三轴压缩下两类砂岩变形破坏的实验研究

本文讨论了围压高达700MPa的条件下,发生实验变形的长石砂岩和石英砂岩的变形模式和变形机制。完整长石砂岩的脆延过渡带在200—400MPa,完整石英砂岩的脆延过渡带在250—350MPa,长石砂岩在600MPa围压以上出现高压脆化现象;两类切口岩石的稳滑粘滑过渡界限分别是200MPa和150MPa。不同的变形模式主要起因于程度不同的碎裂机制。文中还对矿物成分的影响、脆性行为之延伸等有关问题进行了简要讨论     

断层脆塑性转化带的强度与变形机制及其流体和应变速率的影响

野外、实验和地震数据表明:浅部地壳的变形以脆性破裂为主,深部地壳的变形以晶体塑性流动为主.在这种认识的基础上,提出了地壳变形的2种机制模型,即发生脆性变形的上部地壳强度基于Byerlee摩擦定律以及发生塑性变形的下部地壳强度基于幂次蠕变定律.而位于其间的脆塑性转化带的深度与浅源地震深度的下限具有很好的一致性.然而,二元结构的流变模型局限性在于其力学模型过于简单,往往过高估计了脆塑性转化带的强度.问题的根源在于对脆塑性转化带的变形机制的研究已有很多,但没有定量的力学方程来描述脆塑性转化带强度;而且以往对断层脆塑性转化带的研究主要集中在温度引起的脆塑性转化方面,对因应变速率和流体对脆塑性转化的影响方面的研究也比较薄弱.对断层带内矿物变形机制研究表明,某些断层带脆塑性转化发生在相同深度(温度和压力)内,发生脆塑性转化的原因是应变速率的变化,而这种变化被认为与地震周期的同震、震后-间震期蠕变有关,这种变化得到了主震-余震深度分布变化的证实.对断层流体特征分析表明,断层带内可能存在高压流体,这种高压流体会随断裂带的破裂及愈合而周期性变化,在地震孕育及循环中起着关键性作用.高压流体的形成(裂隙愈合)有多种机理,其中,压溶是断层带裂隙愈合的主导机制之一.研究在水作用下的压溶,可以对传统的摩擦-流变二元地壳强度结构及其断层强度进行补充与修正.通过以上分析,认为有必要通过野外变形样品和高温高压实验,深入研究应变速率及流体压力对断层脆塑性转化的影响,同时,通过实验建立压溶蠕变的方程,近似地估计脆塑性转化带的强度.     

中主应力对岩石变形局部化的影响

岩石局部化变形在水利、石油、核废料处理、二氧化碳地质储存以及工程地质和岩土工程中都具有很强的实际意义,为了研究中主应力对于岩石局部化变形的影响,本文把轴对称拉伸和压缩状态的变形带角属性选做边界条件,推导得到RR模型中的本构参数,最后预测得到其他应力状态的变形带角,与Dunham白云岩真三轴实验数据进行比较,发现中主应力对岩石强度、变形率以及变形带角都有影响;变形带角在最小压应力值固定的情况下,随着平均应力的增加而增加,随着最小压应力的增加而减小,与认为中主应力对岩石强度以及变形没有影响的摩尔库伦条件预测结果不同.     

岩石摩擦滑动失稳前断层区的波速变化

对岩石摩擦滑动失稳前断层区的波速变化进行了实验研究，实验表明，岩石摩擦滑动失稳前沿断层一侧的测线上观测不到测速变化，沿着跨断层的测线可观测到波速下降的前兆，因此，尝试用波速异常预断层带粘膜型地震时，选择测线应跨断层。     

高孔隙岩石局部化变形研究新进展

“压实带”是高孔隙岩石在脆-延性转换阶段发生的一种局部化变形现象．“压实带”的发现改变了关于局部化变形发生方向的传统观念．“压实带”对于理解地壳运动和变形的重要性以及在材料和石油工业等方面的潜在应用,使得它成为岩石物理学和地质学的研究热点之一．本文围绕“压实带”,从实验研究、连续介质理论分析和数值模拟三个方面详细介绍了高孔隙岩石局部化变形的研究进展．     

基于三维X射线显微镜的孔隙性砂岩中变形带微观结构解析

孔隙性砂岩中变形带对揭示其相关地质作用过程和工程应用具有重要的意义,而其微观结构是其相关科学与工程研究的关键点。常规的岩石微观结构分析手段对于全面解析岩石内部的微观结构具有一定的局限性,而近年发展起来的三维X射线显微成像技术可以无损地获得岩石内部微米尺度的三维精细数字化图像,是建立岩石微观结构并对其进行解析的有效手段。通过三维X射线显微镜对孔隙性砂岩中变形带扫面,建立了高分辨率三维微观结构图像,利用高密度切片图像,对其微观结构特征进行解析。根据变形带微观产出状带和颗粒破碎过程的解析,建立颗粒破碎-破碎颗粒与残余破碎颗粒重新排列-局部颗粒破碎带-弱颗粒破碎变形带-强颗粒破碎变形带-强弱颗粒破碎变形带相间排列-簇状变形带的完整时间发育序列。      

水对高应变率扭剪变形实验中大理岩强度的影响

利用 Kolsky 扭转棒作为实验装置,笔者在常温常压条件下对干燥的和潮湿的大理岩试样进行了一系列的动态简单剪切的实验变形研究,以期了解在高应变率(373-1-1736-1)时岩石中孔隙水对于岩石抗剪强度的影响.结果表明,孔隙水的存在不但没有降低,反而稍微提高了岩石的抗剪强度.结合前人在静态条件下的实验研究资料,笔者认为水对岩石变形的作用机制随应变率的变化而改变.在低应变率(例如:10-9-1)时,水对岩石变形的影响分别表现为压溶作用、应力侵蚀作用和降低有效应力的效应.压溶作用和应力侵蚀作用导致岩石强度的降低;而有效应力的降低则导致岩石强度的相对提高.      

不同岩性下水对断层摩擦性状影响的实验研究

利用双轴伺服控制加载装置, 在干燥和饱和水(浸在水中)条件下, 开展了砂岩、 大理岩和花岗岩的摩擦实验。 对比干湿条件下断层摩擦应力和声发射的演化特征, 讨论水对断层滑动性状的影响。 研究表明, 低正应力条件下, 砂岩和大理岩标本表现为稳滑, 而花岗岩则表现为粘滑; 岩体矿物成分、 孔隙率和以及滑动面的状况共同影响断层摩擦的稳定性; 干湿条件下摩擦强度的变化为水对断层滑动面和围岩抗剪强度影响的综合效应; 砂岩含有硬度较小的矿物, 初始粘结力低, 孔隙率高, 水对滑动面和围岩都起到弱化的作用; 方解石硬度和摩擦特性控制了大理岩的摩擦性状, 而标本含有穿晶和晶内微破裂增强了水对大理岩摩擦强度的弱化作用; 花岗岩组成矿物的硬度大且胶结紧密, 初始粘结力大, 孔隙率低, 因此摩擦性状对含水量的变化响应较小。 不同岩性的摩擦稳定性在干湿条件下均存在差异, 不同岩性断层摩擦性状对含水量的变化响应不同, 因此研究水库诱发地震时要考虑断层的岩性特征。     

固体介质三轴实验中样品半延性-延性变形对应力曲线影响的修正

在岩石高温高压三轴变形实验中达到岩石的极限强度之后,岩样的宏观几何变形显著增加,几何变形成为表观应力与真实应力之间出现较大偏差的主要原因.针对此问题,假定岩样从圆柱体变形成为桶形体,在一些理想假设前提下,给出了高温高压条件下三轴实验中,当试样出现半延性-延性行为时,应力曲线的一种修正方法.     

高孔隙岩石变形的离散单元模型

实验和野外观测表明颗粒破碎显著影响高孔隙岩石的变形特征.为建立高孔隙岩石变形的数值模型,我们以弹性理论为基础并根据问题的特征进行合理简化,给出了一种颗粒破碎机制,并根据此颗粒破碎条件改进传统的离散单元模型.利用改进的离散单元模型,研究了不同压力条件下高孔隙岩石变形的宏观和微观特征.数值模拟结果表明考虑颗粒破碎的模型能重现高孔隙岩石在不同围压下变形的应力-应变关系、声发射特征、应变局部化和剪切增强压缩等特征.我们还发现,与野外观测结果一致,在高孔隙岩石脆性阶段剪切带内部及附近伴有显著的颗粒破碎.     

煤高温高压变形实验及其构造地质意义上

三种R_(o_1max)分别为0.67%,3.41%和4.90%的煤样,在T=350—700℃、P_c=400—600 MPa、ε=10—30%,(?)=3.63×10~(-6)—2.59×10~(-5)s~(-1)条件下的变形实验表明:(1)煤光性组构的成因是芳环层片的构造应力作用下重新定向所致,其主要机制是煤化过程中芳环层片的择优成核生长和物理转动定向,它主要发生在煤级相对较低阶段:(2)VRI 不能直接作为有限应变分析的标志,其Z 轴主要反映煤级相对较低阶段的构造应力方向;(3)气体的存在是引起煤层构造变形较为强裂的关键因素;(4)影响煤脆-韧性变形机制转换的主要因素是煤级条件,其韧性机制主要发生在煤级较低阶段,而在煤级较高阶段则以脆性机制为主.     

高温高压条件下角闪岩脆-塑性转化实验研究

在高温高压条件下开展了天然角闪岩样品的变形实验研究,并且利用偏光显微镜和扫描电镜对实验样品进行微观结构观察,研究了在不同的温压和应变速率条件下角闪石的变形机制。实验结果表明,随着温度升高,样品的应力-应变曲线由强化逐渐转化为屈服,并且出现弱化,样品强度显著降低,随着围压增加,样品强度增大,随着应变速率降低,样品强度降低,压缩方向与样品面理斜交的实验样品强度显著降低。实验变形样品在500℃时,角闪石表现为晶内破裂和碎裂变形,其变形以脆性为主导;在600℃时,样品中发育由角闪石残斑和碎裂基质构成的碎裂组构,部分角闪石晶体出现了波状消光,角闪石以碎裂变形为主,局部具有塑性变形的特征;在700℃时,样品以晶体扭折变形为主,局部出现脱水和细粒微晶,并且含有微破裂,显示了样品以晶体扭折变形为主,含有微破裂,样品变形处于脆-塑性转换域;在800℃时,样品中基本没有发现明显的脆性变形,样品以动态重结晶作用为主,角闪石出现脱水。因此,在实验温压范围内,在500℃→600℃→700℃→800℃条件下,角闪石变形机制表现为脆性破裂→碎裂流动→晶体扭折→动态重结晶和脱水作用,显示了角闪石经历了脆性—脆-塑转化—塑性变形的变形机制。     

硬石膏断层带摩擦稳定性转换与微破裂特征的实验研究

断层带摩擦稳定性转换及其对应的微破裂特征对于地震成核条件和慢地震机理研究具有重要的意义.本文利用双轴实验装置研究了硬石膏断层带摩擦稳定性的转换及其对应的应变变化、微破裂特征,并分析了实验标本的微观结构.实验结果表明,σ₂和加载点速度对断层滑动稳定性具有显著影响.在低σ₂条件下,硬石膏断层带出现不稳定滑动,变形以局部化的脆性破裂和摩擦为主;随σ₂的增加,断层由不稳定滑动向稳定滑动转换,断层带变形方式逐渐转变为分布式的破裂.在低σ₂条件下,硬石膏断层带在较低加载点速度下表现为速度强化且滑动稳定,在中等加载点速度下表现为速度弱化并伴有准周期性的黏滑,在较高加载点速度下又有转向速度强化的趋势,σ₂的提高使得速度弱化的范围逐渐减少,滑动趋于稳定.上述两次转换对应不同的微破裂特征,在较高速度下从速度弱化转换为速度强化时,断层滑动伴有能量较小但频度很高的微破裂活动,而在较低速度下从速度弱化转换为速度强化时,断层滑动伴有间歇性的微破裂,这与断层带的微观结构特征有较好的对应关系,表明其转换机制是不同的.     

基性岩摩擦本构参数与下地壳地震成核的可能性

摩擦滑动的力学行为能够很好地由速率和状态依赖性摩擦本构关系来描述。文中对地壳岩石滑动稳定性的控制因素进行了综述:1)微小扰动对摩擦滑动的影响分析(线性分析)表明,摩擦滑动中不稳定产生的重要条件是速率依赖性参数a-b<0,在这种条件下,地震滑动可以在断层上成核;2)下地壳的水含量测定表明,可能存在“干”、“湿”两种情况,而已有岩石流变实验结果表明稳定大陆内部下地壳在干燥条件下为脆性变形行为;3)近年来发现一部分强震发生在基性的下地壳,使辉长岩高温高压摩擦实验受到重视。干燥条件下辉长岩的摩擦实验研究表明,在420~615℃的温度范围内,速度弱化可能是典型的滑动行为。综合考虑较冷大陆内部下地壳可能出现的“干燥”条件以及在此条件下不大可能发生塑性流动等相关因素,这一结果可能就是在一些地区下地壳发生地震的原因     

高温高压下石英方解石断层带的摩擦滑动性状

在不同的温度、压力条件下进行了含石英和方解石断层泥标本的摩擦实验。结果表明,石英断层带的摩擦强度对压力的响应直到400℃都很明显,对温度的响应在高温(高于400℃)时才明显;方解石断层带的摩擦强度对温度很敏感,对围压的响应只在低温(200℃)时才明显;随温度升高,石英和方解石断层带均由粘滑转变为稳滑,但前者的转换界限在400℃到500℃之间,而后者在200℃到300℃之间。显微观察表明,上述差异归因于其具体变形机制的差别。      

固体介质三轴实验中样品半延性—延性变形对应力曲线影响修正

在岩石高温高压三轴变形实验中达到岩石的极限强度之后，岩样的宏观几何变形显著增加，几何变形成为表现应力与真实应力之间出现较大偏 差的主要原因。针对此问题，假定岩样从圆柱体变形成为桶形体，在一些理想假设前提下，给出了高温高压条件下三轴实验中，当试析出现半延性－延性行为时，应力曲线的一种修正方法。     

含水岩石摩擦滑动特征的初步研究

我们对含水岩石进行了双剪摩擦滑动实验。所用样品为济南辉长岩、周口店石灰岩,小浪底砂岩和点苍山大理岩。本实验得到的主要结果表明,水的存在增大了岩石的摩擦强度,减小了粘滑时的应力降和错距,促进了位移强化效应。这说明水对岩石摩擦的影响是一个复杂的问题。还应深入地研究。     

不同温压条件下饱水砂岩的变形破坏与孔隙压力问题的试验研究

本文通过不同温度与围压条件下的岩石三轴试验,研究了水、温度、有效围压对饱水的新沂砂岩变形破坏过程的影响及此过程中孔隙压力变化的特征。研究结果表明:(1)饱水砂岩的强度比风干岩石低20—30％,而排水条件下的这种差异更大;(2)岩石变形破坏过程中,孔隙压力的变化可划分出四个基本阶段:上升、缓升、下降与保持不变阶段,其中第二阶段相当于微破裂发生阶段,第三阶段相当于微破裂发展成为宏观破坏的阶段;(3)饱水砂岩的强度随环境温度的升高和有效围压的下降而减小,而且排水条件也促使强度降低,因此可以推断,井孔水位对震前异常反映灵敏的岩石力学与水动力学条件是:含水层的渗透性强、温度高、埋深浅、水头高。     

中东亚大陆塑性流动网络控制下构造变形的物理模拟

以塑化松香和干凝滑石粉浆分别作为岩石圈延性下层（下地壳及岩石圈地幔）和脆性上层（上部地壳）的相似材料,就亚洲中东部大陆在板块边界推挤作用下的构造变形进行了模拟实验。初步结果表明,本地区在印度板块和菲律宾海板块的推挤下,形成两个塑性流动网络系统,它们控制了岩石圈上层构造变形,在分布格局上大致与地震的网络状分布相对应;东北部可能存在另一规模较小、作用较弱的驱动边界及相应的网络系统,由于它的影响,导致华北北部构造带和地震带的扭曲。实验还表明,大型压性盆地的形成与岩石圈下层稳定块体的存在有关     

岩石高速摩擦实验的进展

文中简述了地震动力学国家重点实验室近年来在岩石高速摩擦实验方面的进展。为了深化断层与地震力学研究,实验室建设了一套旋转剪切低速-高速摩擦实验装置,可开展滑动速率介于板块运动速率(cm/a量级)至地震滑动速率(m/s量级)的岩石摩擦实验,其中高速摩擦性能填补了实验室的技术空白。以此为依托,围绕汶川地震断层带力学性质研究,开展了一系列高速摩擦实验。结果表明,龙门山断裂带断层泥的高速摩擦性质具有一致性,其高速滑动下显著的滑动弱化必定在汶川地震中极大地促进了破裂的扩展;断层弱化的主导机制是与摩擦生热相关的过程,包括凹凸体急速加热弱化和热压作用;断层泥在经历高速滑动弱化之后摩擦系数可在5~10s内恢复0.4,断层强度的快速恢复是同震主破裂带余震减少的原因之一。基于对实验装置现状和现有成果的分析,展望了近期实验室岩石高速摩擦的发展方向。