哪些領域對巖石力學與巖石工程學科的研究和發展可能做出貢獻，這就是本文所試圖回答的主要問題。從廣義和實用的角度看，地質學同其他地球科學的分支有著密切的交叉，因而也含有與它們相關的研究內容。地質學的研究對象是地球，尤其是地殼，重點在于研究它的物質組成和結構，以及其形成、演化的地質動力作用和過程。地質學的核心研究思路是地質歷史的時空重建，在層序和構造分析的基礎上，地質學家采用了許多現代數理化科學和技術方法，從而使傳統的地質學科步入現代科學行列。

2.2巖石力學與地質學結合的知識通道

巖石力學家大多認識到地質學是巖石力學的重要基礎學科，在巖石力學的本構建模及巖石工程分析計算中試圖盡可能地考慮巖石特性及地質條件，但是地質科學涵蓋著大量分支學科，從何入手仍是很大的問題。地質學家也很熱心于為巖石工程建設做出自己的貢獻，然而難于確定適當的切入點和深入的方向。顯然，構建一條地質學和巖石力學相互溝通的知識通道是必要的。事實上，巖石力學及土力學同地質學的結合從一開始就被認為是學科發展的要點之一。從地質科學來看，最基本的問題在于巖石力學研究中應該如何看待巖石。作為巖石力學研究對象和巖石工程所處的介質，巖石應區別于其他人工材料，那么它的特殊性何在，這就需要追究巖石的本質性，而從地質學趨向巖石力學的知識通道也就從此處進口。

3　巖石成因演化的地質作用

3.1巖石的全球旋回

地球上巖土是地殼物質，是地球演化的產物。某階段的巖土物質可成為下階段物質演化的起點。一階段的穩態演變可經歷漫長的地質時代，礦物組分逐漸變化。由一階段物質轉化為另種組分也常有很長的過渡期，形成過渡型礦物組分和不同的物態。對巖石的考察地質學家可追溯它的由來，然而更重要的是推測它的未來。巖漿巖和沉積巖在進入高溫、高壓條件下形成變質巖類，也屬次生巖類。而已經形成的各類巖石在強烈的地殼運動中可能進入地殼深部，與巖漿產生混熔，形成新的巖漿源。巖石旋回的驅動力為地殼運動同地表物質運動的耦合作用，它表現為地殼隆升或仰沖，使巖漿上涌，產生巖漿巖，同時造成表層巖石剝蝕和運移的條件，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，產生變質巖，甚至進入上地幔巖漿源區，進入漿源中。如此旋回不已，通過各類地質作用形成復雜而多樣的巖石，造成巖石的多樣性。

3.2成巖地質作用

巖石成巖作用和早期演化決定著巖石的物質組成和結構，也是奠定地殼物質基礎的主要地質作用它包含了多種地質作用，并構成地殼演化的基本過程。成巖地質作用可分為三大類：巖漿活動、沉積作用和變質作用。巖漿從漿源流進地殼巖層后逐漸冷凝的過程為巖漿侵入活動，結果形成侵入巖漿巖。巖漿從漿源流經地殼巖層后達到地面，便出現火山活動，產生溢流或噴發，并相應形成火山巖系。溢流巖的成分主要取決于相應的巖漿，如酸性流紋巖、基性玄武巖等。噴發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，發生巖石的剝蝕，包括各類侵蝕作用，如風蝕、浪蝕、喀斯特化、潛蝕等。從母巖剝離出來的巖石在重力、水力、風力作用下搬運到異地堆積或水域中沉積下來，完成成土過程后，通過漫長的固結和膠結作用才形成沉積巖類，包括碎屑和化學沉積巖等。

3.3巖石演化的地質作用

巖石在形成后又經過長期的地質演化才構成現今在地殼表層所見的巖石巖石后期演化的地質作用主要可歸納為構造形變、蝕變和風化三大類，其作用主要是造成巖石結構和組成的改變，或稱改造。在構造應力場中巖石產生構造形變，主要是結構的變化，同時也有礦物組成的改變，包括生成構造應力礦物，形成構造巖，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生的礦物組成的改變。

4　結論

巖石的地質本質性、物理本屬性和力學本構性應該是巖石力學與工程研究的三大屬性。這三者的知識貫通和共識必將導致巖石力學與工程研究的深化和總體水平的提升。巖石力學是一門多學科的交叉學科，各學科既有分工，也有合作。地質學家在巖石的地質本質性上要多下些功夫自是理所當然的，但是也需要對巖石的物理和力學屬性上作些研究，以期更深入地理解巖石的力學側面。

[1]王思敬.論巖石的地質本質性及其巖石力學演繹 [J].巖石力學與工程學報，2009，28（3）：433～450.

[2]王思敬.從工程地質觀點探討巖體力學屬性 [J].地質科學，1966，1(1)：64～78.

[3]谷德振.巖體工程地質力學的基礎 [M].北京：科學出版社；1979：1～290.

[4]王思敬,傅冰俊,楊志法.中國巖石力學與工程的世紀成就 [M].南京：河海大學出版社，2004：1 966.

F407.1[文獻碼]B

1000～405X（2016）～4～357～1