高温高压岩石三轴(固体传压介质)实验装置

为模拟地壳上地幔的温度压力条件,研究岩石的物理力学性质,国外已建立不同类型的三轴实验装置。其中以采用固体传压介质的三轴实验装置所能达到的温度和围压较高,而且结构简单。我们参考D. T. Griggs装置的基本原理,在组装和紧固方式、冷却系统等方面进行了改进,建立了高温高压岩石三轴实验装置(图版Ⅰ),第一次为我国地壳动力学的研究提供了中、下部地壳的温度压力实验条件     

盐用做高温高压实验传压介质一种新方法

固体传压高温高压岩石三轴实验中，固体传压介质是影响实验结果的重要因素，ＮａＣｌ介质以它流动性好，围压均匀等特点，八十年代以来越来越受到人们青睐。本文用ＮａＣｌ介质在〈３ＧＰａ固体传压三轴流变仪〉上进行了高温高压岩石流变特性的实验研究，并达到了较高的压力（〉２ＧＰａ）和温度（〉１２００℃）；本文同时利用ＮａＣｌ介质对样品装样方式及温度、压力等相关测定方面进行了研究。     

岩石在有围压条件下的声发射凯瑟效应

本文根据室内实验结果讨论了有围压条件下的岩石凯瑟效应。指出低差异应力作用下的岩石,凯瑟效应是各向独立的,即使围压发生变化(可以降低为零),其轴向加压的凯瑟效应仍反映该方向历史上承受过的最大应力值;高差异应力作用下的岩石,凯瑟效应不能各向独立,在围压发生升高或降低时(可以降低为零),其轴向加压的凯瑟效应反映历史上该方向与围压的最大差异应力,这为由室内实验(零围压)确定野外深钻孔岩芯所承受过的最大差异应力提供了方便。对于大理岩来讲,高低差异应力的分界约为10MPa。     

围压条件下岩石的抗拉强度

用水压致裂法对7种岩石的厚壁圆筒试件进行不同围压下的抗拉强度实验,并从试件致裂瞬间的内壁环向应力σt,环向应变εt等五种参数随围压变化的角度,对围压条件下岩石的抗拉强度进行研究。结果表明,若用σt表示岩石的应力抗拉强度,则σt随围压的增加而减少,并由低围压时的拉应力逐渐过渡为高围压时的压应力。高围压时,虽然试件已处于三向受压状态,但其破裂仍表现为典型的张性破裂。从另一意义上讲,处于高围压环境中的岩石,其内部不可能存在拉应力,拉应力只在低围压状态中存在。若岩石的应变抗拉强度由εt表示,即使岩石三向受压,张性破裂的εt始终是拉应变,岩石的抗拉强度由应变来表征似乎更合理。εt先随围压的增大而增大,当围压超过某一特征值后,εt反随围压的增大而有所减少。 将上述结果应用于岩体(或地震)破裂,可以证明,当岩体内存在σ_3<μ(σ_1+σ_2)的应力状态时,即使三向受压,岩体照样会出现张性破裂。由此认为,地震的震源也存在着张性破裂的可能。     

不同围压条件下花岗变形破坏过程中的声发射时序特征

在室温、围压５０－６００ＭＰａ范围内,采用以Ｐｂ为转压介质的三轴实验装置,对花岗岩变形破坏过程中的声发射序列特征进行的研究表明,花岗岩强度随围压增加而增大。低围压下,样品破坏时系统不失稳,破裂前后声发射稀少且时间分布较为随机。随围压的增高,样品破坏时系统失稳,随后出现粘滑;声发射出现时间随围压增加而提前。以破坏时应力降发生时间为界,一个显著的特征是破前声发射累积数随时间指数增长,增长速率随围压增加     

固体围压介质下岩石三轴实验装置的压力标定

本文对用于岩石力学性质研究的固体围压三轴实验装置的压力标定问题进行了研究。在分析各种影响因素的基础上,设计了压力标定的具体方法。在围压小于6.5kb、温度低于625℃的范围内对一现有装置进行了修正量的测定。这一结果提高了利用固体围压三轴实验装置进行岩石力学参数测定的精度     

地壳温压条件下周口店花岗闪长岩的变形破坏

实验条件采用高温高压三轴(固体传压介质)实验装置。实验的最大围压7.5kb,最高温度800℃,轴向应变率为4.4×10-6/sec,最大轴向应变约为10—15％;升温实验时,预热约1—1.5小时。试件直径10mm,高度20mm,矿物颗粒平均粒度约0.72mm;试件自然干燥。测试项目包括轴向应力和应变、围压以及声发射幅度的相对变化。试验后,沿试件纵剖面切片(垂直于主破裂面)作光学显微镜观测     

不同围压条件下花岗岩变形破坏过程中的声发射时序特征

在室温、围压 50— 60 0MPa范围内 ,采用以Pb为围压介质的三轴实验装置 ,对花岗岩变形破坏过程中的声发射序列特征进行的研究表明 ,花岗岩强度随围压增加而增大 .低围压下 ,样品破坏时系统不失稳 ,破裂前后声发射稀少且时间分布较为随机 .随围压的增高 ,样品破坏时系统失稳 ,随后出现粘滑 ;声发射出现时间随围压增加而提前 .以破坏时应力降发生时间为界 ,一个显著的特征是破前声发射累积数随时间指数增长 ,增长速率随围压增加而加快 ;而破后各粘滑段的声发射累积数随时间却呈线性增长 .声发射b值随围压增加有减小的趋势 .声发射序列时间结构的 f(α) α谱研究表明 ,其多分形性质主要决定于时间密集特征 ,标度指数α的分布范围随围压增加有减小的趋势 .粘滑过程中 ,应力降幅度、应力降释放率及粘滑事件时间间隔均随围压增加而增大。     

围压对低渗砂岩渗透率有效应力系数的影响

多孔岩石渗透率有效应力系数的取值至今仍没有一致的认识,影响取值的因素较为复杂.为了探索围压对低渗砂岩渗透率有效应力系数的影响,实验上采用较大的围压范围(10MPa～50MPa),选取两块低渗致密砂岩岩样,进行渗透率测试,并利用二元线性回归方法,计算了不同围压组合下的渗透率有效应力系数值,获取了该系数随围压的变化趋势.实验中,两块岩样的渗透率有效应力系数随围压的增加而减小,但各自的减小趋势略有不同.利用Bernabé和Berryman提出的模型,理论上解释了围压对渗透率有效应力系数的影响,并得到渗透率有效应力系数的下限值为岩样孔隙度.尽管渗透率有效应力系数不是一个常数,但可以表示为压差的函数,进而起到简化分析的作用.     

岩石粘滑的自锁模型及数值模拟

本文根据岩石摩擦的自锁模型,通过数值模拟讨论了围压和围压介质刚度对粘滑及其应力降的影响。结果表明:围压的增大有利于发生粘滑;粘滑应力降随围压的增大而增大;天然地震应力降低于室内粘滑应力降是由围压介质刚度引起的。     

活塞-圆桶式固体介质高温高压实验容器的压力标定方法

固体介质压力标定一般分为2方面。其一是轴压标定,最有效的方法是轴压活塞反复前进和后退,根据活塞循环来获得摩擦力的大小,其中有2个关键环节:1)活塞和样品接触点的确定;2)动摩擦力的确定。其二是围压标定,最有效的方法是利用矿物相变,适用于固体压机压力标定的相变有:石英-柯石英相变、钠长石-硬玉+石英相变,其适合温压范围分别为:500~1200℃、2.5~3.2GPa,600~1200℃、1.6~3.2GPa。我们对2GPa固体介质高温高压实验设备进行了轴压标定,在不同温度、围压、活塞速率等条件下进行了实验,结果表明:围压、温度、活塞运动速率等因素都对动摩擦力有不同程度的影响。因此,轴压标定应该针对不同的实验条件分别进行     

高温高压下红河断裂带断层泥力学性质的研究

断层泥在室温高压下的应力-应变曲线呈非线性、线性等阶段性变形,在高温高压下则呈非线性变形,两者均表现出渐进破坏。含水量、矿物成分和温压条件对变形特征和破坏强度有重要影响。曲线的初始弹性模量小于有效弹性模量。断层泥在温度T≥400℃和σ_3≥300MPa时发生岩化,据此岩化温压条件可估计出未岩化断层泥存在深度将不超过10—15km。由于断层泥具渐进破坏特征,故在高温高压条件下断层泥有利于断层活动呈现稳滑     

高温高压下蒙脱石显微变形与力学性质的研究

通过研究高温高压条件下蒙脱石的变形特征和机制,着重阐述了蒙脱石的显微变形特征与温度压力之间的关系,以及对应力-应变的影响。研究表明,在围压为200M Pa条件下,温度升高将导致蒙脱石的变形增大。对相同应变量所需的差异应力则随温度上升而下降。但是,当温度>500℃时,相同应变量所需差异应力较300℃时显著增大,其屈服强度和变形模量在T≥500℃,σ≥300MPa时均因脱水明显增大。蒙脱石在高温高压下均为渐进失稳     

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。     

10000公斤/厘米~2高压容器的研制

国家地震局地球物理研究所 本高压容器是我国第一台10000公斤/厘米~2液体围压的三轴试验容器。容器的高压腔尺寸为φ8.5吤厘米 可放置φ2.5࡫.5厘米的岩石样品及各种探头。它以9138油泵为侧向压力源 可产生0-10000公斤/厘米~2的围压 能模拟地壳深部30公里处的压力环境。与长江500型岩石三轴应力试验机配套使用 可进行岩石三轴压力破裂试验。容器简体采用了三层缩套配合结构 液压油进出口及电测导线的引出均在底座及大柱塞上轴向开孔 以免应力集中。上密封和下密封采用三角垫及密封环密封 引线密封采用锥塞及密封绝缘锥套密封。     

应力对岩石中孔隙流体压力的影响和地下水位震前异常变化机理.

在不同的围压和初始孔隙压力作用下,对孔隙岩石试件进行了不排液的三轴压缩试验,观测了轴向应变和孔隙压力随差应力的变化.试验结果表明:在低差应力下,孔隙压力随差应力的增加而增加.在中等和高差应力下孔隙压力随差应力的增加而降低.在高差应力下,孔隙压力也会随差应力的大幅度降低而升高.基于上述试验,假定地下水位的震前异常变化是地壳岩石中差应力变化的反映.根据这种假定解释了唐山大震前震中及外围地区地下水位异常变化的特征.      

缩套型高温高压三轴室热应力分析

以８００ＭＰａ高温高压三轴室为例，介绍了简体热应力计算方法和结果。分析讨论了热应力对筒体安全性的影响，指出高温差低载荷是最危险的情况，并提出预防与解决的方法。     

华北地区四种岩石在高压下的破坏特征

利用我国第一台1GPa高压三轴容器进行了岩石破坏实验.所用的样品为济南辉长岩、昌平花岗岩、房山大理岩和周口店石灰岩.得到的主要结果是:(1)在相应于地壳的压力范围内辉长岩和花岗岩仍然发生脆性破坏, 其强度和韧度随围压增加而增加, 破坏角也随围压增加而增大, 破坏前发生体积膨胀现象并出现声发射活动增加的前兆;(2)大理岩和石灰岩样品在0.1——0.8GPa的围压范围内发生鼓状变形, 不形成明显的主断层面, 样品承载能力随变形增加而增加, 出现应变硬化现象.在变形过程中声发射活动水平极低。这些实验标志着我国岩石力学三轴实验的围压水平有所提高其结果对震源物理的研究具有参考价值.      

AN EXPERIMENTAL STUDY ON THE PROCESS OF INTERGRANULAR PRESSURE SOLUTION OF PLAGIOCLASE GOUGE UNDER HIGH TEMPERATURE AND PRESSURE: METHOD AND PRELIMINARY RESULTS

To understand the mechanism of lower-crust earthquake and slow slips, it is necessary to study the frictional properties of mafic rocks and their major rock-forming minerals. Previous studies have performed a series of experimental researches on gabbro, basalt and their major constituents. According to the results of previous experiments, frictional sliding of plagioclase under hydrothermal conditions(100~600℃)shows a property of velocity weakening, and the experimental results show that both the direct rate effect parameter(a)and the healing effect parameter(b)increase with temperature, a typical feature for thermally-activated processes. Velocity weakening means property of a shear band that has a stronger friction healing effect than the direct rate effect in the rate and state friction constitutive framework, and the healing effect(b value)in constitutive relation mainly reflects the increase in contact area with time under hydrothermal conditions, with some minor effect of structural changes. Since the microphysical mechanism of feldspar minerals at the contacts is mainly brittle cataclasis for temperatures below 600℃, the significant frictional healing effect in this case can only be explained by the mechanism of pressure solution. In order to determine if the dissolution process of plagioclase actually occurs on the laboratory time scale, we conducted hydrostatic experiments on plagioclase powder samples under hydrothermal conditions whereby frequent contact switch between particles seen in frictional sliding experiments can be avoided, making the observation on the dissolution sites possible. Experimental temperatures were 400℃ and 500℃, with confining pressure of 90~150MPa, pore pressure of 30MPa, with 2mm initial thickness of fault gouge. The mechanical data show that a creep process occurred in the plagioclase fault gouge in the experimental temperature and pressure range; and the microstructures of the experiment show that precipitation of new grains is prevalent as the product of pressure solution process between plagioclase particles. At the same time, it is observed that the contact points have an appearance similar to fused, fuzzy structure as signatures of dissolution. The results of our experiments provide a definite experimental evidence for the healing mechanism in friction of plagioclase and for the theoretical relation between unstable slip and the pressure solution process. The results of the experiments are summarized as follows: (1)Drainage rate of pore water in plagioclase gouge was high in the first few hours of experiment, but gradually decreases over time for both temperature and pressure series of experiments slowing down to a steady state. This feature indicates that there is a creep process that evolves inside the plagioclase gouge. In the temperature-series experiments, the drainage rate of the pore water in the plagioclase gouge at 400℃ is relatively low than the cases for higher temperatures. Thus, the applied temperature is positively correlated with the creep of plagioclase gouge. (2)Scanning electron microscopy(SEM)observations of the experimentally deformed samples were performed on thin sections cut along the sample axis. Firstly, from the images of microstructure, it was found that the degree of particle fracture became more significant at a higher effective pressure, with smaller pore volume between particles. In the temperature-series experiments it was found that the degree of compaction of plagioclase gouge increased with increasing temperature. Precipitation of plagioclase grains in layered structures was generally observed in high-magnification images, indicating the presence of pressure solution processes. Contact points were also found to be in a state of ambiguity that seems to be a fused morphology, but the details of the structure remain to be determined by further observations. The above results indicate that the pressure solution process of plagioclase particles can occur on a typical laboratory time scale, and the results of this study provide robust experimental evidences for the theory that links between pressure solution and the mechanism of frictional healing and unstable slips for plagioclase.