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岩石在太阳辐射、大气、水和生物作用下出现破碎、疏松及矿物成分次生变化的现象.导致上述现象的作用称风化作用.分为：①物理风化作用.主要包括温度变化引起的岩石胀缩、岩石裂隙中水的冻结和盐类结晶引起的撑胀、岩石因荷载解除引起的膨胀等.②化学风化作用.包括：水对岩石的溶解作用；矿物吸收水分形成新的含水矿物,从而引起岩石膨胀崩解的水化作用；矿物与水反应分解为新矿物的水解作用；岩石因受空气或水中游离氧作用而致破坏的氧化作用.③生物风化作用.包括动物和植物对岩石的破坏,其对岩石的机械破坏亦属物理风化作用,其尸体分解对岩石的侵蚀亦属化学风化作用.人为破坏也是岩石风化的重要原因.岩石风化程度可分为全风化、强风化、弱风化和微风化4个级别.大约在200年前,人们可能认为高山、湖泊和沙漠都是地球上永恒不变的特征.可现在我们已经知道高山最终将被风化和剥蚀为平地,湖泊终将被沉积物和植被填满,沙漠会随着气候的变化而行踪不定.地球上的物质永无止境地运动着.暴露在地壳表面的大部分岩石都处在与其形成时不同的物理化学条件下,而且地表富含氧气、二氧化碳和水,因而岩石极易发生变化和破坏.表现为整块的岩石变为碎块,或其成分发生变化,最终使坚硬的岩石变成松散的碎屑和土壤.矿物和岩石在地表条件下发生的机械碎裂和化学分解过程称为风化.由于风、水流及冰川等动力将风化作用的产物搬离原地的作用过程叫做剥蚀 地表岩石在原地发生机械破碎而不改变其化学成分也不新矿物的作用称物理风化作用.如矿物岩石的热胀冷缩、冰劈作用、层裂和盐分结晶等作用均可使岩石由大块变成小块以至完全碎裂.化学风化作用是指地表岩石受到水、氧气和二氧化碳的作用而发生化学成分和矿物成分变化,并产生新矿物的作用.主要通过溶解作用水化作用水解作用碳酸化作用和氧化作用等式进行.虽然所有的岩石都会风化,但并不是都按同一条路径或同一个速率发生变化.经过长年累月对不同条件下风化岩石的观察,我们知道岩石特征、气候和地形条件是控制岩石风化的主要因素.不同的岩石具有不同的矿物组成和结构构造,不同矿物的溶解性差异很大.节理、层理和孔隙的分布状况和矿物的粒度,又决定了岩石的易碎性和表面积.风化速率的差异,可以从不同岩石类型的石碑上表现出来.如花岗岩石碑,其成分主要是硅酸盐矿物.这种石碑就能很好地抵御化学风化.而大理岩石碑则明显地容易遭受风化.气候因素主要是通过气温、降雨量以及生物的繁殖状况而表现的.在温暖和潮湿的环境下,气温高,降雨量大,植物茂密,微生物活跃,化学风化作用速度快而充分,岩石的分解向纵深发展可形成巨厚的风化层.在极地和沙漠地区,由于气候干冷,化学风化的作用不大,岩石易破碎为棱角状的碎屑.最典型的例子,是将矗立于干燥的埃及已35个世纪并保存完好的克列奥帕特拉花岗岩尖柱塔,搬移到空气污染严重的纽约城中心公园之后,仅过了75年就已面目全非.地势的高度影响到气候：中低纬度的高山区山麓与山顶的温度、气候差别很大,其生物界面貌显著不同.因而风化作用也存在显著的差别.地势的起伏程度对于风化作用也具普遍意义：地势起伏大的山区,风化产物易被外力剥蚀而使基岩裸露,加速风化.山坡的方向涉及到气候和日照强度,如山体的向阳坡日照强,雨水多,而山体的背阳坡可能常年冰雪不化,显然岩石的风化特点差别较大.剥蚀与风化作用在大自然中相辅相成,只有当岩石被风化后,才易被剥蚀.而当岩石被剥蚀后,才能露出新鲜的岩石,使之继续风化.风化产物的搬运是剥蚀作用的主要体现.当岩屑随着搬运介质,如风或水等流动时,会对地表、河床及湖岸带产生侵蚀.这样也就产生更多的碎屑,为沉积作用提供了物质条件.岩石在日光、水分、生物和空气的作用下,逐渐被破坏和分解为沙和泥土,称为风化作用.沙和泥土就是岩石风化后的产物.
2020年5月11日，nature子刊nature astronomy上新发表了一篇文章，文章检查了一颗阿波罗17号带回的岩石样本，发现了月球在43.3亿年前左右经历过一场巨变。
阿波罗17号带回岩石的分析
地球表面由于有各种地质活动（包括风化、板块活动、动植物活动等），使得和地球同时诞生的岩石已经几乎找不到了。但月球不一样，月球几乎没有板块运动，只有偶尔陨石撞击，从月球表面带回的岩石几乎都是月球诞生之初形成的。所以阿波罗计划从月球带回的岩石记录了很多月壳形成的信息。
安大略博物馆的研究人员分析了1972年NASA宇航员从阿波罗17号任务从月球带回的一块岩石，研究人员首先对这块岩石进行同位素年龄测定，发现这块岩石诞生于43.4亿年前左右。同时在这个岩石中，发现了立方氧化锆晶粒的微观结构特征，这种结构一定要在2300℃以上才能形成，月球本身在表面是无法达到这么高温度的，普通的岩浆最高也就是1400℃左右。研究人员们认为，应当是一颗巨大的陨石，与月球碰撞，在碰撞中得到了大量的热量，才能形成这样的岩石。对样品的新分析颠覆了月球地质学的观点，这些难以想象的暴力陨石在不仅摧毁了月球月壳，但在另一方面又重建了月球的月壳。
月球形成的假说
月球的形成一般有三种观点，第一种为捕获说：这种观点认为月球是一个外来的星球，在遇到地球后被地球的引力所捕获。但由于地球和月亮的个头相差太小，月球的直径有地球的28%，科学家们逐渐认为，地球的引力捕获不了这么大的星球。第二种为同源说：就是在形成地球的那片星云中，月球和地球同时形成了，但是月球和地球的总体化学成分差别很大，如果是同一片星云形成的，照理化学成分相差应该不大，所以这种说法也逐渐被放弃。
迄今为止，人类共获得月球岩石和土壤标本837磅。站在 地球上看月球， 我们看到的是一个温柔、洁白的世界，然而宁航员踏上月球后，将看不到这个温柔的洁白世界，映人他们 眼睑的，将是那些奇妙的月面岩石，月面岩石能够给我们带来 诸如月球的年龄，月球的成因等这些讯息，通过对月面岩石的分析，我们可以破译闲扰我们的诸多迷团。 然而，这是理论上的推导。事实上，宇航员从月球带回的 岩石，为我们提供的完全是一些不可思议的物质。我们对月球 的疑问非但没有通过岩石的研究而得到消解，反而使疑问增多 了、美国加利福尼亚州科学技术协会的尤金.西边卡博上是美 国航究航天局与“阿波罗计划”有关的地质学问题首席发言 人，他无可奈何地承认“(通过分析片面岩石)，新增加的疑 问比能回答的疑间多出儿十倍。” 月面岩石的成分分析表明，月而岩石主要是由地球科学家 和宇航材料研究家们梦寐以求的航天金属构成。主要成分由 钛、铬、锆等耐高温、高强度，并具有极高防蚀性的金属构 成。这些材料都是地球科学家建造宇宙飞船的首选。两位前苏 联科学家瓦欣和谢尔巴科夫在分析月岩成份后宣布: “构成月 面岩石成分的金属具有惊人的耐高温抗冲市性、在地球上可以 用这种岩石作为电炉的炉衬。”当然，人类绝不会将这837磅月 岩标本制成电炉炉衬出售，如果是那样的话，也许只有比尔 ·盖茨才买得起。 "阿波罗”飞船宇航员最初从月球上带回的是月面静海的 岩石标本。对这些岩石进行过分析的科学家们感到困惑。从静 海采集的岩石标本经分析后被确信，它们由熔岩凝固而成，由 高强度的耐高温的钛类成分组成。而熔解这些金属合金省石必 须要超高温一至少需要摄氏4000度以上的高温，否则无法奏 效。对于怎么才能使月而达到如此高的温度，科学家们始终难 以置信，拿不出适当的解释。 不仅如此，岩石成份分析表明，月球岩石标本(只是随意 取回的几块)所含钛金属的量是地球上最优质钛矿岩石含量的10倍;而且，它们不仅含钛，还含有大量的同样的耐高温、耐 腐蚀、对地球人来说非常稀有的金属一锆、钇、铍等一一-而 这些金属是人类已知的强度最高、最耐高温的金属。尽管这令人难以置信。 但这的确是月面岩石标本带回的讯息，美国《科学》杂志1969年8月也即在“阿波罗”计划首次载人登月成功，并带回月球岩石标本后不久，就宣布了这个发现，该号载文说:“在月球岩石中钛、锆等金属的含量极丰，地球岩石是望尘莫及的，说它在宇宙中首屈一指恐怕也不过分。” 月球背对地球的另一面,满目苍瘸,被擅击得伤痕累累,与正对地球一面的平滑的月海相比,简直有天壤之别。目前还未搞清这种差别的原因。 怎么解决“达到过极高的温度(以便使岩石熔化)”与 “月球是个小小的冰冷世界”这对矛盾呢?月岩中的金属赋予了 科学家们这个神圣的使命。而对尤里博士来说，使之坐立不安的是新的资料的不断发现。在实施“阿波罗计划”之前，尤里 曾经宣称，他能通过计算证明不叮能喷发出火山性熔岩，因为 月球的“个头”太小了，不足以产生如此高的温度。另一位久 负盛名的、在科学分析领域里很有创见的地球物理学家罗斯 迪勒博上也持有同样的观点。他分析说： 谁能想象出，将钛加热到如此高温使其熔化，并覆盖大小 像得克萨斯州这么大的月海?而且谁能推测月球曾经比地球的 温度还高? 有些科学家认为是月球火山的自然活动造成的异乎寻常的 高温。而另一些科学家认为，来自宁宙空间的巨型陨石，小行 星或彗星经过对月面连续不断的撞击造成了极高的温度，其 中，英国曼彻斯特大学天文学系的斯德纳克.柯帕尔就是持这 种看法的科学家之一。 然而，“撞击熔化”的看法存在着严重的缺陷。问题之一 就是，真的发生过波及月面I/3的巨大撞击吗?如果发生过这类 撞击事件，那么为什么月海背而没有受到撞击呢?90%以上的 月海都集中于月面，而月背只占到不足10%的月海。同时，由 于月面正对着地球 正像我们每天从天空上看到的 这意 味着，一切撞向月面的大体如陨石、小行星或彗星，首先必须经过地球的引力场，而地球的引力场要强于月球的6倍，而地 球的直径义超过月球直径的4倍!这意味着，月面是得到地球 非常强大的保护的。美国宇航局天体力学实验宰通过计算机模 拟实验分析得出结论，月背被天体撞击的概率要大于月面10万 倍以上，但事实上，月面月海却占月球的90%以上。这种因果 倒置悬殊的解释显然不能令人信服。另外，如果在产生高温的 过程中含有放射性能址的话，那么在月球背面覆盖着更厚月壳的区域，在大量熔岩流出时其中应含有当时产生的放射性元 素，然而，令人失望的是(当然是令“撞击熔化”的看法持有 者)，在月球背面并没有发现任何放射性元素的踪迹。 月球权威的科学家柯帕尔在1976年出版了《阿波罗登月后 的月球》一书、书中几乎列举了当时所有最新的与月球有关的 发现和证据，柯帕尔曾持有“撞击熔化”的观点，但他后来完 全推翻了自己的理论，将这一理论做了180的改动。他终于承 认， “覆盖着月海的熔岩，显然不是出撞出造成的高温熔化 的，因为熔岩中的各种成分毫无疑问是逐渐从月球内部自然流 出的，这种情况发生在撞击月面之后很久。”他根据月球岩石 的年龄和其他证据引出了这一结论，认为“对玄武岩质的月球 熔岩的研究几乎遍及整个月海，同样有必要对月球内部进行调查”。 与柯帕尔研究同一问题的很多科学家，在进一步研究月球 熔岩流出的机制时，又碰到灭大难题，因为从月海采集到的岩 石样本构造表明，月球岩石要至少承受过深达月面下90英里的 压力。从地质学角度来看，这些岩石发育得十分完善，这种深 度比地球熔岩所处的深度还深。显然，应该有“某种能量”能 够把月面下90英里处的熔岩送出月面。除此之外，我们还发 现，月面上曾产生过使岩石和钛这类耐高温金属熔岩覆盖到月 面、 形成月壳。 我们可以寻找到一个确切的比喻，要产生月球熔岩所需的 高温，撞击就像一柄木质的锤，无论如何，也难以锤炼出钢材 的。接下来，让我们再面向“火山”，看看月球是否存在这样 的火山活动，来制造月球坚韧的月面外壳。 目前，仍有很多科学家在不厌其烦地研讨人生熔岩流出的能量是从哪里来的。果真，月海是月球内部的自然火山活动形 成的吗?对于这个问题，美国加利福尼亚科学技术协会的杰拉 德,瓦萨巴克博士也给予了相当的关注。他的问题之一就是; 我们有必要致力于理解这一过程，即为什么月球的热能释放殆尽后，火山 活动就会停 止?附带的问 题是，为什 么形成巨大月海的大量 熔岩能够从 月球内部流 出?如果存在 月球活动的 机制，那么 它必然要给 我们留下证 据，证据之 一便是，火 山活动把月 球内部岩石 熔化并将岩 浆送至月面 的过程中， 月面上肯定 有大量放射性元素的聚集，但根据美苏的月球轨道探测器的探测，以及对 月球岩石标本的测试表明，这种可能性完个不存在，《科学美 国人》杂志曾披露了一批岩石放射性测定结果，结果显示，月 面上发现的放射性元素的放射剂量已相当衰弱。这表明，月球 岩石不是迅速熔化并在短时问内以岩浆形式扩展到月海所在的 区域，从这一点上说，也就完全推翻了片球内部“火山活动理 论”的全部答案。 有关月球陨石的一份最新研究通过最新的证据表 明，地球及其卫星月球在最近40亿年内有一段时期， 遭受了强烈的字宙爆炸的袭击。 科学家们通过对20几块月球陨石中的4块进行分 析,发现月球表面是遭受某种气流冲击熔融而成的。他 们在《科学》杂志上发表报告说,月球在其 历史 早期曾 经有一段时间遭受著连续不断的袭击。据推测,月球上 的这场大灾难可能只持续了20万年，在那段时间内， 形成了将近2千个大"弹坑",也就是今天为人们所知 的月亮上的那些冲击而成的盆地。科学家们认为,地球 可能也遭受过这类的袭击,而袭击程度更剧烈。这种频 繁的美击可能就是造成原始世界生命形成延迟的原 因。 从事月球内外壳厚度研究的盖利.莱萨姆博士提川了 一种 设想;在月球背面引爆一个核装置，这样就可以调卉振动在月 球内部是如何传导的，如果发生了某种奇迹的话，那么这已在 科学家的预料之中，但是许多科学家和科学刊物对此坚决反 对，使这个设想化为泡影，然而另-种奇迹发生了。 1972年5月13日，一个巨人的陨石摘上月面，仿佛一下子 炸响了200吨TNT炸约。美国航空航天局的地震学家莱萨姆颇 有感触地说:“能碰上如此巨大的陨石真是奇迹!” 利用这一天赐良机，以莱萨姆博上为首的美国航空航天局 的科学家们终于有机会测址了月球外壳的厚度。数据表明，月 球外壳的厚度至少在30英里以上，对美国航空航天局的科学家 米说，这个结果足令他们同瞪门呆，用莱萨姆的话来说就是 “比地球上所有大陆的平均厚度厚两倍以上”。 在对这次巨大陨石撞击月面的资料进行研究后，一些科学 家得出结论说，月球不会形成类似火山活动那样高的温度。 假如你是一位曾在电视中看到过那次史诗般月球探险的 人，你一定能够回想起来，宇航员们是如何焦急地用电钻钻探 月面，而休斯顿飞行控制中心的科学家们又如何对月面的坚硬 程度人感吃惊和意外。当时使用的电钻，钻头使用的是人工合成的“黑金刚”，几乎不存在它打不穿的物质，但是，尽管宇 航员们几次拼尽全力向月面下钻进，但也只能打进2~3英尺的 深度。 月壳的硬度给我们留下了深刻的印象，这种印象，与我们 看到的火山熔岩简直有着天渊之别。 为什么月壳如此之厚，又如此之硬呢?又是用什么手段进 行的高温“处理”呢?实际:直径只有地球1/4的月球是不叮能 产生如此高的温度的。我们又碰上了一个无法解答的难题。就 算这么高的温度自有产生的原因(当然我们并不理解)，那么 对地球和月球外壳厚度相差悬殊，现代科学又该如何解释呢? 科学家们冉一次陷入困惑。 喜欢看的朋友请给个免费的点赞，感谢！晚点更新关于我们地球生命和地震与月亮有哪些关联的相关 探索 ，关注小张，持续更新关于天文的相关问题的 探索 与研究。
岩石的强度是岩石抵御外力破坏的能力，依据抵抗造成岩石破坏的应力性质，岩石的强度可分为，抗压强度、抗拉（张）强度和抗剪强度。其中的抗拉强度储集层岩石中极少用到，故这里主要介绍另外两种。
1.抗压强度
岩石的抗压强度就是岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限值，它在数值上等于破坏时的最大压应力。岩石的抗压强度一般是在实验室内用压力机进行加压试验测定的，试件通常采用圆柱形（钻探岩心）或立方柱状（用岩块加工入试件的断面尺寸，圆柱形试件采用直径D＝5cm，也有采用D＝7cm的；立方柱状试伴，采用5cm×5cm或7cm×7cm）。试件的高度h应当满足下列条件：
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这里D为试件的横断面直径；A为试件的横断面积。
试验结果按下式计算抗压强度：
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其中：Rc为岩石单轴抗压强度；Pc为岩石试件破坏时所加的轴向压力；S为岩石试件横断面面积。
2.抗剪强度
岩石抗剪强度是指岩石抵抗剪切破坏或滑动的极限强度，以岩石被剪破或滑动时的极限应力表示。岩石抗剪强度是需要研究的岩石最重要工程力学特性之一，往往比岩石抗压强度及抗拉强度更有意义。岩石抗剪强度的力学指标为内聚力c和内摩擦角φ，通过各种岩石剪切实验进行测定。在垂直压力P作用下，并且在水平方向施加剪应力T，直到岩石试件被剪破为止，此时剪切面上正应力σ及剪应力τ分别为
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式中：P，T分别为试件开始沿着先存剪切面发生滑动时所施加的最大垂直压力、最大水平剪切力；S为剪切面面积。
为了密切工程实际，可以将岩石抗剪强度进一步划分为三种类型，即抗剪断强度、抗剪强度及抗切强度等。
（1）抗剪断强度
抗剪断强度是在垂直压力P作用下，并且在水平方向施加剪应力T，直到试件被剪断为止，此时根据莫尔－库仑强度理论，岩石抗剪断强度τf为
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（2）抗剪强度
抗剪强度是岩石试件具有先存剪切面（节理面或裂缝面）时，在垂直压力P作用下，并且在水平方向施加剪切力T直到试件发生剪切滑动为止。此时，岩石抗剪强度τf为
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（3）抗切强度
抗切强度是没有垂直压力作用的条件下，而在水平方向施加剪切力T直到岩石试件剪断为止。此时，剪切面上无正应力，仅有剪应力T，则剪切应力
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式中：T为岩石试件剪断时所施加的最大水平剪切力；S为先存剪切面面积。按莫尔强度理论，抗剪强度定义为
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岩石抗剪强度实验及计算式子也可以用于确定岩体中软弱结构面的抗剪强度。
3.破裂准则所谓破裂准则就是岩石发生破裂的条件，假定岩石处于（σ1，σ2，σ3）的应力状态时发生了破裂，我们把σ1，σ2，σ3之间的关系σ1＝f（σ2，σ3）称为破裂准则。下面详细讨论几种常见破坏形式和破裂准则。储集岩石处于地下，主应力一般都是压性的，主要发生剪破裂，故一般讨论剪切破裂问题较多。但在水力压裂条件下，岩石中的孔隙压力足够大，张性压裂一样有可能发生。
（1）库仑莫尔破裂准则
这是岩石力学中应用最广泛的强度理论，它认为，当某一面上剪切应力超过其所能承受的极限剪应力τ值时，岩石便破坏。法国物理学家库仑在1781年运用物体滑动时摩擦力和法向压力的正比关系求解平衡问题，得到库仑摩擦定律。岩石破裂的实验结果，可以用与摩擦公式相似的简单关系表示，称为库仑破裂准则：
若岩石内部某平面上的正应力σ和剪切力τ满足条件τ＝c＋μσ，则该面将发生破裂，式中c称作岩石的内聚力或聚合强度（Cohension）；μ称为内摩擦系数，工程上常令μ＝tanφ，φ称内摩擦角。图3－7所示为库仑破裂准则的图解，剪切力τ增大到一定程度，岩石破裂；如果正应力σ较大，内摩擦力增大，需要更大的剪切力τ使岩石破裂。
莫尔在1882年引入莫尔圆来显示材料内部的应力状态（Timoshenko，1970），能够直观地表现破裂准则，图3－8是当极限平衡状态下的莫尔圆。
图3－7 库仑准则示意图
图3－8 极限平衡状态下的莫尔圆
首先考虑平面问题，如图3－9a所示，在岩体中任取一单元体，设作用在该微小单元体上的两个主应力为σ1和σ3（σ1>σ3），在微单元体内与最大主应力σ1作用面成任意角度α的mn平面上有正应力σ和剪应力τ。为了建立σ，τ和σ1，σ3之间的关系，取微棱柱体abc为隔离体，如图3－9b所示。
图3－9 库仑莫尔圆
将各个力分别在水平和垂直方向投影，根据静力平衡条件可得
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以上两方程联立，求得mn平面上的应力为
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以上σ，τ和σ1，σ3之间的关系可以用库仑－莫尔应力圆表示，如图3－9c所示。在στ直角坐标系中，按一定的比例，沿σ轴截取OB和OC分别表示σ3和σ1，以D为圆心，（σ1σ3）为直径作圆，从DC开始逆时针旋转2α角，得到DA线，其与圆周交于A点。从式（3－17）可知，图中A点的横坐标就是mn平面上的正应力σ，纵坐标就是剪应力τ。因此，库仑－莫尔圆可以表示岩石中一点的应力状态，圆周上各点的坐标就是该点在相应平面上的正应力和剪应力。这样，莫尔圆既可给出破裂发生时剪应力τ与正应力σ的具体数值，又可以表现出破裂发生的方向。
莫尔于1900年提出，当一个面上的剪应力τ与正应力σ之间满足某种函数关系数，即
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沿该面会发生破裂，这就是莫尔破裂准则，其中函数f的形式与岩石种类有关。这样，莫尔就把库仑准则一般化了。因为库仑准则在στ平面上代表一条直线，而莫尔准则代表στ平面上的一条曲线。该曲线常被称为破裂线，也有的书称其为强度线。莫尔的另一个贡献是，将库仑莫尔圆扩展到三维，做法为：在τσ平面上，莫尔圆以（σ1σ3）为直径，破裂线AB与该大圆相切则发生破裂，破裂面与最大主应力σ1方向的夹角为（π/2β），中等主应力σ2的大小对破裂发生条件及破裂面方位没有影响。利用三维莫尔圆，可以得出岩石内部任意平面上的法向应力与切向应力。做法是，根据研究平面与最大应力方向的夹角φ和其与最小主应力方向的夹角θ，在σ1和σ2构成的小圆内作出一条与σ轴成2φ角的半径（在本例中φ＝30°，2φ＝60°），在σ3和σ2构成的小圆内作一条与σ轴成2θ角的半径（在本例中2θ＝75°），根据这两条半径分别与其圆周相交点的刻度，确定交点P，P点的纵、横坐标就是该平面上的切应力τ和正应力σ，如图3－10所示。
图3－10 三维莫尔圆
当τ＝f（σ）为直线时，其与库仑准则是一致的，被称为库仑－莫尔准则，或库仑－莫尔强度线；实验表明，当岩石较软弱时，其强度曲线近似于抛物线形，此时莫尔破裂准则表为τ2＝σt（σ＋σt），其中σt为岩石单轴抗拉强度，当τ2≥σt（σ＋σt）时，岩石破裂；当岩石较坚硬时，强度曲线近似于双曲线型，可表为τ2＝（σ＋σt）2tanη＋（σ＋σt）σt，其破坏判据为τ2≥（σ＋σt）2tanη＋（σ＋σt）σt，其中 ，σc为单轴抗压强度。
（2）格利菲斯强度理论
莫尔强度理论将材料看作完整而连续的均匀介质，可实际上任何材料内部都会存在许多细微裂纹或裂隙，在应力作用下，这些裂隙周围（尤其在裂隙端部）将产生较大的应力集中，有时由于集中在局部产生的应力可以达到所加应力的100倍，故材料破坏主要取决于内部裂隙周围应力状态，材料的破坏往往从裂隙端部开始，并通过裂隙扩展而导致完全破坏。1920年，格里菲斯（Griffith）的经典论文使断裂力学研究取得了突破。格里菲斯考虑固体中受应力作用的一条孤立裂缝，根据经典力学和热力学的基本能量理论，提出了
裂纹扩散理论。在外力作用下，由材料内部应力集中而聚集起来的弹性势能大于使之沿裂隙扩展所做的功时，材料便沿裂隙开裂。如图3－11所示，材料内部原有一条长度为L的裂隙，在弹性势能U作用下产生长度为ΔL的裂隙扩展，释放的弹性势能为ΔU，则能量释放率（能量梯度，也称裂隙扩展p）G为
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裂隙扩展长度为ΔL时，所增加的表面能ΔS为
图3－11 裂缝扩展示意图
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式中：γ为单位面积（单位线长度）表面能。假定R为表面能增加率或裂隙扩展阻力，则有
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可见，只有当G≥R时，裂隙方得以扩展。所以G≥R即为裂隙扩展的能量准则。
下面来研究裂隙扩展的应力准则。
选取裂隙扩展方向为x轴，则y轴垂直于裂隙表面，裂隙端点处的应力为σx，σy和τxy。而裂隙椭圆周边的切向应力σb可以采用弹性力学中的英格里斯（Inglis）公式表示（凌贤长等，2002），可得到裂隙端点最大切应力为
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其中m＝b/a是裂隙椭圆长半轴与短半轴的比值。必须说明一点，因为裂隙是一个拉长椭圆，裂隙端点的切应力是沿y轴方向的。这样，在σy>0条件下，式（3－22）采用负号方能取得负的σb值，即呈拉应力，当该应力大于σt（岩石单轴抗拉强度），裂隙端点就会出现新的破裂，引起裂隙的扩展。用主应力σ1，σ2和σ3表示σx，σy和τxy，可得到破裂角β（裂缝面与σ1夹角）的表达式
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这就要求（σ1－σ3）/2（σ1＋σ3）≤1，即σ1＋3σ3≥0。如果满足σ1＋3σ3≥0条件，可用σy和τxy表示该强度准则 ，或者τ2xy≥4σt（σt－σy）。采用σ1和σ3表示，则为（σ1－σ3）2/（σ1＋σ3）≥－8σt，这里出现负号，是因为岩石力学中张应力为负，出现张应力使岩石裂开。为满足上述破裂条件，要求σ1与σ3差别较大，当σ3＝0，即单轴应力条件下，cos2β＝1/2，于是有2β＝60°，故破裂角β＝30°；当σ3<0时，强度准则更容易满足，此时（σ1－σ3）/2（σ1＋σ3）>1/2，故β<30°，因受到应力准则σ1＋3σ3≥0的限制，其极限情况就是σ1＋3σ3＝0，此时cos2β＝1，β＝0；最常见的情况是σ3>0，这时（σ1－σ3）/2（σ1＋σ3）<1/2，β>30°，如果σ1和σ3都很大，且岩石强度较小时，cos2β→0，即β→45°。
如果条件σ1＋3σ3≥0得不到满足，则意味着岩石处于张应力环境，当σ3≤－σt时，岩石沿垂直于σ3的平面裂开。
如果以一定压力将液体泵入一个完整岩石的钻井中，一旦孔内液体压力大于当地应力场的作用力时，井壁岩石就将承受张应力，这个张应力等于或大于岩石的抗张强度，就会发生张性破裂，这种张性破裂面一定通过最大主应力轴，且垂直于最小主应力轴。
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在新的《中国区域年代地层（地质年代）表》（2001）中，石炭系—二叠系的划分有了较大的变化，石炭系传统三分，现改为二分（范炳恒，1998）：下石炭统（早石炭世）、上石炭统（晚石炭世）；二叠系由传统的二分改为三分：下二叠统（早二叠世）、中二叠统（中二叠世）、上二叠统（晚二叠世）。
遵循上述新的年代地层划分原则，按照中国区域年代地层（地质年代）表（Ⅱ）（陆相）的划分方案，同时兼顾传统和便于成果应用，岩石地层的内涵和划分仍沿用已有方案。岩石地层组的界限则依据具有相对等时意义的标志层，建立年代地层和岩石地层的关系（表1-3-9）。根据上述思路，在已有工作的基础上（汪曾荫，1996），建立了渤海湾盆地石炭系—二叠系地层系统（图1-3-40）。
石炭系—二叠系沉积后的晚海西构造运动，使部分地区抬升剥蚀，产生平行不整合，但多数地区与三叠系呈连续沉积关系，所以本项目将下中三叠统与石炭系—二叠系划归同一构造层研究。
（一）岩石地层特征
岩石地层单位不考虑时间、成因、气候环境或事件等因素的影响，重点考虑岩石特征的一致性（蒋飞虎，2004）。在覆盖区的钻孔资料中除根据岩性组合特征外，还辅以自然伽马测井曲线、电阻率曲线（孤北古2井）进行划分对比。
石炭系—二叠系自老到新可以划分为本溪组、太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组（孙家沟组）。三叠系分布局限，仅在临清坳陷等少数地区保留有下、中三叠统，自下而上可划分为刘家沟组、和尚沟组、二马营组。
表1-3-9 华北地台石炭系—二叠系划分对比沿革表
图1-3-40 渤海湾盆地石炭系—二叠系地层系统
1.石炭系—二叠系
（1）本溪组
主要由一套页岩、砂岩夹薄层海相灰岩组成，部分地区夹有煤线。以不含可采煤层和中、细粒石英砂岩为主要特征。本溪组下部多属于灰岩台地相沉积，地震特征为强振高连低频平行反射（图1-341，图1-3-42），多表现为2～3个连续性很好的强反射同相轴。其底部有一段含铁紫色页岩，为鸡窝状不规则铁矿层（山西式铁矿）和铝土质页岩或铝土矿层（G层铝土矿层）。
本溪组与上覆太原组一般为整合接触，以稳定的中、细粒石英砂岩之底作为本溪组的顶界；与下伏奥陶系灰岩地层呈平行不整合接触，底部以山西式铁矿和G层铝土矿层之底或奥陶系石灰岩剥蚀面之顶作为本溪组的底界标志。
自然电位呈中低幅微波状，下部幅度变化小，上部呈明显偏正异常。电阻率由下而上逐渐增大，曲线形态特征为漏斗形＋齿化箱形＋指状组合。
图1-3-41 济阳坳陷82—90测线石炭系—二叠系地震反射特征
图1-3-42 济阳坳陷568测线石炭系—二叠系地震反射特征
（2）太原组
为一套海陆交互相含煤沉积建造，主要由砂岩、页岩、砂质页岩、粉砂岩、石灰岩、煤层所组成，一般含有4层左右的石灰岩、3层左右石英砂岩，以及厚薄不等的多层煤层。与上覆山西组整合接触。
该组以含重要的可采煤层（一般位于下部）及多层石灰岩和中、细粒石英砂岩为主要特征而区别于上覆和下伏地层。以石炭纪—二叠纪过渡期形成的海相石灰岩之上，第1层中—细粒石英砂岩之底，作为太原组的顶界。
自然电位曲线成微波状起伏，下部呈多个齿状钟形组合，上部呈对称微波状＋箱形＋齿状漏斗形组合，上部为箱形＋漏斗形组合，整体表现为多个沉积旋回特征。电阻率曲线变化宽缓，下部中高阻齿状钟形，上部变为多个中低阻箱形＋漏斗形组合。
（3）山西组
主要由陆相沉积的砂岩、页岩、黏土岩组成，夹有多层近海泥炭沼泽所形成的煤层。总体而言，山西组岩层颜色较深，多呈灰色、暗色、灰绿色，未见紫色泥岩和石灰岩，含重要的可采煤层，与上覆下石盒子组呈整合接触关系。
自然电位曲线呈微波状，下部中低幅正异常，呈齿化箱形＋钟形＋漏斗形组合特征，上部低幅微波状，幅度变化小。上部和下部构成2个旋回。电阻率曲线呈中高阻齿化箱形＋漏斗形组合特征。
（4）下石盒子组
为一套黄绿色、灰绿色砂岩、页岩、粉砂岩、砂质泥岩互层的陆相碎屑岩沉积，夹有不可采煤层。顶部出现含锰铁质、铝土质的紫色泥岩层，即“桃花泥岩”。在东北、辽吉以及河北燕山南麓称为“A层铝土岩”、山东淄博称为“B层铝土岩”、两淮称“紫斑铝质泥岩”。与上覆上石盒子组为整合接触关系。
自然电位曲线垂向上变化小，呈对称微波状，电阻率曲线表现为下部高阻犬牙状，上部呈低阻齿状＋指状＋钟形组合。
（5）上石盒子组
为一套黄绿色、紫红色砂岩、粉砂岩、砂砾岩、泥岩互层的碎屑岩沉积，一般不含煤层。但在淮南、淮北以及河南禹州、平顶山一带含有可采煤层，紫红色岩系较少，一般为灰色、黄绿色粉砂岩、砂岩、泥岩等。
下部自然电位曲线表现为多个漏斗形＋钟形组合，电阻率曲线为多个中高阻齿化箱形＋钟形＋指状＋齿化漏斗形组合。中部自然电位曲线表现为钟形＋漏斗形＋齿化箱形组合，电阻率曲线阻值逐渐变低，下部变化宽缓，上部呈中高阻齿状。上部自然电位曲线形态为对称低幅微波状，整体幅度变化小，电阻率曲线呈低阻齿状，反映了水动力条件较弱的沉积环境。
以上特征反映了华北陆块在海退期，从北到南、从西到东、从陆相到海陆相，逐渐过渡到海湾 湖相的古地理格局。本组与上覆孙家沟组为整合接触关系。以燧石层（硅质层）之上的砂岩（平顶山砂岩）之底作为上石盒子组的顶界。
（6）石千峰组（孙家沟组）
为紫红色、灰紫色泥岩、砂岩、淡水泥灰岩（淡水灰岩）和少量石膏的河流、湖泊相沉积，淡水灰岩（泥灰岩）和石膏是本组的重要标志层。本组与上覆刘家沟组为整合接触关系。以泥灰岩之上的石膏钙核层之顶作为石千峰组之顶界。
2.三叠系
地层分布局限，仅在临清坳陷、冀中坳陷、黄骅坳陷的少数地区保留有下、中三叠统。辽河坳陷、渤中坳陷、济阳坳陷整体缺失三叠系。
临清坳陷下、中三叠统保存完整，自下而上可划分为刘家沟组、和尚沟组和二马营组。
（1）刘家沟组
以致密的红色泥岩和砂岩互层为特点，与下伏石炭系整合接触。在测井响应上，视电阻率曲线呈掌状—块状特高阻，从下往上呈升高的趋势。自然电位曲线平直或呈低幅齿形—钟形负异常，从下往上起伏加大。
（2）和尚沟组
主要岩性为紫色、棕色、浅灰色细、粉砂岩、粉砂岩、钙质砂岩、夹紫色、紫红色泥岩。从南到北岩性渐粗。视电阻率曲线呈箱状高阻，具有从下往上缓慢降低趋势；自然电位曲线下部呈钟形负异常，底界处负异常明显，上部较平直。
（3）二马营组
主要为紫红色泥岩与棕色、深灰色细、粉砂岩，呈不等厚互层，局部夹含砾不等粒砂岩。视电阻率曲线下高上低，整体上较下伏地层低，起伏较下伏地层大；底界处自然电位负异常明显。
冀中坳陷以红、棕色粉、细砂岩为主，夹有紫色薄层泥岩的陆相碎屑沉积，可与华北下、中三叠统的刘家沟组—二马营组进行对比；黄骅坳陷下、中三叠统分布较广，岩性特征表现为紫红色砂岩、粉砂岩，与泥岩不等厚互层；东濮凹陷“高阻红”地层为一套电阻率高、岩性致密的陆相红色碎屑岩沉积，其下为二叠系顶部的石千峰组，其上被古近系—新近系不同层位的地层超覆，本书暂将其归属于下、中三叠统。
（二）生物地层划分
1.石炭系—二叠系生物组合特征
通过系统研究，建立了牙形石、 类、小有孔虫、孢粉、古植物、腕足生物组合带（表1310）。
表1-3-10 华北地区石炭系—二叠系生物组合特征表
2.石炭系—二叠系短时限年代地层的化石标定
短时限年代地层是指比传统的本溪期、太原期、山西期等年代地层时限还要短的年代地层单位，为阶或亚阶，如 、 、 等。
（相当于本溪组）：以植物Lepidodendron—Conchophyllum组合带为标志。]]
（相当于本溪组下部）：以 类Profusulinella parva延限带作为标志，以Profusulinella parva的首现为底界标志，以Profusulinella的消失作为上限。]]
（相当于本溪组上部）：以 类Fusulina—Fusulinella组合带的出现作为标志，以Fusulina,Fusulinella,Beedenia等属的分子的首次出现作为底界，以它们的消失作为顶界。]]
（相当于太原组下部）：以 类Triticites paromontiparus—Montiparus montiparus组合带中的Montiparus 及原始的Triticites 的大量出现为底界，以Montiparus 和Triticites 发育高峰为标志。]]
（相当于太原组下部）— （相当于太原组上部）：以植物Neuropteris ovata—Lepidodendron posthumii组合带的出现为标志，或以腕足类Dictyoclostus taiyuanfuensis—Eomarginifera pusilla—Choristites norni 组合带为标志。]]
（相当于太原组上部）：以 带Psudoschwagerina—Sphaeroschwagerina组合为标志。以Pseudofusulina firma—Pseudoschwagerina huabeiensis亚带为二叠系最底部的 带，以Pseudofusulina或Pseudoschwagerina或Sphaeroschwagerina的分子首次出现作为二叠系的底界。]]
（相当于山西组）：以植物Empletopteris triangulais—Empletopteridium alatum—Lobatannularis sinensis组合带作为标志。]]
（相当于山西组下部）：以 Staffella带作为标志，其中以Staffella丰富种群的首次出现作为其下限。]]
（相当于山西组上部）：以 Schwagerina anderesensis—S.grandensis组合带作为标志，并以Schwagerina 的顶峰及大个体的Schwagerina anderesensis，S.grandensis 大量出现作为底界。]]
（相当于下石盒子组）：以植物Emplectopteris triangularis—Tingia carbonica—Cathaysiopteris whitei组合带为标志，其中单网羊齿的出现标志着华夏植物群的新发展，可作为标定特征。]]
（相当于上石盒子组下部）：以植物Lobatanulariaensifolia—Gigantonoclealagrelii—Fascipteis hallei组合带为标志，属华夏植物群第一次繁盛发展期，各种类型都得到发展、属种繁盛、分异度高为本组合带主要特征。]]
（相当于上石盒子组上部）：以植物Lobatanularia heianensis—Gigantonoclea hallei—Psygmophyllum mltipartitum组合带为标志，属华夏植物群第二次繁盛时期，苏铁纲明显衰退、银杏纲及分类位置不明，植物较为发育是本组合的重要标志。]]
（相当于石千峰组）：以植物Ullmannia bronnii—Yuania magnifolia组合带为标志，华夏植物群严重衰退，裸子植物占绝对优势，并出现了中生代分子。]]
三叠系分布局限，仅在临清坳陷等少数地区保留有下、中三叠统。刘家沟组、和尚沟组保存的化石稀少，与华北地区相应地层的特征一致，属生物“哑层”。二马营组含丰富的轮藻和孢粉化石，其中以直轮藻、星孔轮藻为代表的轮藻化石组合，具有典型的中三叠世时代特征，其中的轮藻有Stenochara dontzian，S.ovata，S.yuananensis，S.shaikni等，孢粉有Triadispora Alisporites，Striatopinites，Aratrisporities Csabratus，A.granulatus等。
（三）地层展布
1.石炭系—二叠系
笔者对渤海湾盆地周缘的山东淄博博山剖面、河北秦皇岛柳江剖面、辽宁本溪牛毛岭剖面、辽宁金县复州湾剖面、北京京西军庄镇剖面、河北邢台沙巴沟剖面、河北峰峰北大峪剖面、河南鹤壁龙宫剖面进行了地层剖面实测和化石采集，建立了8条标准地层剖面；对28口井的地层进行了划分，建立了28条基干地层剖面。以上述岩性特征、地层古生物的研究成果为主要依据，应用新的地层系统，对渤海湾盆地石炭系—二叠系标准剖面和基干剖面进行了地层对比（图1-3-43，图1-3-44）。
按照新划分方案，研究区年代地层从早到晚划分为： （本溪组）， （太原组下部）， （太原组上部）， （山西组）， （下石盒子组）， （上石盒子组下部）， （上石盒子组上部）， （石千峰组）。现将其展布规律分述如下：
1）石炭世早期（ ）（本溪组）：残留厚度变化较大，变化范围为1（渤2井）～147m（本溪牛毛岭）。最厚的区域为东北部辽宁太子河流域的本溪、复州湾地区，厚度一般超过100m。最薄的区域位于研究区的边缘地区：如东北部的渤海湾地区渤2井（1m）、西部边缘晋州市东南晋古2井（3m）和东南边缘的垦利东部的垦东3井（3m）。本溪组从东北向西南有逐渐变薄的趋势。
2）晚石炭世晚期（ ）（太原组下部）：地层残留厚度变化较大。最厚处位于济阳坳陷惠民凹陷区的判参1井附近，厚98m。最薄处多位于研究地区的边缘部分，如利津南部乐特1井附近，仅存10.0m；秦皇岛附近为10.8m。
3）早二叠世早期（ ）（太原组上部）：残留厚度变化较大。最厚处位于黄骅市东北的庄古2井附近，为192m，最薄处位于沾化凹陷孤北潜山带的义155井一带。
4）早二叠世晚期（ ）（山西组）：地层残留厚度变化较大，最厚处位于天津以南的增2井一带，残留厚度在300m左右，自此向四周地区逐渐减薄，但在各坳陷中的厚度分布并不均匀。最薄处位于馆陶县西北侧的馆深1井一带，残留厚度为30m。总体来看，研究区山西组残留厚度大多集中在51～110m之间。
5）中二叠世早期（ ）（下石盒子组）：地层残留厚度变化范围较大，最厚为519.9m，位于研究区西侧大城县东南的大3井一带。自此向周围地区虽有逐渐变薄的趋势，但在各坳陷中，其残留厚度仍存在厚薄不均衡的现象。但从总体看，残留厚度大多在101～200m之间变化。
6）中二叠世晚期（ ）（上石盒子组下部）：最大残留厚度位于沧州市以南的官古1井一带，为176m。自此处向北、东、南周边地区残留厚度渐薄，向东至埕东凸起西部的埕东2井一带减为最小，为16m。
7）晚二叠世早期（ ）（上石盒子组上部）：最大残留厚度位于沧州市以南的官古1井一带，为342m。以此为中心向东及周围地区逐渐减小，至济阳坳陷东缘垦利县以东的垦古12井，残留厚度仅为20m。
8）晚二叠世晚期（ ）（石千峰组）：绝大部分地区缺失石千峰组，仅在局部分布。残留厚度最大处位于大城县东南部的大3井一带，厚度为463m。以此为中心向四周递减，如秦皇岛一带厚30m，南缘的高参1井厚30m。
从全区范围看，石炭系—二叠系残留厚度的展布有以下规律：
石炭系—二叠系最厚处位于冀中坳陷大3井一带（残留厚度为1615.5m），向周边地区有减薄的趋势。
图1-3-43 渤海湾盆地石炭系—二叠系地层划分对比图（1）
图1-3-44 渤海湾盆地石炭系—二叠系地层划分对比图（2）
在唐山东南地区残留厚度稍有增加，厚度超过600m；向东逐渐减小，在庄古2井减为200m左右，至黄骅-济阳坳陷北区，残留厚度变化较大，由东向西厚薄相间，个别地区厚度可达到800m。
向东南延伸至南皮凹陷南缘，厚度为918m（东古1井）。至惠民凹陷，由东向西厚薄相间分布，一般厚度200～400m，个别地区残留厚度可超过800m（曲古2井），垦东3井一带厚28m，为全区最薄处。
向西南延伸至隆尧县东南一带，残留厚度为996.5m（巨2井），向南逐渐减为200m左右。至临清坳陷东区，向东增厚，堂古1井可达1000m。东濮凹陷残留厚度的变化范围由200m到826m不等。
辽河坳陷的石炭系—二叠系呈条带状、北东向展布，南段位于辽阳西部，最厚处可达780m左右；北段位于沈阳地区，最厚处可达600m左右。
在渤中坳陷，石炭系—二叠系呈北东向展布，西南段范围大，残留厚度较大，最厚处可达1400m左右；东北段较薄，范围较小，条带状展布，最厚处在600m左右。
以上特征表明，地层残留厚度除受原始沉积背景的影响之外，另受到后期构造作用的改造明显，从凸起到缓坡，地层依此变新，范围逐渐减小。
2.三叠系
从地层接触关系来看，华北地区（如北京-承德、燕山地区、临清坳陷、济源盆地、鄂尔多斯盆地等）下、中三叠统与下伏石千峰组之间均表现为整合接触或平行不整合接触。这表明，发生于二叠纪末期的海西运动在华北地区并没有引起剧烈的沉积格局变化（陈洪德等，1999），早、中三叠世继承了晚海西以来的北西高、南东低的构造格局，属于大型陆内坳陷盆地，同时延续了晚二叠世的干热气候，陆相红色碎屑沉积发育。地震资料（图1-3-45）显示其原始沉积的分布与晚古生代沉积相似，呈毯式覆盖（王同和等，1999；漆家福等，1995；漆家福等，2003）。现今下、中三叠统的残留厚度差异性是后期削蚀作用造成的结果。
图1-3-45 临清坳陷JL—78—314.5地震剖面图
在华北板块内部，下、中三叠统的残留地层呈现出西部连片、东部零星分布的特点（图1-3-46）。
西部鄂尔多斯盆地内，下、中三叠统厚度由东北向西南逐渐增大，西南部环县、庆阳一带厚度可达1100m左右。沁水盆地钻井与地震资料揭示盆地内下、中三叠统总厚度可达1200m。豫西济源—伊川—洛阳一带，下、中三叠统碎屑岩最大厚度超过2500m，向四周逐渐减薄至100m左右。豫东周口坳陷最大厚度也近1000m。
东部渤海湾盆地，下、中三叠统在冀中、黄骅、东濮、临清等坳陷及一些凸起上均有分布，一般沉积厚度在100m左右，在临清坳陷可达1000m。此外，盆地周边的淄博、章丘、冀北下花园、承德、北京西山等地也零星分布有下、中三叠统（漆家福等，2003）。
图1-3-46 华北地区古生界、三叠系横向对比图
下、中三叠统为一套河湖相紫红色泥、砂岩，最大厚度位于临清坳陷的莘县凹陷、冠县凹陷及邱县凹陷等地，厚度可达到2000m，整体表现为自西向东变薄（图1-3-47）、自南向北变薄、东部整体缺失的特点。
图1-3-47 渤海湾盆地下、中三叠统残留厚度等值线图
上三叠统在渤海湾盆地的渤海湾盆地整体缺失，而华北西部的鄂尔多斯、沁水盆地及济源盆地等地则较发育。
综上所述，研究区内地层残留厚度的分布是不均衡的，在各主要坳陷中残留厚度变化相对较大，缺失现象普遍。造成这种现象的主要原因是原始沉积时期，基底地形地貌特征复杂，后期受地质构造运动和气候等多因素的影响，造成了明显的地区性差异，形成了目前的残留厚度展布格局。
（四）沉积建造特征
经过晚奥陶世—早石炭世的沉积间断，中晚石炭世地壳下降，沉积了石炭系—二叠系海陆交互相含煤建造。
本溪组沉积时期，研究区从西向东地层厚度及碳酸盐岩含量均呈现增加的趋势。本溪组超覆在中奥陶世峰峰组或马家沟组之上，主要由一套页岩、砂岩夹薄层海相灰岩所组成，或夹有煤线。
太原组沉积时期，渤海湾盆地形成了一套海陆交互相含煤沉积，主要由砂岩、页岩、砂质页岩、粉砂岩、石灰岩、煤层所组成。
山西组—下石盒子组沉积时期，形成了一套滨海碎屑岩地层。其中，山西组主要由陆相沉积的砂岩、页岩、黏土岩组成，夹有多层近海泥炭沼泽所组成的煤层，是华北盆地重要的成煤期；下石盒子组为一套黄绿色、灰绿色砂岩、页岩、粉砂岩、砂质泥岩互层，夹有不可采煤层的、以陆相为主的碎屑岩沉积。
上石盒子组—石千峰组沉积时期，从北向南，岩性逐渐变细，从含砾砂岩和粗砂岩为主过渡为泥岩、粉砂岩和中细砂岩为主。上石盒子组为一套黄绿色、紫红色砂岩、粉砂岩、砂砾岩、泥岩互层的碎屑岩沉积，煤层主要出现在南部淮南地区；石千峰组为一套含有紫红色、灰紫色泥岩、砂岩、淡水泥灰岩（淡水灰岩）和少量石膏的河流湖泊相沉积，全区基本不含煤层。
早中三叠世部分地区抬升剥蚀，但研究区基本延续了晚古生代的构造性质和古地理轮廓，海水从南东方向完全退出。主要发育陆相沉积，呈现出西部分布连片、东部分布零星的特点。中、下三叠统主要分布于西南部的临清、东濮凹陷及西北侧的冀中、黄骅坳陷，为一套河湖相紫红色泥、砂岩。
晚三叠世，印支运动造成渤海湾盆地缺失上三叠统。
图1-3-48 石炭系—二叠系演化示意图（年代地层格架）
年代地层剖面（图1-3-48）反映出，石炭纪中后期，在经过长时间的剥蚀后，华北再一次沉降并接受沉积，海侵首次出现在徐淮地区和辽东-唐山地区，在这些地区沉积了最早的本溪组。后随着海侵的扩大，逐步扩展到华北南部、北部和东部。太原组、山西组、石盒子组的顶、底界线，总的趋势是由北向南、由东向西逐渐抬高，时代由老渐新。其中的标志层及煤层等，也同步穿时变化。
上述穿时特征反映出，本溪组沉积时期海侵最先在渤海湾盆地开始，此后向西部、南部扩展，反映了盆地基底呈向东开口的箕状形态，继承了早古生代晚期的盆地基底形态。太原组开始，盆地南部成为海侵发源地和归宿处，盆地基底呈南倾态式。
张 旭1，2，3 蒋廷学1
（1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101；2.中国石油大学，北京 102249；3.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083）
摘 要 随着石油工业的发展，石油钻井过程经常钻遇火山岩地层，因此火山岩岩石力学性质及破坏机理是目前石油工业的难点及热点问题。本文结合大庆徐家围子地区火山岩地层，根据现场声波测井资料及岩心资料，通过室内实验及回归分析建立了声波测井资料与火山岩岩石力学特性预测模型，并综合应用莫尔-库仑与格里菲思破裂准则，建立了适用于地下火山岩破裂的判断准则；结合主成分分析法，对大庆徐家围子地区钻头进行了优选，结果表明，钻头效果参数排序变化趋势与期望一致，完全符合工程要求。
关键词 火山岩 岩石力学 破坏准则
Application of Mechanical Properties of Volcanic Rocksin Petroleum Engineering
ZHANG Xu1，2，3，JIANG Tingxue1
（1.SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 100101 ，China；2.China University of Petroleum，Beijing 102249，China；3.SINOPEC Exploration ＆Production Research Institute，Beijing 100083，China）
Abstract With the development of petroleum engineering，volcanic rock formations always are encountered in exploration.Thus，mechanical properties of volcanic rocks and their failure mechanism are very important for drilling.This paper studies the failure mechanism and mechanical features of volcanic rock formation in Xujiaweizi. By using acoustic logging data and core data，a mathematic model for describing the relationship between them has been established by regression analysis and experiments.Moreover，failure mechanism have been built up according to the theory of Mohr -Coulomb and Griffiths.At last，this paper selects drilling bit according to principal component analysis.The practice shows that this result can successfully reflect the change of rock formation and offer guidelines of selecting bits.
Key words volcanic rock；mechanical properties；failure mechanism
研究表明［1～5］，在地表15km内，95％为火山岩，虽然火山岩本身不具备生油条件，但是火山岩杨氏模量高、脆性强，在构造应力作用下容易形成构造裂缝和收缩裂缝，成为有效的储集空间和渗流通道。因此对具有油气储集能力的火山岩的研究目前已经成为油气勘探开发的热点和难点［6］。
国家重大专项《复杂地层储层改造关键技术研究》（2011ZX05005-006-005）
本文对大庆徐家围子地区火山岩地层岩石力学特性与破岩机理进行了研究，得到了火山岩岩石力学特性参数预测模型及火山岩破坏判断准则，并根据大庆徐家围子地区钻头使用情况对钻头进行了优选，结果表明，钻头效果参数排序变化趋势与期望一致，完全符合工程要求。
1 火山岩岩石力学性质研究
1.1 火山岩岩性特征
大庆徐家围子地区火山岩是一套晚侏罗世-早白垩世（J3-K1）的火山岩系。火山岩不整合于石炭纪-二叠纪（C-P）变质岩系基底之上，又被中生代下白垩统登娄库组（K1d）和泉头组（K1q）沉积岩系地层不整合所覆盖。根据徐家围子地区深层火山岩地层的实际情况，按照 “测井特征相近，地质意义相同” 的原则，将该地区火山岩划归为玄武岩、安山岩、英安岩、流纹岩、凝灰岩、角砾岩6种岩石类型（图1）。
图1 徐家围子地区常见的火山岩类型（部分）
1.2 岩心岩石力学实验结果
我们收集了徐家围子地区11口深井的测井资料和录井资料，以及该地区具有广泛代表性的22块火山岩岩心（表1），在实验室内分别测定了它们的岩石力学特性参数。表2给出了部分岩心抗钻实验结果，表3给出了岩石三轴应力实验结果，表4为各块岩心黏聚力和内摩擦角实验结果。
表1 岩心资料综合（部分）
表2 岩心实验结果（部分）
表3 岩石三轴应力实验结果（部分）
表4 岩心黏聚力和内摩擦角实验结果（部分）
从实验数据结果分析可知，该地区火山岩可钻性值相对较高，硬度较大，塑性系数较低，泊松比较低，表现出明显的脆性和弹性特征，具体如下：
流纹岩：岩性坚硬致密，可钻性级值在9.0级以上，岩石抗压强度和硬度分别在110～150MPa之间和5000MPa左右。
安山岩：岩石可钻性差，其级值分布在6.5～9.2之间。地层硬度较高，在2000～4000MPa间；抗压强度变化范围较大，在90～130MPa之间。
凝灰岩：地层坚硬致密，岩石可钻性差，级值介于6.0～10.0之间，最高达到9.2级。地层硬度较高，在1800～3200MPa之间；抗压强度在90～130MPa之间。
角砾岩：岩石硬度高，抗压强度不均匀。地层抗压强度为60～90MPa，可钻性在5.8～6.7间，硬度在1000～2000MPa之间。
玄武岩：岩性坚硬致密，可钻性极差，在9.0级左右；地层硬度在4000～4300MPa间，抗压强度在130MPa左右。
英安岩：岩石可钻性差，可钻性级值在8.7级左右。地层硬度高，在3000MPa以上；抗压强度在100MPa左右。
1.3 火山岩岩石力学参数预测模型
大量理论研究表明，声波在岩石中的传播速度与岩石的硬度、可钻性、抗压强度等存在着较好的相关关系，因此声波测井资料能较好地体现岩石的力学特性［7］。以大庆徐家围子地区20口深井声波时差测井资料及该区块内不同深度、不同层位、不同岩性等具有广泛代表性的32块岩心，通过室内实验及回归分析建立了该地区地层岩石力学解释模型，其方程为：
油气成藏理论与勘探开发技术：中国石化石油勘探开发研究院2011年博士后学术论坛文集.4
用此解释模型，根据各井的声波测井资料，得到火山岩岩石力学参数值。
2 火山岩破坏准则研究
研究表明岩石裂缝往往不以单一的形态出现，有张裂缝、共轭剪裂缝和介于两者之间的张剪缝。库仑-莫尔准则和格里菲斯准则广泛应用于岩石力学中，但各自存在应用条件，因此对于地下复杂的火山岩破裂不能简单地用一个准则加以判断。图2是根据实验结果绘制出的凝灰岩包络线形态。图3显示包络线形态由两段莫尔-库仑曲线组成。
当围压小于某值时，内摩擦角φ较大， 岩石以张性破裂为主；围压大于某值时，内摩擦角φ变小，破裂角增大，张性破裂逐渐变成张剪性至压剪性破裂。因此本文在莫尔-库仑与格里菲思破裂准则的基础上，结合岩石力学实验，综合建立了适用于地下火山岩破裂判断的准则：
图2 凝灰岩莫尔应力包络线
1）流纹岩：抗压强度在110～150MPa之间，围压大于12MPa时，用库仑-莫尔破坏准则，内摩擦角φ＝31.13°，破裂角θ＝29.435°；围压小于12MPa时，用格里菲斯破坏准则。
图3 两段式莫尔-库仑曲线
2）凝灰岩：抗压强度在90～130MPa之间，围压大于23MPa时，用库仑-莫尔破坏准则，内摩擦角φ＝28.01°，破裂角θ＝30.995°；围压小于20MPa时，用格里菲斯破坏准则；围压在20MPa～23MPa之间时，两个破坏准则均适用。
3）安山岩：抗压强度为90～130MPa，围压大于16MPa时，用库仑-莫尔破坏准则，内摩擦角φ＝36.5°，破裂角θ＝26.75°；当围压小于14MPa时，用格里菲斯破坏准则；围压在14MPa～16MPa之间时，两个破坏准则均适用。
4）角砾岩：抗压强度为60～90MPa，围压大于16.7MPa时，用库仑-莫尔破坏准则，内摩擦角φ＝27.47°，破裂角θ＝31.265°；当围压小于16.7MPa时，用格里菲斯破坏准则。
5）玄武岩：抗压强度在130MPa左右，单轴压缩实验样品呈张性破裂，用格里菲斯破坏准则。
6）英安岩：抗压强度在100MPa左右，单轴压缩实验样品呈张性破裂，用格里菲斯破坏准则。
3 应用
表5为牙轮钻头在徐家围子深部地层的使用情况。
表5 损坏较严重的牙轮钻头使用情况统计（部分）
从表5可以看出，在已完钻的11口深井中有8口井在营城组牙轮钻头磨损严重，主要表现为：钻头牙齿、壳体磨损严重；断齿、掉齿、掉牙轮尖严重；钻头外径磨损严重。
钻井工程投资巨大，风险性高，在油气开发勘探中，如何以最小投入、最低风险和最快速度钻成一口井，一直是钻井界人士着力研究、解决的问题。而钻头的合理评价与选型对提高钻井速度、降低钻井成本起着非常重要的作用。本文利用前面得到的火山岩岩石力学预测模型及火山岩破坏准则，并结合主成分分析法，提出了一种新型的钻头选型方法。
3.1 基本原理
在处理钻头数据时，如果有n只钻头，表征每只钻头的参数（或指标或属性）有m个，如钻压、转速、进尺、地层岩性、岩石泊松比、岩石抗压强度、岩石破坏方式等，那么可以用一个矩阵来表示这n只钻头的数据：
油气成藏理论与勘探开发技术：中国石化石油勘探开发研究院2011年博士后学术论坛文集.4
如果从钻头数据多元统计的角度去分析，钻头选型的实质就是依据钻头的效果指标优选钻头，然后寻求该指标下最优的钻头工作条件。
假设从总体X中获得了n个样品，每个样品有p个属性，则有：
油气成藏理论与勘探开发技术：中国石化石油勘探开发研究院2011年博士后学术论坛文集.4
显然，如果p个指标是互相独立的，则可以把问题化为p个单指标来处理。主成分分析正是解决把原来多个指标化为少数几个互不相关的综合指标（用y1…yk表示）的一种统计方法，可以达到数据简化、进而揭示变量之间的相互关系和进行统计解释的目的，具体方法见相关文献。
3.2 应用结果
使用Visual Basic 6.0开发了主成分方法钻头优选模块。对大庆油田徐家围子地区侏罗纪地层101只共计21类不同类型的钻头进行了优选分析（具体数据省略）。优选的结果如表6所示。结合5部分钻头使用情况统计分析的结果，优选出的钻头与该地区已钻井钻头中使用效果最好的钻头型号符合率达100％。
4 结 论
1）火山岩可钻性级值相对较高，硬度较大，抗压强度不均匀。
2）测井响应特征参数声波时差能够很好地体现火山岩岩石力学特性参数，从而得到火山岩地层岩石力学特性参数（抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角）预测模型。
表6 钻头选型系统的优选结果
3）综合应用莫尔-库仑与格里菲思破裂准则，建立了适用于地下火山岩破裂的判断准则。
4）利用火山岩岩石力学预测模型及火山岩破坏准则，并结合主成分分析法，可以优选钻头类型。
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四川省地质矿产勘查开发局102厂 定额补助 四川省西昌市长安北路 机械加工、选矿设备的制造四川省地质矿产勘查开发局106地质队 定额补助 成都市温江区柳城大道西段6号 地质矿产、固体矿产、水文地质、工程地质、环境地质勘查勘探、探矿工程施工、工程测量、地质灾害治理四川省地质矿产勘查开发局108地质队 定额补助 崇州市金带街199号 为国家建设提供地矿勘查服务.
你说的这类发表的比较慢，因为不容易发表，所以才叫核心。
1. 岩石学报2. 中国科学.D辑,地球科学3. 地质论评4.地学前缘 5. 地质学报6. 地球化学7. 地球科学8.矿床地质 9. 沉积学报 10. 地质科学11. 中国地质12.地球学报13. 现代地质14. 高校地质学报 15. 吉林大学学报.地球科学版16. 第四纪研究 17.地质通报18.岩石矿物学杂志 19. 地质与勘探20. 矿物学报 21. 地层学杂志 22. 地质科技情报23. 大地构造与成矿学24. 水文地质工程地质25.矿物岩石地球化学通报 26. 矿物岩石27.物探与化探28.古地理学报29.新疆地质30.地球与环境
是的原名《矿物岩石地球化学通讯》，创刊于1981年3月，1995年经科技部和新闻出版总署批准更名，并国内外公开出版。本刊是由中国矿物岩石地球化学学会和中国科学院地球化学研究所主办、中国科协主管的学术性期刊。中文核心期刊 中国科技核心期刊(CSTPCD) 中国科学引文数据库来源期刊(CSCD) 中国期刊网、中国学术(光盘版)全文收录期刊 万方数据(Chinainfo)系统科技期刊群上网期刊