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【前沿报道】PNAS: 岩石破裂形成演化动态观测
2019-11-12 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  小到微观尺度晶粒,大到数百公里尺度的地质断层,岩石的破裂行为无处不在。研究人员通过对微震活动监测发现,在岩石宏观尺寸断裂之前往往有一些前兆破坏:主裂缝形成过程中,其周围岩体会产生大量微震事件,主裂缝与周围岩体相互作用具有明显的时空演化特征(Ben-Zion and Zaliapin, 2019)。研究岩石在地质条件下的破裂演化规律对于评价和预测地球深部断层活动具有重要意义。前人研究主要通过开展室内岩石力学试验并采用扫描电镜(SEM)(Brace et al., 1972)、声发射监测(Lockner et al., 1991)、高清摄影(Tal et al., 2016)等方法对岩石破裂过程进行观测。这些方法对于岩石破裂过程中的信息获取能力有限:声发射法无法捕捉无震应变能释放并且对于破裂位置的定位存在不确定性,扫描电镜、高清摄影则无法得到三维裂缝信息。近年来兴起的在位CT扫描试验技术是该研究在试验手段上取得的重大突破,可以动态地观测岩石破裂过程中的裂纹起裂、扩展、连通等行为,从而使得该问题的研究可视化精细化。 

  挪威奥斯陆大学的Francois Renard等人近期在PNAS上发表了直径4mm10mm的二长岩试件在三向应力状态下的在位CT扫描试验成果:该团队利用欧洲同步辐射光源对25MPa围压下三轴压缩试验过程中二长岩试件从加载初始到峰值强度进行了77次扫描,并且采用数字体积相关(以下简称DVC)方法对扫描重构的立体图像进行分析,定量计算裂缝演化过程的散度和旋度指标,弥补了前人研究中对于岩石破裂过程精细化定量描述不足的缺陷。该研究通过定量分析不同加载阶段微裂缝开启、闭合、剪切、聚集贯穿,得出在破裂初始超过70%的损伤体积聚集成一个大的裂纹簇并形成断裂带。文中提出非弹性应变通过扩容破裂、收缩破裂、左旋剪切事件和右旋剪切事件进行累积,当轴向应力超过岩石弹性极限后,上述4种相互作用类型遍布试样内部,并且不断相互转化,新裂缝的产生伴随着既有裂缝的扩展、开启和闭合。 

  二长岩试件破裂演化过程及定量分析如图1所示。图1A中的应力变曲线可分为线弹性、屈服、体积破裂、破坏4个阶段。在临近破坏之前,当轴向荷载达到极限荷载99.23%99.62%99.99%,分别进行CT扫描,并提取最大的微裂纹簇形貌(图1A左下角)。图1B为应力达到99.99%峰值强度破坏初始时的裂纹形貌,绿色代表最大的微裂纹簇,在其周围环绕着红色的体积较小的微裂纹。文中采用散度来表征微裂缝张开(正值)和闭合(负值),采用旋度来表征微裂缝右旋剪切(正值)和左旋剪切(负值)。4个指标在不同变形阶段的变化规律如图1C所示。此外,对旋度和散度绝对值大于0.5的体积微元个数进行统计,其在4个阶段的变化规律如图1D所示。由图可知进入屈服阶段后,岩石内部微裂缝张开、闭合增加近30%,当轴向应力由178MPa增长至190MPa时,散度和旋度指标均增长10%,当轴向应力增长至205.5MPa时,试样发生破坏,散度和左旋剪切增加400% 

1  二长岩试件破裂演化过程及定量分析(Renard et al., 2019 

  不同加载阶段微裂纹体积变化及统计特征如图2所示,其中裂缝张开、闭合及总体增长曲线如图2A所示,在主破裂发生前服从幂函数分布,指数为0.5。微裂纹体积增量的互补累积分布曲线如图2B所示,其服从指数为1.7的幂函数分布。图2C为破坏发生前裂纹张开和闭合的空间关系三维图,蓝色代表散度小于-0.5的体积,红色代表散度大于0.5的体积。 

2  微裂纹增长和分布特征(改自Renard et al., 2019

  该研究成果通过对实验室内三轴试验破裂过程中微裂纹动态演化和变形场进行直接高精度CT扫描观测和定量化的体积相关分析,显示了张开、闭合、剪切各种微裂纹行为(产生和不产生微震信号)对于大型脆性剪切断裂形成的重要性,并指出了在岩石破坏的数值和力学模型中考虑宏观破坏前损伤发展的必要性。文中采用的试件尺度较小,只在一定程度上反应原位岩石的动态破裂过程。 

  在国家自然基金委国家重大科研仪器研制项目的资助下,中国科学院地质与地球物理研究所于2018年成功研制了第一台高能直线加速器CT岩石破裂过程试验装置(见新华网报道),其允许的试件尺寸可达直径100 mm、高度200 mm,可以在更大尺度上对岩石的动态破裂过程进行观测和定量化研究,在页岩油气、煤层气、地热能、可燃冰开发、高放射性核废料地质处置、二氧化碳封存与利用等新型地质工程,以及军工、航天、材料、机械、无损检测等领域中具有广阔的应用前景。 

    

  主要参考文献 

  Ben-Zion Y, Zaliapin I. Spatial variations of rock damage production by earthquakes in southern California[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2019, 512: 184-193.链接 

  Brace W F, Silver E, Hadley K, et al. Cracks and pores: A closer look[J]. Science, 1972, 178(4057): 162-164.链接 

  Lockner D A, Byerlee J D, Kuksenko V, et al. Quasi-static fault growth and shear fracture energy in granite[J]. Nature, 1991, 350(6313): 39-42.链接 

  Renard F, McBeck J, Kandula N, et al. Volumetric and shear processes in crystalline rock approaching faulting[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, 116(33): 16234-16239.链接 

  Tal Y, Evans B, Mok U. Direct observations of damage during unconfined brittle failure of Carrara marble[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2016, 121(3): 1584-1609.链接 

  (撰稿:何鹏飞,郭鹏,李晓/页岩气室)

 
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