地球構造
第 6 章 流變學第 6 章 流變學
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這章在回答:岩石受力時會怎麼反應?為什麼淺處的地殼會斷、深處會流?岩石圈哪一層最強?地震為什麼只發生在某些深度?Ch2–3 講了應變、Ch4–5 講了應力,這一章把兩者接起來:應力和應變(或應變率)的關係由材料決定,這就是流變學。
考前 30 秒
- 三種基本元件:彈簧(彈性,σ = Eε)、唧筒(黏性,σ = ηε̇)、摩擦塊(塑性,到降伏應力 σy 才動)。
- 組合:Kelvin = 彈簧 ∥ 唧筒(延遲、可完全恢復);Maxwell = 彈簧—唧筒串聯(短期彈性、長期黏性,適合地函);Prandtl(彈塑性)、Bingham(黏塑性)、Burgers(Maxwell + Kelvin)。
- Maxwell 鬆弛時間 tM = η/G。
- 應變率越快、溫度越低 → 越偏脆性。
- 淺處 Byerlee 摩擦:σs = 0.85σn(σn < 200 MPa),強度隨深度增加,逆斷層最強、正斷層最弱;深處冪律潛變 ε̇ = Aσⁿexp(−Q/RT),強度隨溫度降低;交點是脆–塑轉換。
- 岩石圈模型:果醬三明治(冷)、焦糖布蕾(熱)、香蕉船(高孔隙壓)。
先認識的名詞
| 名詞 | 一句話 |
|---|---|
| 流變學(rheology) | 研究材料怎麼流動、變形的學問(rheo = 流) |
| 楊氏模數 E/剪力模數 G(μ) | 正應力/剪應力和對應應變的比值(剛性) |
| 泊松比 ν | 側向應變和軸向應變的比值(取負號) |
| 黏滯度 η | 應力和應變率的比值,單位 Pa·s |
| 降伏應力 σy | 開始產生永久變形的應力 |
| 抗流力(competency) | 某層相對於鄰層抵抗流動的能力(相對黏度) |
| 應變硬化/軟化 | 繼續變形需要更大/更小的應力 |
| 潛變(creep) | 低應變率、隨時間累積的變形 |
| 同系溫度 TH | 溫度 ÷ 熔點(都用 K) |
| 韌性/塑性/脆性 | 保持連續的變形樣式/晶體內差排機制/破裂、摩擦滑動 |
| 脆–塑轉換 | 摩擦強度和潛變強度相等的深度 |
這一章的邏輯地圖
★ = 考試重點。每一節最後有「自我檢測」,先自己回答再打開。
1. 三種基本行為 ★
同一種材料,看起來像固體還是液體,取決於時間尺度:冰河在幾秒內是固體(會破裂),在幾百年內卻像黏稠的液體一樣流動;熱的岩石也能像緩慢的冰河一樣累積應變,而不產生破裂。流變學用三種理想的行為來描述:
| 彈性 | 黏性 | 塑性(完全塑性) | |
|---|---|---|---|
| 元件 | 彈簧 | 唧筒(dashpot) | 摩擦塊(St. Venant) |
| 關係 | σ = Eε(應力–應變成正比) | σ = ηε̇(應力–應變率成正比) | 未達降伏應力不動;達到後應力固定、應變一直增加 |
| 加載時 | 瞬間產生固定的應變 | 應變隨時間線性增加 | 超過降伏應力才變形 |
| 卸載後 | 立刻回到 0(可恢復) | 停在原地(永久) | 停在原地(永久) |
彈性
均質、均向、線彈性的材料遵守虎克定律:
E 是楊氏模數(應力–應變圖的斜率),地殼岩石約 10–100 GPa;μ(或 G)是剪力模數。剪力波速 ,所以從地震波速可以反推彈性常數。
泊松比 ν:岩石被軸向壓縮時會往側邊膨脹,
岩石多在 0.2–0.33(~0.25)。如果側邊被擋住不能膨脹(例如受限的沉積盆地、擋土牆後面),膨脹的傾向就會產生側向應力(泊松效應),σx = σy = νσz/(1 − ν),就是 Ch4–5 的單軸應變參考態。ν = 0.5 是不可壓縮材料(例如流體):軸向縮短完全被側向伸長抵銷,體積不變,對應的是靜水的反應。ν 越大越不能壓縮。
體積彈性模數 K 描述壓力變化造成的體積變化:Δp = K·ev(ev 是體積應變),它的倒數是可壓性。三者的關係 。
黏性
牛頓流體(線性黏性):剪應力和剪應變率成正比,
應力越大,流得越快。黏性變形是依時的(應變隨時間累積)、不可逆的。黏滯度的單位是 Pa·s(舊單位 1 poise = 0.1 Pa·s)。數量級:水 10⁻³、冰河 10¹¹–10¹²、室溫玻璃 10¹⁴、鹽 10¹⁴–10²⁰、岩石 ~10¹⁷(和粒徑有關)、地函 ~10²¹ Pa·s(往下增加)。
流體被剪切時,σ1 和剪動面夾 45°,在小應變時這就是 ISA3(瞬時最大縮短方向)的方向(Ch2–3 的 simple shear)。
抗流力(competency)★(考古題):一層岩石相對於鄰層抵抗流動的能力,也就是相對黏度。強硬層(competent)比周圍更硬、更黏。抗流力的差別會造成:串腸構造(越強硬的層,串腸越方正)、拱彎褶皺。拱彎褶皺的主導波長(弧長):
t 是強硬層的厚度、ηL/ηM 是層和基質的黏度比:層越厚、黏度對比越大,褶皺的波長越長。
塑性
應力超過降伏點(彈性極限)之後,在彈性應變之外加上永久應變,而且沒有破裂。完全塑性的材料達到降伏應力後,不需要再增加應力就會持續變形。微觀上,塑性應變來自差排運動、擴散、雙晶(Ch11)。晶體缺陷有三種:點缺陷(空位)、線缺陷(差排:刃差排、螺旋差排)、面缺陷(疊加缺陷)。
- 應變硬化 ★:變形時產生大量差排,彼此纏結、堆積,越來越難移動,要更大的應力才能繼續變形。
- 應變軟化 ★(考古題):繼續變形所需的應力變小。例如糜稜岩化:塑性變形時動態再結晶讓粒徑變小,顆粒表面積增加,顆粒邊界滑動變容易,剪切帶就越來越弱、越來越集中。
自我檢測 1
- 彈簧、唧筒、摩擦塊各代表什麼行為?卸載後各會怎樣?
- 泊松比是什麼?ν = 0.5 代表什麼?
- 什麼是抗流力?強硬層會形成什麼構造?
- 應變硬化和應變軟化的機制各是什麼?
答案:(1) 彈性(回到 0)、黏性(停在原地,永久)、塑性(停在原地,永久)。(2) 側向應變和軸向應變比值的負數;不可壓縮。(3) 相對黏度,抵抗流動的能力;方正的串腸、拱彎褶皺。(4) 硬化:差排纏結堆積;軟化:例如糜稜岩化粒徑變小、顆粒邊界滑動變容易。
2. 組合模型:更像真的岩石 ★
真實岩石的行為介於這三種之間,所以用元件組合:串聯時應變相加、應力相同;並聯時應變相同、應力相加。
先預測:Maxwell 物體(彈簧和唧筒串聯)受到一個固定應力,應變–時間圖長什麼樣?移除應力後呢?
組合:彈簧 — 唧筒 串聯
組成方程式:ε̇ = σ̇/E + σ/η
應用:地函:震後鬆弛、冰河後回彈
| 模型 | 組合 | 組成方程式 | 特性 | 地質應用 |
|---|---|---|---|---|
| Prandtl(彈塑性) | 彈簧—摩擦塊 串聯 | ε = σ/E + εp | 先彈性,達降伏應力後塑性 | 整個地殼、地函的大尺度變形;斷層破裂、深部剪切帶 |
| Bingham(黏塑性) | 唧筒 ∥ 摩擦塊 | τ = τy + ηγ̇(τ > τy) | 低應力時像剛性固體,超過降伏應力才像黏性流體 | 熔岩、土石流、岩漿庫、海底山崩 |
| Kelvin(黏彈性) | 彈簧 ∥ 唧筒 | σ = Eε + η dε/dt | 唧筒拖住彈簧,應變延遲;卸載後慢慢完全恢復 | 暫態潛變 |
| Maxwell(黏彈性) | 彈簧—唧筒 串聯 | ε̇ = σ̇/E + σ/η | 短期像彈性、長期像流體 | 地函:地震波通過時是彈性、對流和冰河載重時是黏性;震後鬆弛、冰河後回彈 |
| Burgers | Maxwell + Kelvin 串聯 | 兩者相加 | 瞬時彈性 + 暫態潛變 + 長期流動 | 最接近天然岩石 |
(作業 Hw06-01:畫出四種組合模型的元件、應力–應變(率)圖、應力–時間圖、應變(率)–時間圖,並各舉一篇論文的應用。)
Maxwell 鬆弛時間:Maxwell 物體被固定在某個應變時,內部應力會因為黏性流動而逐漸衰減,衰減到 1/e(約 37%)所需的時間:
【例題 ★ 完整解】上部地函 η = 10²¹ Pa·s、G = 63 GPa,Maxwell 鬆弛時間是多少?1999 集集地震的震後變形對應 tM = 15–80 年,黏滯度是多少?
第一步:代公式。 tM = 10²¹ / 6.3×10¹⁰ = 1.6×10¹⁰ s。
第二步:換成年。 1.6×10¹⁰ / 3.15×10⁷ ≈ 500 年。
第三步:反算集集。 η = G × tM:15 年 = 4.7×10⁸ s → η = 6.3×10¹⁰ × 4.7×10⁸ ≈ 3×10¹⁹ Pa·s;80 年 → 約 1.6×10²⁰。投影片給的 0.5–4×10¹⁹ Pa·s 和這個量級一致。
易錯:投影片 p.23 寫 η = 10²¹、G = 63 GPa → tM = 4.76×10⁸ s = 15 年,但實際算出來是 ~500 年;4.76×10⁸ s 對應的是 η ≈ 3×10¹⁹ Pa·s。考試要算時,自己用公式算。
怎麼估計上部地函的黏滯度?(p.25)用大地震之後的震後變形。例如 2011 東北大地震後兩年的 GPS 和 InSAR,用 Maxwell 或 Burgers 模型擬合:深部弱剪切帶約 5×10¹⁷、大陸地函楔約 3×10¹⁹、海洋上部地函約 5×10¹⁹ Pa·s;前兩年剪切帶的餘滑最多約 3.5 m(相當於 Mw 8.4)。
但要注意:這些組合模型大多預測線性的應力–應變率關係,而實驗結果顯示岩石是冪律(非線性)的:ε̇ ∝ σⁿ(第 4 節)。
自我檢測 2
- 串聯和並聯時,應力和應變各怎麼合?
- Kelvin 和 Maxwell 的差別?各適合描述什麼?
- Maxwell 鬆弛時間的定義和公式?
- 為什麼說地函適合用 Maxwell 描述?
答案:(1) 串聯應變相加、應力相同;並聯應變相同、應力相加。(2) Kelvin(並聯)延遲變形、卸載後完全恢復,描述暫態潛變;Maxwell(串聯)短期彈性、長期黏性流動,有永久應變,描述地函。(3) 應力衰減到 1/e 所需時間,tM = η/G。(4) 地函在地震波(秒)的時間尺度下是彈性的,在對流、冰河載重(千年以上)的尺度下會流動。
3. 實驗告訴我們什麼
三軸試驗:圍壓通常可到 1 GPa、溫度到 1400 °C、應變率 10⁻³ 到 10⁻⁸ s⁻¹。問題是實驗沒有時間用地質的應變率(10⁻¹³ 到 10⁻¹⁵ s⁻¹),差了 5 個數量級以上。
應變率的效應(考古題:實驗的應變率比地質應變率大,結果會偏向脆性還是韌性?):偏向脆性。作用得很快,岩石來不及流動就破了;作用得很慢,岩石容易產生塑性變形。所以實驗室裡是脆性的條件,在地質時間尺度下可能是韌性的。Yule 大理石(林肯紀念堂的石材)的實驗也顯示:溫度越高、應變率越慢,強度越低;而且平行和垂直葉理加壓的強度不同。
其他實驗:在軸向壓縮之外加上扭轉(旋轉剪切),可以做到很大的剪應變;通常用單礦物岩(石英岩、方解石),假設地殼和地函的流變由少數幾種礦物控制:上地殼石英、下地殼長石、地函橄欖石。即使是單礦物岩,粒徑和晶格優選方向也會讓強度不同。例如橄欖石單晶,施力方向相對於主要滑移系統不同,強度就不同,所以地函的流動讓橄欖石排列之後,地函在力學和地震波上都是非均向的(剪力波分離)。
潛變試驗:維持固定應力,看應變怎麼隨時間增加。
韌性、塑性、脆性要分清楚:
| 名詞 | 意思 |
|---|---|
| 韌性(ductile) | 一種變形樣式:原本連續的構造和層保持連續;可以由各種機制達成,和觀察的尺度有關 |
| 塑性(plastic) | 一種變形機制:晶體內的差排運動造成的永久變形(晶體塑性),沒有破裂,一般在 10–15 km 以下 |
| 脆性(brittle) | 破裂、摩擦滑動;既可以指樣式,也可以指機制(脆性區又叫摩擦區) |
自我檢測 3
- 實驗的應變率遠大於地質應變率,結果會偏向脆性還是韌性?為什麼?
- 潛變曲線的三個階段?
- 韌性和塑性的差別?
答案:(1) 偏向脆性;作用太快,來不及流動就破裂。(2) 初期(應變率遞減)、二期(應變率固定)、三期(應變率遞增到破壞)。(3) 韌性是保持連續的變形樣式,可以由各種機制造成;塑性是晶體內差排運動的機制。
4. 深處的流動定律、淺處的摩擦 ★
哪個過程主導? 由溫度、應力、應變率、粒徑、成分、流體含量決定(p.36)。
深處:冪律潛變。差排滑動和爬升(高溫潛變)是深部地殼和地函的主要機制,應變率和應力的 n 次方成正比:
A 是材料常數、n 是應力指數(n = 1 時就是牛頓流體)、Q 是活化能、R 是氣體常數、T 是絕對溫度。完整的式子還包含粒徑 d、水的逸壓、壓力:。粒徑很小(< 10–100 μm)或應力很低時,矽酸鹽多晶體會改成擴散潛變,變成牛頓流動(n = 1)。
把它改寫成強度:固定一個應變率(例如 10⁻¹⁴ s⁻¹),能承受的差應力是
溫度在指數上,所以強度隨深度(溫度)快速變弱。這也解釋了為什麼鹽會往上流(考古題):岩鹽的活化能很低(Q ≈ 102 kJ/mol,遠小於石英岩、橄欖岩),在低溫低壓下就能塑性流動,加上密度低(~2.2,比圍岩輕),浮力推著它往上貫入。
淺處:Byerlee 摩擦。淺處岩石已經有破裂,強度由既有破裂面的摩擦決定。Byerlee 發現各種岩石的摩擦強度幾乎相同,和岩性無關:
把它換成差應力隨深度的形式:
為什麼逆斷層最難滑? 逆斷層體制下 σ3 = σV,是固定的(由深度決定),要讓斷層滑動只能拚命增加水平的 σ1,Mohr 圓要變得很大;正斷層體制下 σ1 = σV 已經很大,只要把水平的 σ3 降低一點就滑了。所以地殼在伸張時最弱、壓縮時最強。孔隙壓比 λ 越高,強度按 (1 − λ) 等比例下降(有效應力,Ch4–5)。
【例題 ★ 完整解】10 km 深、ρ = 2700 kg/m³、λ = 0.4,逆斷層和正斷層各需要多大的差應力才會滑動?
ρgz(1 − λ) = 2700 × 9.8 × 10⁴ × 0.6 = 1.59×10⁸ Pa ≈ 159 MPa。
逆斷層:3 × 159 ≈ 476 MPa;正斷層:0.75 × 159 ≈ 119 MPa。差了 4 倍,所以同樣深度下,伸張比擠壓容易得多。
自我檢測 4
- 冪律潛變的式子?n = 1 代表什麼?
- 為什麼深處的強度隨深度變弱、淺處卻隨深度變強?
- Byerlee 定律的兩段式?為什麼可以用在各種岩石?
- 為什麼逆斷層的 β 最大?
- 為什麼鹽會往上移動?
答案:(1) ε̇ = Aσⁿexp(−Q/RT);牛頓流體。(2) 深處強度由潛變控制,溫度在指數上,越深越熱越弱;淺處由摩擦控制,正應力隨深度增加。(3) σs = 0.85σn(< 200 MPa)、σs = 50 + 0.6σn(> 200 MPa);摩擦強度幾乎和岩性無關。(4) σ3 = σV 固定,只能增加 σ1。(5) 活化能低、低溫低壓就能流動,密度低有浮力。
5. 岩石圈的強度剖面 ★
在每一個深度,岩石會用比較容易的方式變形:如果摩擦滑動需要的差應力比潛變小,它就脆性破裂;反之就流動。所以兩條強度曲線取小的,就是岩石圈的強度剖面(固定應變率,例如 10⁻¹⁴ s⁻¹,差應力對深度)。兩條線的交點就是脆–塑轉換。
先預測:地溫梯度變高(例如張裂帶、火山區),脆–塑轉換會變深還是變淺?上部地函的強層會怎樣?
Moho 下方:地函弱(潛變)
讀圖的重點:
- 淺處由 Byerlee 決定:逆斷層強度最高、平移居中、正斷層最低(考古題:畫出三種斷層的差應力隨深度的變化)。
- 深處冪律潛變隨溫度快速變弱。地溫梯度 25 °C/km、應變率 10⁻¹⁴ s⁻¹ 時,逆斷層的脆–塑轉換約 9 km。
- 不同礦物的轉換溫度不同:石英約 300–350 °C(一般大陸地溫下 10–12 km),更深就以晶體塑性和擴散為主;長石有很好的劈理,沿劈理開裂容易、差排滑動和爬升困難,約 500 °C(20–30 km)以前都是脆性;橄欖石到約 50 km 仍是脆性。
- 地殼的成分隨深度改變,所以岩石圈可以有好幾層脆性和塑性交替(流變分層)。
一條穿過地殼的斷層,在不同深度的樣子就對應這張剖面:
岩石圈的三種模型(考古題:為什麼岩石圈強度可以預測出流變分層?):
自我檢測 5
- 強度剖面為什麼是「兩條線取小的」?
- 地溫梯度增加、應變率變慢、孔隙壓增加,各對強度剖面有什麼影響?
- 果醬三明治、焦糖布蕾、香蕉船各代表什麼情況?
- 石英、長石、橄欖石的脆–塑轉換大約多深?
答案:(1) 每個深度岩石會用比較容易(需要的差應力比較小)的方式變形。(2) 地溫梯度高、應變率慢:潛變曲線往淺移,轉換變淺;孔隙壓高:摩擦曲線變平緩,脆性區變弱。(3) 冷岩石圈有兩個強層;熱岩石圈只有地殼強;高孔隙壓時整體都弱。(4) 石英 10–12 km(300–350 °C)、長石 20–30 km(~500 °C)、橄欖石 ~50 km。
6. 應用:地震深度與薄皮、厚皮構造
地震發生在哪裡?(考古題:什麼觀測可以告訴我們岩石圈的強度剖面?)地震是脆性破裂,所以地震的深度分布直接反映脆性區的範圍。例如加州 Parkfield 的 630 個地震集中在約 3 到 13 km:上方是無震帶(淺部未固結、強度低,以非震性潛變為主),中間是孕震帶,下方又是無震帶(溫度高,岩石改以韌性潛變變形)。大地震的震源通常在孕震帶底部,也就是強度最大的脆–塑轉換附近。
薄皮 vs 厚皮構造 ★(作業 Hw06-02、考古題加分題):
台灣的例子(Mouthereau & Petit 2003 的 AA′ 和 DD′ 剖面):用平衡剖面和復原剖面,比較不同剖面的地震深度分布。有基底滑脫面、中地殼脫偶增強的地方,變形集中在上部沉積層(薄皮);遇到北港高區這種基盤高區時,基盤也參與變形、地震可以深入基盤(厚皮)。
類比模型的材料(p.45):乾石英砂(脆性,Mohr–Coulomb 行為,像上地殼一樣形成分離的剪切帶)、矽膠(黏彈性,模擬下地殼)、蜂蜜或糖漿(低黏度的牛頓流體,模擬軟流圈)。它們要滿足 Ch1 的尺度相似。
自我檢測 6
- 地震深度分布怎麼反映強度剖面?
- 薄皮和厚皮構造的差別?什麼條件下會發生薄皮構造?
答案:(1) 地震只發生在脆性區,孕震帶的上下界大致對應脆性區的範圍,大地震多在脆–塑轉換附近。(2) 薄皮只有沉積蓋層在基底滑脫面上變形;厚皮基盤也參與。有軟弱的滑脫層(頁岩、蒸發岩、高孔隙壓)或中地殼弱的時候。
容易混淆的地方
| 容易搞混 | 正確理解 |
|---|---|
| 唧筒畫在應力–應變圖? | 唧筒是應力–應變率成正比 |
| Kelvin 是串聯? | Kelvin 並聯(延遲、可恢復);Maxwell 串聯(短期彈性、長期流動) |
| Kelvin 卸載後會留下永久應變? | 不會,慢慢完全恢復 |
| tM = 10²¹/6.3×10¹⁰ = 15 年? | 算出來是約 500 年(投影片的數字有誤) |
| 實驗應變率快 → 偏韌性? | 偏脆性 |
| 韌性 = 塑性? | 韌性是樣式,塑性是機制 |
| 正斷層最難滑? | 逆斷層最難(β = 3),正斷層最容易(β = 0.75) |
| 強度剖面取兩條線的大者? | 取小者 |
| 地溫梯度高 → 脆–塑轉換變深? | 變淺 |
章末綜合題
1.(考古 109 Q9、Hw06-01)畫出 Maxwell 和 Kelvin 物體的元件組合、應力–應變(率)圖和應變–時間圖,並說明在地球科學的應用。
Maxwell:彈簧和唧筒串聯。固定應力時,應變先跳上去(彈簧),再線性增加(唧筒);移除應力,彈性那段立刻退回,留下永久的黏性應變。應力–應變圖:先像彈性直線上升,之後應力停在 ηε̇。應用:地函(震後鬆弛、冰河後回彈)。Kelvin:彈簧和唧筒並聯。固定應力時應變不會跳,而是慢慢爬升趨近 σ/E;移除後慢慢回到 0。應力–應變圖:加載、卸載路徑不同形成迴圈,回到原點。應用:暫態潛變。可以用上面的互動圖對照。
2.(考古)畫出逆斷層、平移斷層、正斷層的差應力隨深度的變化,並說明脆–塑轉換。
淺處三條都是過原點的直線(Byerlee),斜率比 3 : 1.2 : 0.75,逆斷層最陡;深處三種體制共用同一條冪律潛變曲線,隨深度(溫度)快速變小。每條直線和潛變曲線的交點就是該體制的脆–塑轉換:逆斷層的交點最深、差應力最大(強度最高),正斷層最淺。孔隙壓增加時三條直線都按 (1 − λ) 變平緩。
3.(計算)一層強硬的砂岩厚 2 m,夾在頁岩中,黏度比 ηL/ηM = 48。拱彎褶皺的主導波長是多少?
L = 2π × 2 × (48/6)1/3 = 4π × 81/3 = 4π × 2 ≈ 25 m。
4.(觀念)為什麼張裂帶的地震通常比較淺、孕震層比較薄?
張裂帶地溫梯度高,潛變曲線往淺處移,脆–塑轉換變淺;而且是正斷層體制(β = 0.75),脆性強度最低。兩者都讓孕震層變薄、地震變淺。
延伸:看過就好
彈性常數(Table 6.1,p.6):E:石英 72 GPa、鹽 40、鑽石 1050–1200、石灰岩 80、砂岩 10–20、頁岩 5–70、輝長岩 50–100、花崗岩 ~50。ν:石英 0.16、鹽 ~0.38、砂岩 0.21–0.38、花崗岩 0.1–0.25。
由波速求泊松比(p.10):。
潛變參數(Ranalli & Murphy 1987,p.40):岩鹽 n = 5.3、Q = 102 kJ/mol;濕石英岩 n = 2.3、Q = 154;鈉長石岩 n = 3.9、Q = 234;輝綠岩 n = 3.4、Q = 260;橄欖岩 n = 4.0、Q = 540。
繪圖作業(p.50–52):石英岩中兩組 S 形雁行石英脈的剪切方向;石英長石層的右移與順時針旋轉;褶皺的軸面劈理(S0、S1、L1 的關係,黑雲母為什麼平行軸面)。這些會在 Ch8、Ch10 和褶皺的章節用到。