断层脆塑性转化带变形机制与裂隙愈合实验研究

开展断层脆塑性转化带的变形机制、断层带流体-岩石相互作用、断层愈合作用等研究,对理解间震期、同震加载、震后滑动阶段断层的变形机制转化、强震孕育和发生具有重要意义。笔者采用Carrara大理岩,在温度300~700℃、围压300 MPa和600~800 MPa、应变速率1×10-4/s~1×10-5/s和1×10-7/s~2.5×10-6/s、水含量0.005%~0.01%和0.1%~0.5%条件下,开展了轴向压缩变形实验与裂隙愈合实验。通过偏光显微镜、扫描电镜与能谱分析,研究了实验变形样品的微观结构与变形机制,讨论了水、温度、围压、应变速率对脆塑性转化和变形机制的影响,以及裂隙愈合对断层强度和流体压力变化的制约作用。实验结果表明:(1)Carrara大理岩在低温(300~400℃)、低应变速率和高含水条件下发生了压溶,其中,在低温低应变速率(1×10-7/s)条件下为压溶蠕变,在低温中等应变速率(5×10-7/s)条件下为压溶+碎裂流动。(2)在低温(400℃)、中-高应变速率和低含水条件下发生了位错滑移(双晶滑移、机械双晶)与碎裂流动,局部伴有压溶作用。(3)在中温(500℃)、各应变速率和各含水条件下发生了位错滑移(双晶滑移、机械双晶)与动态重结晶作用。(4)在高温(600~700℃)条件下,动态重结晶作用成为主要变形机制。(5)在压溶和动态重结晶作用下,在脆性变形阶段产生的裂隙与孔隙被愈合。断层强度恢复程度受裂隙和孔隙愈合程度控制。温度、水和应变速率对大理岩脆塑性转化和变形机制的影响非常显著,在相同温度与应变速率条件下,水降低了样品强度,促进了压溶和塑性变形。增加应变和水含量,能够显著促进裂缝和孔隙愈合。根据实验结果推测:在快速变形的同震和震后滑动阶段,断层脆塑性转化带以碎裂变形为主;在缓慢变形的间震期,断层脆塑性转化带以压溶和动态重结晶为主。在塑性变形作用下,同震滑动产生的裂隙被愈合,不仅恢复了断层带强度,而且为断层带内部形成高压流体创造了条件。     

辉长岩脆-塑性转化及其影响因素的高温高压实验研究

本文利用高温高压多功能三轴实验装置,以NaCl为固体围压传压介质,在围压为450MPa~800MPa,温度区间为600℃~1150℃和应变速率为1×10-4~3.125×10-6/s条件下,对攀枝花辉长岩进行了流变学实验研究。实验结果表明,辉长岩围压在450MPa~800MPa条件下,温度在600℃时为脆性变形,700℃~850℃时为半塑性流动,含微破裂,大于900℃时为塑性流动。辉长岩的脆-塑性转化温度为700℃~900℃,主要影响因素为温度、围压和应变速率,同时存在双相流变学问题。      

人造多晶冰三轴压缩强度特性试验研究

为研究冰的三轴强度特性,对人造宏观各向同性冰进行了不同温度和不同围压下的恒定加载速率三轴压缩试验,得到多晶冰三轴压缩的应力-应变曲线、抗压强度与温度之间的关系,利用莫尔-库仑强度准则分析了温度和围压对强度参数的影响.结果表明：轴向应变加载速率为1.67×10-4 s-1时,不同温度、不同围压下冰的应力-应变曲线均为应变...     

辉绿岩脆-塑性变形转化的高温高压实验研究

以天然叶腊石为传压介质, 在温度800~100 0℃、围压0.6~1.0 GPa和应变速率10-4~10-5 s-1条件下, 对Maryland辉绿岩的脆性-塑性转化进行了实验研究.实验结果表明, 在10-4~10-5 s-1应变速率和固定围压1.0 GPa条件下, 当温度低于800℃时, 岩石变形为典型脆性破裂; 温度高于1000℃时岩石变形以准稳态蠕变为主; 温度在800~950℃之间, 岩石变形从脆性破裂向准塑性流动转化.温度变化对岩石脆-塑性转化影响敏感度高于压力变化对变形的敏感度.显微构造观察显示, 辉绿岩脆-塑性转化以稀疏弥漫状共轭塑性流动网络为特征.      

人工冻土围压SHPB试验与冲击压缩特性分析

利用分离式Hopkinson压杆（SHPB）,以铝质套筒作为围压装置,分别研究温度为-8、-12、-16 ℃在不同应变率下的人工冻结黏土围压状态变形特征和轴向动态应力-应变关系。研究结果表明：在围压状态下,冻土呈黏塑性破坏特征;当人工冻结黏土温度为-16 ℃、平均应变率分别为410、457、525、650、827 s-1时,其最大应力分别为10.76、12.18、14.27、20.24、23.34 MPa,最大应变分别为0.081 7、0.097 2、0.105 0、0.131 0和0.166 0,表现出较强应变率效应;-12 ℃和-16 ℃时在应变率为457 s-1下的最大应力分别为8.28 MPa和12.18 MPa;当应变率相同时,温度越低,最大应力越大,冻结黏土表现出较强的温度相关性。人工冻土的动力学特性为冻土开挖方法的研究提供依据。     

大变形橄榄石动态重结晶的实验观测研究

本文利用高温高压大变形扭转实验,对富铁橄榄石大变形情况下的动态重结晶和颗粒尺度变化的特点进行了实验观测分析.富铁橄榄石集合体由纯铁橄榄石Fa100和圣卡罗橄榄石Fa10混合物经人工合成得到,试件的几何形状为圆柱体,直径9.6mm,高度4.86mm.实验在常角速率条件下进行,温度为1473K,围压为300MPa,剪应力为72 ～ 99MPa,剪应变率为1.35×10-4～3.11×10-4s-1,累积剪应变为3.98.对变形后样品的微结构进行了光学和扫描电镜的观测分析,得到橄榄石颗粒随应变增加而产生动态重结晶的具体物理图像,由EBSD观测结果给出了晶格取向随外加应变增加而产生的变化过程,利用两种统计方法得到了颗粒尺寸随应变增加而变化的过程,探讨了橄榄石动态重结晶的微观机制.与已有三轴压缩、简单剪切以及圣卡罗橄榄石的扭转变形结果进行了对比分析,同时对实验结果在地球物理方面的应用进行了讨论.     

三轴应力状态下盐岩强度分析探讨

通过分析盐岩在三轴应力状态下的变形,说明了较高围压下盐岩的大变形特性,提出了三轴应力状态下,利用轴向荷载除以试件初始横截面面积得到应力-应变关系存在的问题,据此对工程应变和对数应变进行了分析和对比,阐明了这两种应变的适用条件,并开展了不同围压下的试验测试和对试验结果对比分析。研究揭示了应利用对数应变分析盐岩的大变形特性和对变形后的应力进行修正,得到了盐岩的工程应变和对数应变均可表示为围压的线性函数,围压为20 MPa时的轴向压缩变形量是5 MPa时的3.09倍。围压越高,对数应变修正得到的最大轴向应力与不修正的差值越大,用对数应变修正后的轴向应力低于不修正的结果,围压达到20 MPa时,前者仅为后者的63.85%。     

循环荷载作用下高温-高含冰量冻土特性试验研究

为了研究高温-高含冰量冻土这种极不稳定土体的动力学特性,开展了固结围压为0.3、0.5、1.0、3.0、5.0 MPa,控制温度为-0.5、-1.0、-2.0、-4.0 ℃、初始含水率为50%的高含冰量青藏线重塑冻土的动三轴试验。根据试验结果,提出了用广义的双曲线模型来描述动应力-应变关系,并且给出了模型参数预报关系式;基于动弹性模量和轴向应变之间的非线性关系,提出?3 =0.5 MPa为临界围压。当围压大于0.5 MPa时,动弹性模量随着动应变的增大呈减小的趋势;当围压小于0.5 MPa时,动弹性模量随着动应变先增大后又减小;此外,动阻尼比随应变幅值和围压的增大而增大,随着温度的降低,动阻尼比变小。     

宿县矿区祁南矿中煤级煤高温高压变形实验研究

为了深刻揭示构造作用下煤中孔、裂隙结构演化特征与机理,采集淮北宿县矿区祁南矿原生结构煤煤样,开展煤的高温高压变形实验(围压50 MPa,温度100～200℃,应变速率1×10~(-3)～5×10~(-6)/s,应变量10%～20%)。通过对温度、应变速率和应变量对煤变形的影响和实验变形煤孔裂隙结构特征分析,结果表明:温度增高,煤的塑性增强,温度达到200℃时,煤变形发生脆-韧性转变;煤的强度随着应变速率降低而减小,从而更容易发生变形;应变量增大加剧了煤脆性或韧性变形程度。同时,温度、应变速率和应变量也影响着煤的孔裂隙发育。随着煤变形程度的增强,显微裂隙越发育且组合越复杂,总孔容呈波动式变化,微孔孔容和比表面积在脆性变形时不断增大,后在韧性变形初级阶段时有减小的趋势。     

差应力状态对岩石熔融程度的影响--以黑云母片麻岩的动、静态熔融对比实验为例

以河北省平山县阜平群的黑云片麻岩为实验样品,有差应力条件下的动态实验,围压10MPa,温度800℃条件下,施加相当于差应力为O～25MPa,且以每5MPa为间隔进行了天然块状岩石样品的动态熔融,在相同的围压条件下,温度由800～900℃每20℃为间隔,进行了无差应力条件下天然块状岩石的静态熔融实验,并进行了对比研究。结果表明,在相同温度条件下,岩石的熔融程度随着差应力的增加明显增高,当差应力达到25MPa时,800℃条件下岩石的熔融程度与900℃静态熔融条件下岩石的熔融程度相当。实验力学分析计算表明,动态实验中构造附加压力增加了围压,差应力每增加5MPa相当于1．67MPa的增压,其与静态实验中温度升高20℃的效果一样。该实验结果对研究岩石深熔作用的深度问题有一定的参考意义。     

橄榄石集合体扭转大变形实验研究

对(Mg0.5,Fe0.5)2SiO4和(Mg0.7、Fe0.3)2SiO4橄榄石集合体进行了高温高压扭转大变形实验研究.试验在高精度和高分辨率Paterson气体介质变形试验机上进行,试验温度为1473K,围压为300MPa,应变率为10-4～10-5S-1,剪切应力为82～124MPa,剪切应变为～400%,将变形后试件沿轴向切开进行了显微结构分析,确定了不同纵截面上橄榄石的颗粒尺寸.由蠕变数据拟合出的流动律中,应力指数为与三轴压缩实验给出的应力指数吻合.利用EBSD方法分别对变形前后试件中橄榄石的晶格最优取向(LPO)进行了测定.在富铁橄榄石样品中观测到的最优晶格取向表明滑动属于(okl)[100]滑动系统.这个结果与Bystficky等人在Fo90种观测到的最优晶格取向特征是一致的.     

1.0 GPa、高温下岩石熔融玻璃的弹性波速测量及其地球物理意义

利用超声波反射法,在1.0GPa、最高温度分别达900℃和730℃条件下,测量了岩石成分从酸性到基性的7种熔融玻璃的纵波波速(vp)和横波波速(vs)随温度的变化。实验过程证明,高压下升温过程中样品被压缩导致了样品中弹性波走时减少,而降温过程中样品长度基本保持不变。结果显示,1.0GPa下,随实验温度升高,不同成分玻璃的vp首先以-0.2×10-3km.s-1.℃-1到-0.7×10-3km.s-1.℃-1不等的速率缓慢降低,而其vs多以-0.1×10-3km.s-1.℃-1速率随温度升高而降低。当温度高于玻璃转变温度(Tg)后,玻璃的vp开始以-0.8×10-3km.s-1.℃-1到-3.6×10-3km.s-1.℃-1不等的速率快速下降。根据玻璃vp随温度变化速率的改变,拟合出这几种玻璃的转变温度从584℃到654℃。由实验获得的玻璃波速,利用Voigt-Reuss-Hill(VRH)平均计算出下地壳岩石中玻璃的存在将降低岩石的波速,并由此为下地壳低速层提出一种新的解释,即非晶质体的存在可能在下地壳形成地震波低速层。     

高温作用后花岗岩三轴压缩试验研究

为综合考察温度、围压对花岗岩力学性质及破坏方式的影响,在高温（25℃～1 000 ℃）作用后,利用MTS815.02电液伺服材料试验系统对花岗岩岩样进行不同围压作用下的三轴压缩试验。研究结果表明,（1）围压一定时,经历不同高温作用后花岗岩三轴压缩全应力-应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏、塑性流动5个阶段;（2）经历不同高温作用后岩样三轴抗压强度与围压呈非线性二次多项式增长关系,围压为40 MPa时的抗压强度比单轴抗压强度提高了382.30%;常规三轴压缩条件下,400 ℃是花岗岩力学参数的阀值温度;（3）经历高温作用后,岩样弹性模量随围压升高呈增大趋势,围压为40 MPa时的弹性模量比单轴时提高了90.26%;随温度升高呈二次非线性减小,1 000 ℃时的弹性模量比25℃时降低了57.16%;（4）花岗岩的失稳型式同时取决于围压和温度。单轴压缩状态下,随着温度的升高,岩样变形破坏型式由脆性破裂向塑性变形过渡,失稳型式在低温时为突发失稳、中高温为准突发失稳,温度高于800 ℃为渐进破坏;三轴压缩状态下,随着围压的增大,岩样破裂型式由脆性张拉破裂逐渐向剪切破裂过渡,岩样的失稳型式以突发失稳为主。在试验温压范围内,影响花岗岩力学性质的首要因素是温度,其次是围压。     

冻结和林黄土力学性质的试验研究

对饱和冻结和林黄土在-2℃的温度条件下进行了单轴压缩试验和围压范围为1~5MPa的三轴压缩试验。试验结果表明：单轴压缩的应力应变曲线为应变软化型曲线,而三轴压缩试验中各围压下的应力应变曲线均为应变硬化型曲线,围压主要影响冻结和林黄土的初始变形行为,而对后期的变形影响不大;各围压下冻结黄土的体积应变都呈现出先体缩后体胀的特征,总体变均较小;围压对冻结和林黄土的屈服极限和强度影响不大;研究了初始切线模量的确定方法,用修正的Duncan-Chang模型对不同应变范围内的试验数据进行拟合,并由此确定了相应的初始切线模量,发现在0~4%应变范围拟合试验数据确定初始切线模量最为合理。     

沁水盆地煤岩高温高压实验变形特征

对沁水盆地不同地区选取的5组煤岩样品进行高温高压变形实验,结果证实,在相同的实验条件下,(1)采自不同地区的煤岩强度在较低温压条件下表现出一致性,在较高温压条件下显现出差异性;(2)高煤级煤No.3煤样在某一温压条件下（100℃、100MPa）,应力应变强度都是最低的,为煤岩组分影响的结果。在不同的实验条件下, 煤岩在高温高压条件下（温压大于200℃、200MPa）,随着温度与围压增高,应力应变强度在降低,但这主要是温度影响的结果。在温压为100℃、100MPa和500℃、500MPa时,煤岩应力应变强度均很低,但却存在着本质的差别:前者产生的应力应变强度只有部分真实地代表了煤岩的强度（应变量ε<3％）,而持续的应力应变强度（应变量ε>3％）则是围压作用的结果;后者煤岩低应力应变强度显示出明显的韧性状态, 主要表现在温度对煤岩产生的影响。     

叶蛇纹岩脆性-半脆性破裂研究

利用Paterson气体介质高温高压流变仪对纯叶蛇纹岩在100~400MPa围压、25~700℃温度和10-5~1.5×10-6s-1应变速率下进行了三轴压缩变形实验。实验结果表明叶蛇纹石在低压条件下表现为脆性破裂,高压或脱水条件下表现为半脆性破裂。随着温度的增加,叶蛇纹石的强度显示逐渐降低的趋势;尤其在脱水条件下,温度的增加可导致叶蛇纹石强度大幅度地降低,而且此时预热时间对强度的影响比未发生脱水时更加显著。结合前人的研究并对比发现,围压在室温下的增加导致叶蛇纹岩强度增加;但在高温下围压的增加导致试样强度整体上降低,这很可能是试样内聚力的局部损失与韧性增强引起的。围压和温度的升高,以及断层面上流体的增加很可能会增加破裂面的韧性,从而减小摩擦系数。此外,叶蛇纹石并非以往人们所认为的那样具有极低的强度,其强度要比低温蛇纹石(如利蛇纹石和纤蛇纹石)的大得多,即便在高温(大约600℃)下差应力大于约600MPa和中-低温(≤400℃)下差应力大于约1000MPa时仍没有表现出明显屈服的迹象。在脱水条件下,蛇纹岩并没有发生脱水致脆,相反脱水使得试样的断裂行为变得更加温和些。因此,俯冲带蛇纹岩脱水更可能诱发其周围更加脆性的岩石发生地震而不是脱水的蛇纹岩本身发生地震。     

天然淡水冰断裂韧度的试验研究

为满足按照断裂力学方法进行静冰压力分析的需要,对淡水冰的断裂韧度进行了系统的试验研究.三点弯曲试件采用天然原型冰制作,试验温度为-2℃和-8℃,应变率为6.25×10-5s-1、6.25×10-6s-1和6.25×10-7s-1,在已公开发表的文献中这是很少涉及的试验参数条件.结果显示:S1型柱状晶粒冰的断裂韧度随着应变率的降低和温度的升高而增加,KIC=86.2～226.0kPa·m1/2,比通常在较低温度和较高速率条件下的测量值有显著的提高.     

主动围压状态人工冻结砂土SHPB试验与分析

为研究主动围压状态人工冻结砂土的动态力学性能,利用直径50 mm变截面分离式霍普金森压杆试验装置,以取自山东济宁某矿-94.52 m处冻结砂土为研究对象,对长径比为0.5的冻结砂土试件进行主动围压状态下的冲击压缩试验,分析了主动围压和应变率对冻结砂土动态力学性能的影响。研究结果表明,无围压状态下,冻结砂土动态应力-应变曲线可分为弹性阶段、塑性阶段、黏性阶段和破坏阶段,冻结砂土呈脆性破坏;主动围压状态下,应力-应变曲线塑性阶段明显增长,无黏性阶段,冻结砂土呈微裂破坏。相同条件下,主动围压状态下冻结砂土的动态抗压强度均高于无围压状态,且随着围压的增大,动态抗压强度逐渐增大;当应变率为220 s~(-1),温度为-15℃时,主动围压为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa的动态抗压强度为无围压状态下的119%、140%、158%和181%。不同主动围压下的应力-应变曲线表现出汇聚现象,汇聚点趋向于无围压状态。冻结砂土的动态抗压强度随应变率的提高而增加。     

内蒙古塔木素地区NNE向韧性剪切带发现及变形时代分析

塔木素地区NNE向韧性剪切带位于塔里木板块东缘与华北板块西北缘板块碰撞拼接边界,呈NNE向展布,长约9 km,宽150～2 500 m。褶皱的糜棱面理、拉伸线理、旋转残斑、书斜构造、"云母鱼"等构造均指示其为右行逆冲走滑剪切。形成温度为300℃～500℃,围压为250～400 MPa,变形变质作用相当于绿片岩相,差应力(σ)为93.7～116.5 MPa。应变速率(ε)为10-17 s-1(300℃)和10-13 s-1(500℃)。主体变形时间在(256.0±1.3)Ma之后,三叠纪之前,为华力西(海西)运动末期产物。     

五莲拆离断层带动态重结晶石英颗粒的分形特征及流变参数估算

五莲拆离断层带中石英韧性变形明显,在野外主要表现为条带状、拔丝状,显微镜下主要表现为多晶石英条带,发育亚颗粒旋转重结晶和膨凸重结晶,剪切带经历了中低温条件下的变形,变形温度为300～450℃。利用分形方法对石英颗粒边界的研究表明,发生动态重结晶的石英颗粒边界具有统计学意义上的自相似性和明显的分形特征,亚颗粒旋转重结晶石英颗粒分维数介于1. 260～1. 319之间,均值1. 276;膨凸重结晶石英颗粒的分维数为1. 217～1. 297,均值为1. 256;根据石英粒径估算出亚颗粒旋转重结晶和膨凸重结晶作用变形阶段的古差异应力,分别为7. 84～21. 58MPa和18. 51～56. 65 MPa;基于分维值计算的应变速率计算公式,获得亚颗粒旋转与膨凸重结晶石英颗粒的应变速率分别为10-8. 4～10-7. 7s-1、10-10. 5～10-9. 7s-1;基于石英流变率计算,亚颗粒旋转重结晶的石英应变速率介于10-12. 88～10-11. 73s-1之间,膨凸重结晶的为10-13. 72～10-12. 46s-1。本地区韧性变形的应变速率大于一般性韧性剪切带应变速率,可能与拆离断层带的快速拆离伸展作用有关。