Micromechanical controls on the brittle-plastic transition in rocks
Micromechanical controls on the brittle-plastic transition in rocks
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岩石脆塑性转变的微机械控制
DOI：
10.1093/gji/ggad065
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发表时间：
2023
影响因子：
2.8
通讯作者：
Liu D
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Liu D
岩石的流变性随着压力和温度的增加从碎裂脆性行为转变为塑性流动。根据经验观察，当材料强度低于围压时会发生脆塑性转变，这被称为Goetze准则。这种标准适用于大多数硅酸盐，但并不适用于所有材料。我们的目标是确定岩石的微物理控制和应力-应变行为在脆塑性转变。我们使用细观力学的方法，由于堀井和Nemat-Nasser，并考虑有代表性的体积元素包含滑动翼裂纹和塑性区。求解了常围压下的摩擦滑移、塑性变形和裂纹张开问题，得到了应力应变演化规律。我们表明，脆塑性转变取决于围压，断裂韧性和塑性屈服应力，但也至关重要的摩擦系数上预先存在的缺陷。具有低摩擦的材料预期更脆，并且在比Goetze标准预期的更高的压力下经历向完全塑性流动的转变。Goetze关于岩石脆塑性转变的准则的全面成功可能是由于大多数造岩矿物具有低韧性、高强度和中等摩擦系数的特性。
The rheology of rocks transitions from a cataclastic brittle behaviour to plastic flow with increasing pressure and temperature. This brittle-plastic transition is empirically observed to occur when the material strength becomes lower than the confining stress, which is termed Goetze’s criterion. Such a criterion works well for most silicates but is not universal for all materials. We aim to determine the microphysical controls and stress–strain behaviour of rocks in the brittle-plastic transition. We use a micromechanical approach due to Horii and Nemat-Nasser, and consider representative volume elements containing sliding wing-cracks and plastic zones. We find solutions for frictional slip, plastic deformation and crack opening at constant confining pressure, and obtain stress–strain evolution. We show that the brittle-plastic transition depends on the confining stress, fracture toughness and plastic yield stress but also critically on the friction coefficient on pre-existing defects. Materials with low friction are expected to be more brittle, and experience transition to fully plastic flow at higher pressure than anticipated from Goetze’s criterion. The overall success of Goetze’s criterion for the brittle-plastic transition in rocks is likely arising from the low toughness, high strength and medium friction coefficient character of most rock forming minerals.
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