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【前沿報道】PNAS: 巖石破裂形成演化動態觀測
2019-11-12 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  小到微觀尺度晶粒,大到數百公里尺度的地質斷層,巖石的破裂行為無處不在。研究人員通過對微震活動監測發現,在巖石宏觀尺寸斷裂之前往往有一些前兆破壞:主裂縫形成過程中,其周圍巖體會產生大量微震事件,主裂縫與周圍巖體相互作用具有明顯的時空演化特征(Ben-Zion and Zaliapin, 2019)。研究巖石在地質條件下的破裂演化規律對于評價和預測地球深部斷層活動具有重要意義。前人研究主要通過開展室內巖石力學試驗并采用掃描電鏡(SEM)(Brace et al., 1972)、聲發射監測(Lockner et al., 1991)、高清攝影(Tal et al., 2016)等方法對巖石破裂過程進行觀測。這些方法對于巖石破裂過程中的信息獲取能力有限:聲發射法無法捕捉無震應變能釋放并且對于破裂位置的定位存在不確定性,掃描電鏡、高清攝影則無法得到三維裂縫信息。近年來興起的在位CT掃描試驗技術是該研究在試驗手段上取得的重大突破,可以動態地觀測巖石破裂過程中的裂紋起裂、擴展、連通等行為,從而使得該問題的研究可視化精細化。 

  挪威奧斯陸大學的Francois Renard等人近期在PNAS上發表了直徑4mm10mm的二長巖試件在三向應力狀態下的在位CT掃描試驗成果:該團隊利用歐洲同步輻射光源對25MPa圍壓下三軸壓縮試驗過程中二長巖試件從加載初始到峰值強度進行了77次掃描,并且采用數字體積相關(以下簡稱DVC)方法對掃描重構的立體圖像進行分析,定量計算裂縫演化過程的散度和旋度指標,彌補了前人研究中對于巖石破裂過程精細化定量描述不足的缺陷。該研究通過定量分析不同加載階段微裂縫開啟、閉合、剪切、聚集貫穿,得出在破裂初始超過70%的損傷體積聚集成一個大的裂紋簇并形成斷裂帶。文中提出非彈性應變通過擴容破裂、收縮破裂、左旋剪切事件和右旋剪切事件進行累積,當軸向應力超過巖石彈性極限后,上述4種相互作用類型遍布試樣內部,并且不斷相互轉化,新裂縫的產生伴隨著既有裂縫的擴展、開啟和閉合。 

  二長巖試件破裂演化過程及定量分析如圖1所示。圖1A中的應力變曲線可分為線彈性、屈服、體積破裂、破壞4個階段。在臨近破壞之前,當軸向荷載達到極限荷載99.23%99.62%99.99%,分別進行CT掃描,并提取最大的微裂紋簇形貌(圖1A左下角)。圖1B為應力達到99.99%峰值強度破壞初始時的裂紋形貌,綠色代表最大的微裂紋簇,在其周圍環繞著紅色的體積較小的微裂紋。文中采用散度來表征微裂縫張開(正值)和閉合(負值),采用旋度來表征微裂縫右旋剪切(正值)和左旋剪切(負值)。4個指標在不同變形階段的變化規律如圖1C所示。此外,對旋度和散度絕對值大于0.5的體積微元個數進行統計,其在4個階段的變化規律如圖1D所示。由圖可知進入屈服階段后,巖石內部微裂縫張開、閉合增加近30%,當軸向應力由178MPa增長至190MPa時,散度和旋度指標均增長10%,當軸向應力增長至205.5MPa時,試樣發生破壞,散度和左旋剪切增加400% 

1  二長巖試件破裂演化過程及定量分析(Renard et al., 2019 

  不同加載階段微裂紋體積變化及統計特征如圖2所示,其中裂縫張開、閉合及總體增長曲線如圖2A所示,在主破裂發生前服從冪函數分布,指數為0.5。微裂紋體積增量的互補累積分布曲線如圖2B所示,其服從指數為1.7的冪函數分布。圖2C為破壞發生前裂紋張開和閉合的空間關系三維圖,藍色代表散度小于-0.5的體積,紅色代表散度大于0.5的體積。 

2  微裂紋增長和分布特征(改自Renard et al., 2019

  該研究成果通過對實驗室內三軸試驗破裂過程中微裂紋動態演化和變形場進行直接高精度CT掃描觀測和定量化的體積相關分析,顯示了張開、閉合、剪切各種微裂紋行為(產生和不產生微震信號)對于大型脆性剪切斷裂形成的重要性,并指出了在巖石破壞的數值和力學模型中考慮宏觀破壞前損傷發展的必要性。文中采用的試件尺度較小,只在一定程度上反應原位巖石的動態破裂過程。 

  在國家自然基金委國家重大科研儀器研制項目的資助下,中國科學院地質與地球物理研究所于2018年成功研制了第一臺高能直線加速器CT巖石破裂過程試驗裝置(見新華網報道),其允許的試件尺寸可達直徑100 mm、高度200 mm,可以在更大尺度上對巖石的動態破裂過程進行觀測和定量化研究,在頁巖油氣、煤層氣、地熱能、可燃冰開發、高放射性核廢料地質處置、二氧化碳封存與利用等新型地質工程,以及軍工、航天、材料、機械、無損檢測等領域中具有廣闊的應用前景。 

    

  主要參考文獻 

  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.鏈接 

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

  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.鏈接 

  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.鏈接 

  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.鏈接 

  (撰稿:何鵬飛,郭鵬,李曉/頁巖氣室)

 
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