使用相对熵研究花岗岩的损伤演化特征

岩石试件表面的视频图像可作为试件表面变形破坏的信息载体。为从试验视频图像中分析出定量的信息,文章提出一种描述岩石损伤演化的新方法:计算基准图像与对比图像的相对熵,用相对熵表征变形和破裂的发展,将相对熵明显上升阶段的起点作为试件损伤演化的启动时刻。根据花岗岩试件室内单轴压缩试验拍摄的试验视频,使用灰度分界阈值分割法得到了试件各细观组分的分布,使用相对熵表征试件中不同位置、不同组分的损伤演化特征,分析了试件全局区域的损伤演化阶段,探讨了损伤演化过程与组分类型、位置之间的关系。结果表明:试件损伤从试件中部开始,先扩展至左下,再扩展至右上;组分损伤的先后顺序为长石、石英、黑云母,且损伤大小顺序为石英＞长石＞黑云母;黑云母损伤从右上开始、然后扩展至中部,石英损伤从中部开始、先后扩展至左下和右上部位,长石损伤从上部开始、先后扩展至中部和下部。     

单轴压缩条件下花岗岩中不同矿物的形状变化

岩石中不同矿物的形状变化反映了岩石的变形破坏过程。在分析花岗岩试样表面图像不同矿物纹理特征基础上,使用室内单轴压缩试验视频图像和灰度分界阈值分割法,研究了单帧图像中不同矿物的分布特征,使用形状参数描述了岩石变形过程中不同成分的形状特征,探讨了不同成分区域形状变化与裂隙扩展过程的关系。结果表明,花岗岩变形过程中圆形度的大小顺序为长石黑云母石英,内切圆半径的大小顺序为黑云母长石石英;离散指数的大小顺序为长石石英黑云母;长石承受了轴向力的主要部分,形状变化与所处位置关系较大;破坏过程中裂隙面积出现大小顺序为长石、石.英、黑云母,裂隙扩展较快时裂隙大多出现在长石和石英区域。     

基于全卷积神经网络的花岗岩中不同组分分布特征分析

岩石中不同组分的分布特征是研究岩石物理力学性质的重要基础。本文以花岗岩为例,使用全卷积神经网络（FCN）和单轴压缩试验视频来研究花岗岩不同组分（裂隙、黑云母、石英、长石）的分布特征。将视频中单帧图像进行灰度转换和像素裁剪后,使用肉眼判定方法将4种组分进行标记并制成基础数据集,建立并训练了相应的FCN,通过对不同卷积层的可视化操作探讨了花岗岩中不同组分的分布情况,研究了整个变形破坏过程岩石中不同组分分布的变化特征,分析了不同组分识别准确率的变化情况及主要因素（网络深度、初始学习率和网络迭代次数）的影响。结果表明,在花岗岩的整个变形破坏过程中,裂隙首先在中部区域萌生、最后纵向贯穿整个岩石表面,黑云母组分分布分散且不断向左上方或右上方移动,石英主要集中在两侧区域,长石主要集中在中间和左上角区域;不同组分识别准确率逐步小幅度下降,准确率大小顺序是裂隙>黑云母>长石>石英;网络深度越深、初始学习率越大、则识别效果越好,迭代次数5000时的识别效果较好。研究结果对使用人工智能技术研究岩石中不同组分分布特征具有一定的参考价值。     

花岗岩变形破坏过程中不同细观组分的分形特征

岩石变形破坏过程取决于不同细观组分的变化,可以用分形特征来反映。根据单轴压缩试验时拍摄的试验视频,把花岗岩变形破坏过程分成变形阶段、破坏时裂隙较少、破坏时裂隙较多等三个阶段,采用阈值分割法得到不同组分的实际分布,采用盒维数法计算简单分形维数,采用广义和多重分形谱分别表征广义和多重分形维数,研究了不同细观组分分形维数的变化情况。结果表明,在变形阶段,黑云母和长石简单分形维数基本稳定、但石英的变化较大,长石和石英不均匀指数基本稳定而黑云母的变化较大;在破坏阶段、裂隙较少时,黑云母和石英简单分形维数突然增大、但长石的却突然减小,黑云母不均匀指数和形状指数突然减小、但长石和石英的却突然增大;在破坏阶段、裂隙较多时,三种组分的形状指数变化都较大。研究成果对分析岩石变形破坏机理具有一定的参考价值。     

使用试验视频图像研究花岗岩中不同矿物成分的变化特征

结合灰度分界阈值分割法和粒子图像测速技术,对单轴压缩条件下花岗岩变形破坏过程中不同矿物成分(黑云母、长石和石英)的变化特征进行了研究。由室内单轴压缩试验获得花岗岩变形破坏过程的试验视频图像;由灰度分界阈值分割法获得视频图像中岩石表面不同矿物成分的位置;使用粒子图像测速技术得到岩石表面不同时刻的位移;采用应变计算公式的差分格式得到不同位置不同方向的应变大小;在此基础上,研究了不同变形阶段岩石中不同方向应变的变化特征及其与矿物成分分布的关系。结果表明:裂缝出现前,花岗岩表面各矿物成分变形方向主要沿水平方向;裂缝发展过程中,长石变形方向主要是竖直方向,石英变形方向主要是水平方向;三种矿物成分中,最大主应变从大到小的顺序为黑云母、长石、石英。     

基于CT图像的花岗岩矿物组分与细观结构分析

获取准确的岩石矿物组分与细观结构特征,对从细观层面认识岩石宏观力学性质具有重要意义。CT扫描技术是研究岩石矿物细观结构的有力工具。本文采用高分辨率三维CT扫描系统,获得了花岗岩CT扫描图像;采用阈值分割的方法,综合X射线衍射试验结果确定合理的分割阈值,实现了对花岗岩CT灰度图像的三值化分析;最终获得了花岗岩的主要矿物含量与细观结构特征。研究结果表明:选择合理的分割阈值,可实现花岗岩主要矿物石英、长石、云母的自动识别和定量分析;基于三维重构模型,可获得不同矿物的形状、粒径和空间分布特征。本文方法对定量测试岩石矿物组分和认识其细观结构具有一定的参考意义和价值。     

新疆苏吉泉球状石墨矿床成矿模式

东准噶尔苏吉泉石墨矿赋存于黄羊山复式花岗岩体的黑云母碱长花岗岩和角闪碱长花岗岩接触带,构成NW向延伸的长英质石墨混染带.矿体多呈不规则透镜状,平面上为短轴或近似等轴状,主矿体附近发育有巢状或小透镜状矿体.矿石多具球状构造,石墨球体间为石英和长石组成的致密长英质胶结物,球体除石墨外还有含量不等的粗粒自形长石、石英和云母等.利用X射线粉晶衍射技术、DTA分析及显微镜下观察,对该矿床特征进行研究并与国内其他石墨矿床进行地质学、矿物学研究对比,发现其晶胞参数和晶胞体积最小,放热峰起始温度最高及有序度最好.结合前人δ13C同位素分析结果,认为成矿物质为有机碳,矿床属岩浆成因.     

安徽省绩溪黑云母二长花岗岩中高铁铁橄榄石大斑晶的研究

高铁铁橄榄石大斑晶产在安徽省绩溪县黑云母二长花岗岩中。岩石呈细粒花岗结构,矿物成分为条纹长石、更长石、石英和黑云母。大斑晶最大粒径可达5cm,其中含有微小的磁铁矿自形晶,呈浸染状或断续脉状。在表生条件下,高铁铁橄榄石局部氧化成褐铁矿。大斑晶的外形、颜色和光泽等酷似黑钨矿。 大斑晶形成于上地幔高温高压条件下,先从花岗岩浆中结晶出铁橄榄石的高压变晶,岩浆沿深断裂向上部运移过程中,随着氧分压的增加而氧化成高铁铁橄榄石。     

基于Otsu图像处理的岩石细观模型重构及数值试验

基于大津法(Otsu)多阈值分割方法,利用数字图像处理技术获取了花岗岩细观结构的表征图像,并结合颗粒流程序,重构了反映岩石非均质结构特征的细观模型。通过单轴压缩试验,分析了花岗岩的失稳破坏过程,并研究了细观结构强度对宏观强度及破坏形态的影响。研究发现:花岗岩试件失稳破坏过程中存在4种裂纹形式,加载初期首先产生界面裂纹,其次是云母裂纹,长石和石英在应力接近极限强度时才破坏;当增大胶结界面或矿物强度时,花岗岩的抗压强度随之增加,但增加梯度逐渐减小;胶结界面或3种矿物细观强度的增大会使该结构处裂纹数量减小,而增加其他结构处的裂纹分布;相对于中等强度的长石和高强度的石英,低强度的胶结界面和云母矿物对花岗岩宏观强度和破坏形态的影响较大,是关键细观结构。将Otsu图像处理技术与颗粒流程序相结合,建立反映岩石真实结构的细观模型,为研究岩石非均质性对宏观力学特性的影响提供了一种有效手段。     

文象花岗岩的成分、结构和成因机制

文象花岗岩具有特殊文象结构,研究其三维拓扑结构和形成过程有助于了解花岗质岩石的结晶作用.以北京周口店房山岩体和湖北罗田蕙兰山的文象花岗岩为研究对象,综合利用光学显微镜、扫描电镜、电子探针和电子背散射衍射等技术方法,对岩石矿物组成、结晶学取向和拓扑结构进行了系统研究.结果表明:(1) 文象花岗岩的矿物组成与其形成地质环境有关,石英和长石的含量变化范围很大,其中石英含量通常在20%~45%,但是相同地区同期形成的文象花岗岩具有相对稳定的矿物组成;(2) 长石作为寄主矿物通常呈半自形－自形粗大晶体,可以是碱性长石或斜长石,其端元组分以钾长石和钠长石为主,低温下常分解为条纹长石;(3) 石英在长石寄主矿物中规则穿插生长,在三维空间通常呈近似平行板状、长条状/柱状或非连通枝杈状,并只在特定岩石断面形似象形文字;(4) 正交偏光显微镜下,石英可以具有多种消光位,但是通常在一定范围内同时消光;(5) 石英普遍发育道芬双晶,偶见日本双晶;(6) 条纹长石中钾长石与钠长石对应(100)、(010)、(001) 面和[001]轴近似平行;(7) 多数石英颗粒与寄主长石之间具有密切结晶学取向关系,即石英[1123]轴近似平行长石c[001]轴.该研究证实文象花岗岩是石英和长石同时生长的结果,而长石作为寄主矿物影响并控制着石英的成核与生长方向.      

扫描电子显微镜对花岗岩中主要矿物裂隙作用的研究(英文)

微裂隙对于岩石的物理性质有重要影响.通过光学显微镜对显微裂隙进行的观察,难以将薄片的制作过程中产生的裂隙同自然裂隙区分;其次,观测的裂隙大小限制在0.1mm或以上数量级,一些重要细节观察不到.扫描电镜的高放大倍数和三维分辨率使其成为适合于裂隙研究的理想工具.利用扫描电镜观测了浙江花岗岩在室温下由51.6MPa压力产生的裂隙的发育过程.观察花岗岩的表面以研究其微裂隙和矿物的解理、晶形及破裂作用.微裂隙分为3种类型:晶体内裂隙(完全发育在颗粒内部),晶体间裂隙(穿过颗粒边界进入其他颗粒中),颗粒边界裂隙(沿颗粒边界发育或与边界重合).本研究中的花岗岩为中—粗粒(1～6mm),经过蚀变,约含40%斜长石,25%钾长石,25%石英,10%镁铁矿物(主要为黑云母和白云母).(1)石英裂隙表面的石英颗粒具有边界破裂和贯穿颗粒破裂.贯穿石英颗粒的破裂常呈贝壳状断口.变形集中带与滑动面相伴,其上发育有擦痕和沟槽,这是石英典型的脆性破裂类型.石英矿物的贝壳状破裂产状指示其变形作用早期的碎裂作用,在变形作用中发生交代作用.一些平滑的破裂面上没有石英颗粒的微裂隙构造,但在石英表面却有明显的擦痕面,可指示应力的方向.由于石英的各向异性,这些面也是由贯穿颗粒破裂所形成.一些开放的裂隙集中于石英晶体之中或沿     

扫描电子显微镜对花岗岩中主要矿物裂隙作用的研究

微裂隙对于岩石的物理性质有重要影响.通过光学显微镜对显微裂隙进行的观察,难以将薄片的制作过程中产生的裂隙同自然裂隙区分;其次,观测的裂隙大小限制在0.1mm或以上数量级,一些重要细节观察不到.扫描电镜的高放大倍数和三维分辨率使其成为适合于裂隙研究的理想工具.利用扫描电镜观测了浙江花岗岩在室温下由51.6MPa压力产生的裂隙的发育过程.观察花岗岩的表面以研究其微裂隙和矿物的解理、晶形及破裂作用.微裂隙分为3种类型:晶体内裂隙(完全发育在颗粒内部),晶体间裂隙(穿过颗粒边界进入其他颗粒中),颗粒边界裂隙(沿颗粒边界发育或与边界重合).本研究中的花岗岩为中-粗粒(1~6mm),经过蚀变,约含40%斜长石,25%钾长石,25%石英,10%镁铁矿物(主要为黑云母和白云母).     

The examination of fracturing process subjected to triaxial compression test in Inada granite

The behavior of a granite subject to a triaxial compression test ranging from the prefailure stage to the postfailure stage was studied using a fluorescent technique from the geological point of view. Microscopic observations of the specimens at different stages showed changes in the failure process. The start of formation of new microcracks paralleled the compression direction through their propagation until the onset of faulting and ended with the failure of shear zones after the strength failure point. Pores chiefly identified in the feldspar increased in length and width in the early stages, but not in number. It seems that the effect of pore spaces did not have any effect of failure. The microcracks generated on angular edges of quartz or feldspar grains and around biotite grains with increasing compression force. The phenomenon appearing on the crystal boundaries among biotite and quartz or feldspar agrees with the result calculated based on the theory on stress fields with ellipsoidal inhomogeneity suggested by Eshelby.     

使用长短期记忆人工神经网络进行花岗岩变形破坏阶段的判别

判别岩石所处的变形破坏阶段是分析岩石变化过程的重要基础。由于室内试验视频数据具有很好的等时距分布特征,可以使用基于长短期记忆的神经网络（LSTM-NN）模型判别外荷作用下岩石的变形破坏阶段。本文根据花岗岩室内单轴压缩试验所得应力-应变曲线和试验视频图像中裂隙的分布情况,将岩石变形破坏过程分成岩石压密阶段、弹性变形阶段、裂隙扩展阶段、整体破坏阶段,在提取不同阶段不同组分主要数字特征参数（面积）基础上,建立了基于LSTM-NN模型的岩石变形破坏阶段分类网络,分析了模型主要参数（学习率和最大周期等）对分类准确性的影响,使用所建模型对岩石所处变形破坏阶段进行了判别。结果表明,在LSTM-NN模型参数中,学习率和最大周期对变形破坏阶段判别准确率的影响较大,二者分别为0.005和200时的判别准确率达到最高;对于整个变形破坏阶段来说,LSTM-NN模型对裂隙扩展阶段预测的判别效果最好、对整体破坏阶段预测的判别效果最差;对于花岗岩中不同组分来说,LSTM-NN模型对变形破坏阶段预测准确性高低的顺序是裂隙、黑云母、长石、石英。     

Application of scanning X-ray analytical microscope to the petrographic characterization of a ductile shear zone: an alternative method to image microstructures

A ductile shear zone within a metasomatic biotite band in the Ryoke granite, Teshima, SW Japan, has been studied using the scanning X-ray analytical microscope (SXAM). This enabled the quantitative distributions of major elements, such as Si, K, Fe, Al and Ca, to be determined within the shear zone. These element maps were processed to transform them into images showing the distribution of minerals such as quartz, biotite, plagioclase and K-feldspar, which form the major minerals within the biotite band and the granite protolith. Mineral profiles based on these mineral maps compared with the simple shear strain profile reveal that the shear zone is most intense where quartz and biotite have been substituted for the primary mineral assemblage of the granite protolith, suggesting that the stresses imposed on the granite caused the shear strain to localize along the biotite band to produce the observed shear zone. It appears that the rheological behavior changed around 50–60% of quartz modal composition.     

新疆拜城县波孜果尔A型花岗岩类矿物学特征及岩浆形成的温度条件

新疆拜城县波孜果尔A型花岗岩类为富含铌、钽、锆等有用元素的含矿岩体。通过偏光显微镜、电子探针(EPMA)化学成分分析、电子探针背散射(BSE)对波孜果尔A型花岗岩类的矿物学特征进行了研究,并对岩浆形成的温度条件与构造背景进行了讨论。结果表明,波孜果尔A型花岗岩类包括霓石钠闪石英碱性长石正长岩、霓石钠闪碱性长石花岗岩、黑云母碱性长石正长岩3种岩石类型。主要造岩矿物包括石英、钠长石、钾长石、霓石、钠铁闪石和铁叶云母。副矿物包括锆石、烧绿石、钍石、萤石、独居石、氟碳铈镧矿、磷钇矿等。岩浆平均温度832~839℃,形成于非造山的板内构造环境,且具高温、无水、低氧逸度的成岩特点。     

矿物粒径对花岗岩单轴压缩特性影响的试验与模拟研究

高放废物深部地质处置目前受到世界各国的高度重视。花岗岩是我国高放废物地质处置工程的候选围岩,深入了解处置库花岗岩的强度及破坏特性对于处置系统的设计及性能评价具有十分重要的意义。作为矿物颗粒的集合体,花岗岩是一种由石英、长石和黑云母等矿物组成的非均质岩石,矿物粒径对其宏观力学特性影响明显。以我国高放地质处置库预选区阿拉善花岗岩为例,选取矿物粒径差异明显的似斑状花岗岩和中粒花岗岩两类岩石,采用单轴压缩试验与数值模拟相结合的方式研究了矿物粒径对岩石力学特性的影响。单轴压缩试验在MTS815岩石力学试验系统进行,数值模拟采用基于离散元的颗粒流程序PFC2D完成。数值模拟过程中,以试件表面图像为基础,采用数字图像处理技术获取岩石内部矿物组分的实际空间分布,从而建立了精确反映花岗岩内部矿物种类及其空间位置的数值模型。利用该模型对花岗岩的单轴压缩试验进行了数值模拟,并与试验结果对比,论证了模型的可靠性。试验及模拟结果表明,阿拉善花岗岩破坏形式为脆性张拉破坏,裂纹大多平行于轴压方向,数字图像数值分析方法可真实地反映材料细观结构。矿物粒径对材料力学特性的影响主要表现为:细粒、等粒结构的岩石强度高,粗粒、不等粒结构的岩石强度低。研究成果可为掌握矿物粒径对岩石强度及变形特性的影响提供依据。     

Microscopic observation and contact stress analysis of granite under compression

To study the damage process of microscale to macroscale in coarse-grained granite specimen under uniaxial compressive stress, we have observed micro-damage localization and propagation by using a newly developed experimental system that allows us to observe the damaging process continuously.

The results showed that pre-existing microcracks lead to macroscopic shear fracture through the damage development process. The mechanism of micro-damage initiation in a granite specimen under uniaxial compressive stress may be considered for two cases. One is that two grains such as quartz and feldspar contact each other in the same direction as the axial stress, and the other is that a biotite grain inclined to the axial stress direction is surrounded by feldspar grains. The homogenization theory was applied to verify numerically the micromechanics of stress-induced damage in the mineral contacts. Local stress distribution in the periodic-micro structure was also calculated by the homogenization theory. It is shown that this analysis, which takes into account the initial state of the specimen, is well adapted to the behavior of two grains for which microcracking is the fundamental mechanism of damage.