脆塑性转化带Carrara大理岩断层稳定性的实验研究

为探究脆塑性转化带断层的力学性质和滑动稳定性,本文采用干燥的Carrara大理岩预切断层（saw-cut）样品,在气体介质三轴高温岩石力学实验仪上开展了摩擦实验研究,实验温度70~400℃,围压30~100 MPa,位移速率在0.08 μm·s^-1,0.4 μm·s^-1,2 μm·s^-1之间切换.实验力学数据揭示,不同围压下Carrara大理岩断层摩擦系数随温度变化规律不同：低围压（30 MPa）下,摩擦系数随温度升高先增大后减小,中高围压（≥70 MPa）下摩擦系数则表现为随温度先减小后增大.断层摩擦滑动行为在100~300℃的范围内表现出由稳定的速度强化转化为不稳定的速度弱化,且在400℃左右重新转变为稳定的速度强化.实验后断层滑动面形貌和微观结构分析表明,稳定滑动断层面为高反射镜面,擦痕清晰;黏滑断层面为有光泽的凹凸不平的表面;最高围压下蠕滑的断层面粗糙无光泽,擦痕不可辨别.本文认为受温度激活的塑性变形过程逐步主导了岩石变形,对断层激活发生不稳定滑动至关重要,而高围压则会抑制断层的不稳定滑动.本研究结果不仅为识别野外断层黏滑和蠕滑提供了实验证据,而且为探究强震孕育和发生机理等提供重要的参数.

     

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.     

水对岩石力学性质影响的实验研究

本文回顾了近年来关于水分对岩石力学性质影响的研究领域取得的主要成果,明确了各种研究成果均有一定的适用范围,并指出了有待于进一步探索的问题。     

水对受力岩石变形破坏宏观力学效应的实验研究

为了了解水对受力岩石的宏观力学效应,在MTS电液伺服材料试验系统上,对不同饱水度的砂岩、花岗闪长岩、灰岩和大理岩进行了单轴压缩试验,取得了这几种岩石的单轴抗压强度和弹性模量随饱水度变化的定量结果.结果表明,水对受力岩石的力学效应与岩石中的含水状态是密切相关的,自然状态的砂岩、花岗闪长岩浸水后,其峰值强度和弹性模量随饱水度的增加而迅速衰减,当饱水度达到某一定值时,这两种岩石的峰值强度和弹性模量基本稳定下来;文中用函数Y=Aexp（-Bx）+C对实验结果进行了最小二乘法拟合.实验中求得水饱和状态和自然状态砂岩的泊松比并没有明显差异,说明在宏观上水对该种岩石受力变形的作用是各向同性的.通过10^-5/s和10^-4/s两种不同应变率试验,发现水对受力岩石的力学效应具有时间依赖性,这一特点说明仅从有效应力原理来考虑水对受力岩石的力学效应是不够的,而应考虑应力腐蚀这样复杂的过程.此外,大理岩的试验结果表明,水对受力的碳酸盐类岩石的作用机理是一个值得进一步探讨的问题,它与水对受力的含SiO₂类岩石相比,可能存在差异.     

水对受力岩石变形破坏宏观力学效应的实验研究

为了了解水对受力岩石的宏观力学效应,在MTS电液伺服材料试验系统上,对不同饱水度的砂岩、花岗闪长岩、灰岩和大理岩进行了单轴压缩试验,取得了这几种岩石的单轴抗压强度和弹性模量随饱水度变化的定量结果.结果表明,水对受力岩石的力学效应与岩石中的含水状态是密切相关的,自然状态的砂岩、花岗闪长岩浸水后,其峰值强度和弹性模量随饱水度的增加而迅速衰减,当饱水度达到某一定值时,这两种岩石的峰值强度和弹性模量基本稳定下来;文中用函数Y=Aexp（-Bx）+C对实验结果进行了最小二乘法拟合.实验中求得水饱和状态和自然状态砂岩的泊松比并没有明显差异,说明在宏观上水对该种岩石受力变形的作用是各向同性的.通过10-5/s和10-4/s两种不同应变率试验,发现水对受力岩石的力学效应具有时间依赖性,这一特点说明仅从有效应力原理来考虑水对受力岩石的力学效应是不够的,而应考虑应力腐蚀这样复杂的过程.此外,大理岩的试验结果表明,水对受力的碳酸盐类岩石的作用机理是一个值得进一步探讨的问题,它与水对受力的含SiO2类岩石相比,可能存在差异.     

砂岩变形方式和变形机制的实验研究

在温度为200°—700℃,围压为200—700MPa,恒定应变速率(1×10~(-4)/s)条件下,笔者对长石砂岩和石英砂岩完整的和带预切口的试样进行了变形实验。应力-应变曲线表明,完整砂岩发生了脆性的、脆延性过渡状态的和延性的变形;而带预切口的砂岩在整个实验条件下都发生了稳定摩擦滑动。显微观测表明,岩石变形的主要机制是晶内和穿晶微裂隙的产生和发展。根据实验结果笔者推测,砂岩组成的地壳在地下10km左右的深度有最大破坏强度和摩擦强度;而发育在岩石中的断层的活动一般以稳定摩擦滑动为主。     

水对岩石变形过程中电阻率变化的影响

实验研究表明: 在变形破坏过程中, 干燥砂岩电阻率略有下降, 变化幅度小; 少量含水的砂岩电阻率下降幅度大; 含水量多的砂岩电阻率有下降-上升-下降的变化, 变化幅度又小;而完全水饱和的砂岩除初期电阻率有所下降外, 变化更小。更精确的观察表明: 干燥砂岩, 破裂前电阻率有升高的迹象; 少量含水的样品, 破裂前电阻率单调下降; 含水量较多和水饱和的样品, 破裂前电阻率有先升高后降低的变化。这些有可能给出中短期前兆特征的提示。对电阻率变化的机理给出了解释。     

水对下地壳基性岩脆塑性转化影响的实验研究

研究表明 ,干的基性下地壳处于半脆性摩擦与半脆性流变的过渡状态 ,因此 ,文中采用多种基性岩样品进行了干的和含水基性岩的脆塑性转化实验 ,以深入理解大陆下地壳的力学性质。实验围压 4 5 0～ 5 0 0MPa ,应变速率 1× 1 0 - 4s- 1。实验结果表明 ,济南辉长岩 (样品C)、延庆辉绿岩 (样品D)和含水辉绿岩从 30 0℃到 90 0℃经历了脆性破裂、碎裂流动、半脆性流动和塑性流动几个变形域 ,而细粒攀枝花辉长岩 (样品A)和中细粒攀枝花辉长岩 (样品B)从 70 0℃到 90 0℃经历了半脆性流动和塑性流动 2个变形域。干的辉长岩样品比干的辉绿岩样品发生脆延性转化的温度高 1 0 0℃ ;所有干的基性岩样品的脆塑性转化都发生在 70 0℃ ,但半脆性流动域变形微观结构有差别 ,辉绿岩中斜长石和辉石发生了细粒化 ,并存在强烈的定向 ,形成初糜棱岩结构 ,辉长岩样品的细粒化和定向特征不明显。干的基性岩在以位错滑移为主的高温塑性流变域的强度和微观结构基本相同。水对基性岩脆塑性转化的影响体现在岩石的强度和脆延性与脆塑性的转化温度两方面。在实验温度范围内 ,含水辉绿岩样品的强度远小于干的辉绿岩和辉长     

砂岩和大理岩纵波速度及Q值实验研究

利用新近完成的弹性波参数测量系统,我们在静水压力(常压—32MPa)范围内,对不同饱和度砂岩和大理岩的纵波速度和Q 值进行了测试.结果表明,随着静水压力和饱和度的增加,砂岩和大理岩的纵波速度均增加;砂岩的Q 值随静水压力增加,但随饱和度减小.有关静水压力、孔隙流体对岩石纵波和Q 值的影响机理也作了简要论述.     

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.     

房山大理岩的三轴压缩实验

一般认为:浅源地震可能有两种值得重视的失稳机制,即完整岩石的脆性破裂和沿已有断层面的粘滑。这两种机制都是从相应的实验研究中得到的。 人们可以把实验室研究得出的岩石力学特性进行适当的尺度修正,结合野外岩体中应力测量的结果,根据适当的强度理论对于发生地震的可能程度进行研究,并为捕捉与地震有关的前兆现象提供根据。     

中主应力对击实黄土强度和变形特性的影响

为研究中主应力对击实黄土强度和变形特性的影响,利用空心圆柱扭剪仪对击实黄土进行主应力轴方向为0°的定向剪切试验,重点探讨中主应力系数b对剪切过程中击实黄土强度和变形的影响。试验结果表明,在不同中主应力系数下试样的广义剪应力-应变曲线发展模式基本相同,其曲线差异不显著,剪切后期试样表现出显著的延性特性。中主应力对击实黄土的强度影响较大,b=0.25时归一化强度最大,而b=0.5时最小。当b从0到0.25时强度增加;当b=0.25时强度达到峰值,随着b的继续增加,强度迅速减小;当b=0.5时强度达到最小值,随着b的进一步增加,强度先增大后减小。随着中主应力系数b的增加,击实黄土的有效内摩擦角呈现增大的趋势,强度参数在b=0时最小,b=0.75时最大,b=1(三轴拉伸)高于b=0(三轴压缩)。     

羊屎沟铁岭组大理岩鞘褶皱的变形特征分析

在羊屎沟铁岭组大理岩上发现鞘褶皱垂直于最大主应变轴X轴和垂直于中间应变主轴Y轴的切面,并对其变形特征及形成机制进行了考察和分析,认为,鞘褶皱所反映的韧性剪切作用方向大致为SSE方向150°～160°,且晚于铁岭组大理岩的形成时间。     

不同荷载下新疆库尔勒－托克逊岩石变形强度性质的实验研究

对库尔勒－托克逊大理岩、片麻岩、蛇纹石化橄榄岩、间长岩、花岗岩及火山岩的挤压实验表明，蛇纹石化橄榄岩的强度最小为１６．３３ＭＰａ，其横向形变最大达６．８１×１０－３。火山岩的强度最大为１８０．３１ＭＰａ，其纵向形变最大为３．５×１０－３。蛇纹石化橄榄岩为弹性体。花岗岩类岩石在高压下发生粘滑破裂，这是岩石成分不均匀所具有的脆性特征。岩石强度与荷载速度呈正比。     

在三轴压缩下大理岩循环加载实验的初步研究

在围压10、50、100和200MPa,应变率5×10-5/s和室温条件下,采用山东掖县大理岩岩样,在800t高温高压伺服三轴流变仪上进行了连续加载和循环加载实验.对岩样的残余强度和弹性模量的变化等问题进行了初步研究.得出:在低围压下（<100MPa）,残余强度与超过极限强度后的循环加载次数有关;超过极限强度后加载弹性模量随着非弹性应变的增加而减小,并趋于一个极限值.在高围压下（≥100MPa）,残余强度几乎与超过极限强度后的循环加载次数无关;超过极限强度或者产生应变强化后加载弹性模量几乎不随非弹性应变的增加而减小.     

在三轴压缩下大理岩循环加载实验的初步研究

在围压10、50、100和200MPa,应变率5×10^-5/s和室温条件下,采用山东掖县大理岩岩样,在800t高温高压伺服三轴流变仪上进行了连续加载和循环加载实验.对岩样的残余强度和弹性模量的变化等问题进行了初步研究.得出:在低围压下（<100MPa）,残余强度与超过极限强度后的循环加载次数有关;超过极限强度后加载弹性模量随着非弹性应变的增加而减小,并趋于一个极限值.在高围压下（≥100MPa）,残余强度几乎与超过极限强度后的循环加载次数无关;超过极限强度或者产生应变强化后加载弹性模量几乎不随非弹性应变的增加而减小.     

水对断层摩擦滑动稳定性的影响

在不同含水条件下研究了光面、含脆性物质夹层和含延性物质夹层 3类断层的摩擦滑动行为 ,认为水对断层滑动稳定性和摩擦滑动的速度依赖性有重要影响。建立了含有岩性、围压 (深度 )和含水量 3因素的断层活动稳定性的模式 ,认为脆性断层更多地表现为速度弱化 ,少量水的存在易于出现黏滑 ,高孔隙压时会表现为稳滑 ;半脆性或半延性的断层在少量水或较低孔隙压的情况下会表现出速度弱化 ,也就可能出现黏滑 ,但孔隙压较高后 ,会表现出速度强化 ,滑动也就会是稳定的 ;延性断层多为速度强化 ,不出现黏滑。提出水的进入降低了系统的稳定性 ,水的存在增加了系统的稳定性。这是考虑水或一般流体对岩体或断层活动稳定性影响时需要考虑的两个方面     

ENSO和长江大水对天文因子的响应研究

ENSO（厄尔尼诺和南方涛动的总称）对世界尺度的天气气候有影响,本文用概率论统计检验方法,查明长江大水与ENSO以及ENSO与天文因子的相关关系,并系统分析了三者之间的相关关系。结果表明:ENSO事件对天文物理主周期和天文特征有明显的响应,长江大水年对太阳活动特征、节气日的月相年变化和ENSO也有显著的响应关系。这些关系对长江大水的准确预测有重要价值。文中对天文物理因子对ENSO和大水的影响机理进行了探讨。     

大理岩的剪切波分裂对差应力变化响应的实验研究

利用ＤＺ９５型多通道瞬态波形记录仪和ＧＣ－１００型工程多波参数分析仪,对山东莱州大理岩进行了剪切波分裂观测研究．通过两组岩样的测量,在带有自然优势定向排列裂缝的岩样在无加载状态下发现剪切波的分裂现象,而带有优势层理走向的完整岩石则在加载到一定程度下才能观测到剪切波的分裂．随着载荷的增加,多数岩样在临近破坏时都记录到剪切波分裂的时间延迟有一个迅速的抬升,但抬升之前的变化过程不同,不同位置的观测结果也大不相同．实验还发现,在一定压力下,即使载荷保持不变或卸载一加载,岩石中剪切波分裂的时间延迟仍然增加,我们称之为“惯性生长”．在实验中,还少量地记录到一些声发射事件,和人工源的效果一样,也可在接收波形中清楚地分辨出剪切波的分裂．