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。     

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。     

真三轴压缩下大理岩试件中弹性波传播特性的实验研究

在σ_1>σ_2>σ_3的真三轴压缩试验机上进行了弹性波在大理岩试件中传播时沿σ_2(x方向)和σ_3(y方向)的走时、幅值及衰减特性的实验研究。随着载荷应力增加,在x方向上,P波第一个波峰的走时t减小,幅值A减小;在y方向则相反。大约从破坏应力的95%开始,两个方向上t又都迅速增加,A减小,波列振幅衰减系数K也减小,这是真三轴压缩情况下的一种破裂前兆变化特征。Ⅰ型应力途径t开始迅速增加时的差应力值低于Ⅱ型     

三轴压力下水与砂岩反应的实验研究

通过饱水砂岩的三轴压缩实验, 研究了含水层砂岩的破裂过程及其伴随的水化学变化, 并探讨了砂岩在蠕变和剪切破裂过程中地震水化异常现象的形成机理。 用离子色谱仪(IC)和等离子原子发射光谱仪(ICP-OES)测定了不同压力条件下实验溶液的F^-、 Cl^-、 NO^-₃、 SO^2-₄、 Ca²⁺、 Mg²⁺、 Na⁺浓度。 饱水砂岩在差应力作用下, 随着蠕变时间延长和剪切作用的强化实验, 溶液中主要离子的浓度均有不同程度的增大, 仅Mg²⁺浓度是降低的。 F^-和Cl^-浓度变化最明显, 在2~12小时的蠕变时间内分别增大约10倍和4倍, 而随剪切作用的强化分别增大约5倍和3倍。 这种变化主要与矿物的溶解和流体包裹体的混入有关。 实验结果表明, F^-、 Cl^-和Ca²⁺可作为砂岩含水层地震水化前兆监测的灵敏组分。     

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。     

岩石三轴压缩实验的强度特性及应用

结合实例对岩石三轴实验数据的一些主要特点和适合应用的领域进行了探讨。结果为:①岩石的三轴抗压、抗剪强度随围压(或深度)的增大而增大。低围压时,呈线性增大;当围压超过某一值后,变为增长率逐渐下降的非线性增大;至更高围压后,抗压强度与围压的应力差、抗剪强度将趋于某一常数。②岩石的单轴强度是强度中的极小值。工程应用中应采用三轴强度,以降低造价、避免浪费。③在现有的各种岩石力学实验方法中,三轴实验得出的凝聚力C和内摩擦角Φ相对最准确。④岩石三轴实验数据在与地学相关的领域内有着广泛的用途。     

油气田典型岩石三轴压缩变形破坏与声发射活动特征——四川盆地震旦系白云岩及页岩的破坏过程

随着二氧化碳地质封存、深部地热开采、地下储气库建设、页岩气开发、二次驱油/驱气等工业应用的快速发展,与地下流体注入有关的诱发地震活动呈现一定的增加趋势.利用声发射实验观测油气田典型岩石在三轴压缩条件下变形破坏过程与声发射活动特征,对研究注水诱发地震过程有着重要意义.本文利用四川盆地现场采集的震旦系白云岩及页岩,采用实验室声发射技术观测研究岩石三轴压缩变形破坏过程中地震波速度等物性参数及声发射事件时空分布特征.实验结果表明:震旦系白云岩及页岩在变形破坏过程中均有一定的声发射活动.根据声发射定位结果,声发射主要集中在破坏前后的较短时间内,页岩的层理面为结构弱面,控制最终破坏面的形态及声发射特征.根据应力-应变结果,白云岩在压缩的后期阶段有一定的扩容现象,但页岩在整个压缩阶段均没有明显扩容现象.研究结果表明四川盆地较古老的白云岩及页岩具有脆性破坏特征,地下流体注入容易诱发微震活动,形成裂缝,有利于页岩气压裂开采.微震活动有利于监测裂缝的发生发展,但同时在页岩气开发及二氧化碳地质封存时应采取相应的预防控制措施进行安全合理的储盖层管理,避免灾害性诱发地震的发生.     

岩石变形破坏过程中试件尺度对断裂参数的影响

采用三轴压缩实验方法,以不同尺寸的大理岩作样品,测定并研究了试件尺度对岩石剪切断裂参数的影响。样品的D(直径)×L(长度)从20mm×44mm到90mm×198mm。围压从20MPa至50MPa,以30MPa为主。结果表明:断裂能G、特征位移δ~*及其平均值δ、弱化带宽ω均随样品尺度的增加而增加,一般关系式为 G=G_0 K_gD~π δ=δ_0 k_δD~M ω=ω_0 K_ωD~P式中D为表征断裂尺度的量,其余均为常数。认为尺度因素可能是目前实验测定的断裂能与依据地震资料估算的断裂能之间有较大差异的主要原因。     

孔隙压岩石三轴摩擦实验装置

孔隙压岩石三轴摩擦实验装置是研究孔隙压对岩石滑动面摩擦性状影响的专用设备.该设备包括孔隙压岩石三轴实验装置和岩石摩擦装置两部分.摩擦装置由上、下压头,密封套筒和具有内部滑动块体的岩石样品组成.滑动面宽20×20mm、高40mm 的长方体,滑动面宽20mm、高30mm.最大孔隙压P_(max)=100MPa,最大位移L_(max)=10mm.应用该装置将三轴条件下样品之间的斜向摩擦滑动变为轴向滑动.滑动面上的法向压力σ_n=σ_3,即σ_n 变为与轴压无关的独立变量.     

三轴刚体地球自转的两种解法研究

地球的非对称性对地球自转是有一定影响的,其理论研究是有意义的.文献[20]认为三轴刚体地球除了具有欧拉自由摆动外,还存在第二自由摆动,长期极移是自由摆动的结果,以及地球自转存在自由加速等.本文研究了三轴刚体地球自转的动力学方程,基于传统的求解方法,给出了三轴刚体地球的自由摆动解.同时列出了文献[20]对三轴刚体地球自转的求解方法,探讨了其在推导过程的若干不足,最后指出三轴刚体地球自转只存在欧拉摆动,不存在第二自由摆动.     

三轴压缩条件下岩石突发失稳过程的实验研究

在常温、固体围压介质(铅)三轴压缩的条件下,采用磁带记录的快速数据采集系统,对完整的居庸关花岗岩、迁安石英岩和含不同角度锯切面的居庸关花岗岩试件的突发失稳动态过程进行了实验研究。结果表明,当试件沿内部斜面快速错动而突发失稳时,表现为各点应力和位移的振动、衰减,并趋于新的稳定终止态。根据应力和位移的记录,得到了应力-应变(相对位移)动态合成图。以失稳振动的初动半周期为界,可将整个动态过程划分为摩擦错动阶段和自由振动阶段。实验还表明,突发失稳岩石的动态错距等于或近似于终态错距。实测的动态应力降约为终态应力降的1.6倍。     

在围压条件下切口岩石破裂过程的实验研究

本文根据地震的断层说观点在室温、围压600—1,200巴条件下研究了具切口的花岗闪长岩、辉长岩和大理岩试件的破裂发展过程。在连续增加的差应力作用下观测到:切口内部充填的软弱夹层首先发生剪切变形和破裂,接着在切口端部一侧扩展张性裂纹,然后在切口前缘方向扩展剪切裂纹,最后发生贯通试件的剪切和张裂-剪切主破坏。张裂纹扩展长度受到围压的强烈抑制。岩石的切口结构和岩性变化对破裂迹线的空间展布和主破坏机制有重要影响。讨论了实验结果在断层扩展型地震的形成过程及其在预报预测方面的意义     

3 GPa固体传压三轴流变仪实验方法介绍

介绍“3 GPa固体传压三轴流变仪”的结构、性能及其实验方法与用途,阐述在此设备上进行的关于深部(上地幔高温高压条件下)岩石流变特性的实验以及岩石蠕变.应力松驰现象的研究.     

在真三轴压缩条件下片麻岩破裂孕育过程中弹性波的特征变化

片麻岩在真三轴压缩至主破裂的孕育过程中，沿σ３方向（与主破裂面斜交）的弹性波有显著的特征变化；Ｐ波、Ｓ波的初至波走时变化呈现略高～平稳～高值～（回降）的形式，走时比呈现平稳～低值～回升的变化特征。振幅呈现低值～平稳高值～下降～（低值）变化形态，振幅比呈现相对稳定～甚高值～回降变化形态。波列振幅衰减系数呈现稳定值～低值～回升变化形态。微裂隙的开闭和Ｐ，Ｓ波的非同步变化及相对变化量的不同是上述特征变化的主要原因     

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.     

不同实验条件下大理岩主破裂的分数维

以大理岩为样品,在围压10～60MPa下进行了三轴压缩条件下的变形破坏实验,统计并分析了主断裂面的分维几何特征。在环境因素和介质条件相同的情况下,D值不随标本尺度变化,表明岩石破裂结构的确具有自相似性。围压是影响D值大小的一种因素,在约35MPa以下,D值随围压增加而降低;在约35MPa以上,随围压的增加而增加。提出在分析野外断层迹线的分维特征时,尚应考虑断层形成时的环境条件及其可能的随深度的变化     

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.     

三轴压缩下软弱面对岩石破裂的影响

将岩石标本分为三组,分别锯至直径的1/3、2/3及完全切断。每组的切口与轴向的交角分别取20°,30°,40°和50°。然后用环氧树脂将切断的标本粘合,将锯开的切口填充,形成人为软弱面。将上述标本及完整岩石标本分别在0.79千巴及3.03千巴的围压、10~(-5)/秒的常应变率下进行实验,发现: (1)在部分切口的标本中,明显由两个紧接的主要破裂过程组成,第一个是软弱面的破裂,第二个是岩石标本中新的破裂。(2)全切口标本中破裂面完全沿软弱面发展;2/3切口标本中,大多数破裂面沿软弱面发展,但在3.03千巴围压下,切口与轴向成20°,50°角的标本中,主要破裂面取与软弱面共轭的方位;1/3切口标本中,破裂面较复杂,但都交汇在切口端点,且取向大都在软弱面共轭方位,但夹角较小。(3)切口对标本破裂强度有明显影响,切口越大,强度越低;切口的角度对全切口标本及2/3切口标本的强度也有明显影响,在30°左右强度最小,而对1/3切口标本的强度没有影响。结合上述结果对地震断裂与软弱面的关系进行了讨论。     

SPATIAL DISTRIBUTION AND FRACTAL STRUCTURE OF AE FOCUSES OF INADA GRANITE UNDER TRIAXIAL COMPRESSION

An experimental study on the spatial distribution of the focuses of acoustic emissions of Inada granite (coarse grained granodiorite) under triaxial compression is reported in this paper. It is pointed out that AE locations is fractal with a dimension of 2.2 in average, lower than the result of Oshima granite (fine grained granodiorite), which is 2.7, under similar deformation condition. For Inada granite a band-limited fractal had been observed. Fractal dimension changed around grai