高溫下巖石破壞破壞及聲發(fā)射的時(shí)間序列特征

高溫下巖石破壞破壞及聲發(fā)射的時(shí)間序列特征

0環(huán)境對(duì)巖石壓縮破壞過(guò)程的影響巖石變形和破壞的性質(zhì)隨著深度而變化。板內(nèi)淺源強(qiáng)震震源深度主要分布于地殼內(nèi)流變曲線所控制的高強(qiáng)度區(qū)段內(nèi)。這些區(qū)段主要由花崗巖、閃長(zhǎng)巖、輝長(zhǎng)巖等組成。在實(shí)驗(yàn)室模擬地下深部溫壓環(huán)境,研究巖石受力變形過(guò)程中內(nèi)部群體微破裂聲發(fā)射事件(AE,下同)的時(shí)空演化,是研究深部巖石性狀及破壞失穩(wěn)過(guò)程的有效方法?；趲r石破裂過(guò)程的尺度無(wú)關(guān)性質(zhì),這樣的研究對(duì)類比認(rèn)識(shí)地震破裂過(guò)程具有重要的啟迪意義。由于問(wèn)題的極端復(fù)雜性,首先研究溫度或圍壓?jiǎn)我蛩氐挠绊懯怯幸娴?。本文將?00MPa圍壓條件下,著重分析環(huán)境溫度對(duì)花崗巖變形破壞過(guò)程及AE時(shí)序特征的影響。之所以選擇400MPa圍壓,是因?yàn)樵诠腆w圍壓條件下,較低的圍壓與摩擦校正量相當(dāng),誤差太大;而圍壓太高又增加了實(shí)驗(yàn)的難度。1樣品采集和測(cè)試分析本文的實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)地震局構(gòu)造物理開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室高溫高壓伺服控制三軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行的。以NaCl作圍壓傳壓介質(zhì),圍壓的設(shè)定已考慮了固體圍壓介質(zhì)的摩擦影響。對(duì)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了高溫條件下巖樣半延性-延性變形的修正1。溫度采用英國(guó)West4400智能型控溫表控制,溫控精度為0.25%,但由于熱電偶與加熱部件的隔熱問(wèn)題,本組實(shí)驗(yàn)中實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的最大偏差約為10℃。以平均粒度為0.8mm、干燥的居庸關(guān)花崗巖為實(shí)驗(yàn)樣品,樣品高20mm±0.2mm、直徑10mm±0.2mm的圓柱體。實(shí)驗(yàn)裝樣方式如圖1所示。實(shí)驗(yàn)的升溫、升壓途徑是:前期以5℃/min勻速升溫,最后30℃以2℃/min勻速升溫,同時(shí)軸、圍壓以靜水壓的比例平穩(wěn)緩慢地增加,使預(yù)定的溫度和圍壓條件基本同時(shí)達(dá)到。待溫度分布均勻、穩(wěn)定之后,軸壓以2×10-4/s的等應(yīng)變速率繼續(xù)加載。AE探頭頻率響應(yīng)為5MHz,采樣間隔0.2μs,8位采樣精度,每次觸發(fā)采樣2048點(diǎn)。探頭用硅油耦合于容器下底座的上端面上。AE強(qiáng)度的自標(biāo)度形式僅涉及本組實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的相互比較,定義為Μ=log[∫g(t)dt](1)M=log[∫g(t)dt](1)積分對(duì)全波形進(jìn)行。g(t)與強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)研究中地動(dòng)振幅標(biāo)準(zhǔn)差函數(shù)的定義一致,即g2(t)=1Δt∫t+Δt2t-Δt2a2(t)dt(2)g2(t)=1Δt∫t+Δt2t?Δt2a2(t)dt(2)式中,a(t)為t時(shí)刻附近一個(gè)極小的時(shí)間間隔[t-Δt2?t+Δt2][t?Δt2?t+Δt2]內(nèi)AE加速度記錄的平均值。g(t)給出表面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化,包含了持續(xù)時(shí)間的概念以及振幅強(qiáng)度隨時(shí)間變化的細(xì)節(jié)。2結(jié)果分析2.1漸進(jìn)式破壞特征400MPa圍壓下,巖石強(qiáng)度隨溫度升高而降低(表1,差應(yīng)力曲線見(jiàn)圖2。對(duì)有突發(fā)失穩(wěn)的情形,巖石強(qiáng)度定義為差應(yīng)力曲線上的峰值;對(duì)漸進(jìn)式破壞的情形,強(qiáng)度為差應(yīng)力曲線明顯開(kāi)始轉(zhuǎn)平的拐點(diǎn),此點(diǎn)表征了完整巖樣總體的破壞)。破壞的力學(xué)方式隨溫度升高由突發(fā)式失穩(wěn)、準(zhǔn)突發(fā)式失穩(wěn)逐漸轉(zhuǎn)化為漸進(jìn)式。介質(zhì)的破壞類型在350℃以下以脆性或半脆性剪切破裂為主,而高溫時(shí)則顯示為半延性和延性:室溫(約20℃)下破壞為貫通的主剪切破裂,出現(xiàn)典型的剪切破壞和粘滑失穩(wěn);150~250℃時(shí),仍然為脆性破裂,應(yīng)力-應(yīng)變曲線有微小的粘滑抖動(dòng),峰后強(qiáng)化,表現(xiàn)準(zhǔn)突發(fā)失穩(wěn)特征;溫度在350℃附近時(shí),變形破壞出現(xiàn)石英的塑性變形;550~850℃時(shí),強(qiáng)度明顯降低,無(wú)聲發(fā)射,宏觀上轉(zhuǎn)化為延性,樣品漸進(jìn)式破壞。從微觀上看,550℃時(shí)以石英和長(zhǎng)石脆性微破裂與石英塑性變形共存為特征,形成半脆性碎裂流動(dòng);650℃時(shí),碎裂流動(dòng)呈帶狀分布,帶外區(qū)域無(wú)粒間或粒內(nèi)破碎,而是出現(xiàn)石英波狀消光、亞顆粒化和重結(jié)晶,向位錯(cuò)蠕變過(guò)渡,具有半延性流動(dòng)的特點(diǎn);850℃時(shí)以晶體塑性變形為主,并出現(xiàn)部分熔融,樣品進(jìn)入延性狀態(tài)。2.2高溫破前、破后地層力學(xué)特性巖石變形過(guò)程中AE時(shí)序特征的研究,大多是在常溫下著重分析巖石強(qiáng)度、圍壓、含水量,以及預(yù)置構(gòu)造,和加載方式,等對(duì)AE時(shí)序特征的影響。涉及加溫的實(shí)驗(yàn)大多是在單軸條件下、研究溫度或升溫速率對(duì)巖樣波速場(chǎng)和巖石熱開(kāi)裂聲發(fā)射m值的影響。較高圍壓及不同溫度條件下的成果尚未見(jiàn)有系統(tǒng)報(bào)道。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,400MPa圍壓下,AE隨溫度升高而迅速減少,這在破前表現(xiàn)尤為明顯(圖2,表2)。出現(xiàn)AE以及AE活動(dòng)明顯增強(qiáng)的差應(yīng)力水平隨溫度升高亦有所提高:在常溫下,當(dāng)差應(yīng)力達(dá)破裂強(qiáng)度的50%左右時(shí)AE明顯增多,并隨失穩(wěn)的臨近而愈加密集;150℃及250℃時(shí)AE明顯增多出現(xiàn)在差應(yīng)力達(dá)到破裂強(qiáng)度的70%~80%以后;在350~550℃時(shí),破壞前后聲發(fā)射活動(dòng)更為稀少;高溫情況下(650℃及850℃),破前已無(wú)AE記錄。由于破前及破后AE分別主要由脆性微破裂事件及宏觀破裂面摩擦滑動(dòng)過(guò)程中的微粘滑事件產(chǎn)生,因而高溫下完整巖石的變形過(guò)程已難有脆性微破裂發(fā)生。破前AE活動(dòng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是,當(dāng)溫度不太高時(shí)(250℃以下),巖樣失穩(wěn)以脆性剪切破裂的突發(fā)或準(zhǔn)突發(fā)失穩(wěn)為主,隨破壞的臨近,AE總體上愈加密集,累計(jì)頻次Σn符合指數(shù)型增長(zhǎng)模式(圖3,表2)∑n=αeβ(σσ0)(3)∑n=αeβ(σσ0)(3)式中,σ0為巖石極限強(qiáng)度,σ為差應(yīng)力,σ/σ0為歸一化差應(yīng)力,α、β為常數(shù)。AE累積頻次隨規(guī)一化強(qiáng)度σ/σ0指數(shù)增長(zhǎng),速率β隨溫度增加而減小。在脆性域內(nèi),假定含裂隙的介質(zhì),在緩慢的載荷作用下,由于裂紋尖端的應(yīng)力腐蝕(stress-inducedcorrosion),裂隙以亞臨界速度傳播,傳播速度ν與應(yīng)力強(qiáng)度因子k之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系一般寫(xiě)作ν∝ek,不同的介質(zhì)材料均有類似的關(guān)系,僅比例系數(shù)有所改變。對(duì)無(wú)限、均勻介質(zhì)中的二維裂紋,有k=CΔτX(jué)1/2,其中C為幾何常數(shù),Δτ為靜態(tài)應(yīng)力降,X為二維裂紋的長(zhǎng)度或二維圓形破裂的半徑。由前述二式并在Δτ與時(shí)間無(wú)關(guān)的假設(shè)前提下可得ν=e-k0ν0ek0√(XX0)(4)式中,X0、k0及ν0分別為準(zhǔn)靜態(tài)破裂生長(zhǎng)起始時(shí)(t=0)的初始裂紋長(zhǎng)度、初始應(yīng)力強(qiáng)度因子及初始傳播速度。由式(4)可知,由于穩(wěn)滑裂隙X的增長(zhǎng),導(dǎo)致尖端傳播速度ν按指數(shù)增大(加速到無(wú)窮大時(shí)定義為失穩(wěn))。由于裂隙尖端以指數(shù)增加的速度ν破裂并擴(kuò)展,因而較低溫度條件下,完整巖樣破前微破裂(AE)累積頻次的指數(shù)增長(zhǎng)即不難理解。2.3不同溫度對(duì)巖石變形事件b值的影響由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,以往大多數(shù)的b值實(shí)驗(yàn)研究基本上是在常溫及單軸條件下,著重研究介質(zhì)類型及軸向應(yīng)力狀態(tài)對(duì)b值的影響。早期的工作可追溯到60年代Mogi和Scholz的研究。我國(guó)80年代大規(guī)模的b值模擬實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果已由耿乃光綜述,認(rèn)為b值主要決定于應(yīng)力狀況和介質(zhì)性質(zhì),此外還受構(gòu)造條件、溫度、流體、加力方式等諸多因素的影響。近期的研究表明,b值在巖樣破壞前具有明顯的降低過(guò)程,最小b值出現(xiàn)在斷層成核階段,。400MPa圍壓及不同溫度條件下,花崗巖變形過(guò)程中AE群體事件符合冪律的標(biāo)度關(guān)系LogN=a-bM,其中N為強(qiáng)度大于等于M的AE數(shù)量。以巖樣破壞強(qiáng)度為界劃分破前和破后二個(gè)階段,上述關(guān)系對(duì)破前、破后及整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程普適,但線性標(biāo)度范圍一般僅跨越2個(gè)數(shù)量級(jí),少數(shù)甚至僅跨越1個(gè)數(shù)量級(jí),這主要由于AE記錄系統(tǒng)8位測(cè)量精度所限。不同溫度條件下破后b值均小于破前b值(表3),表明圍壓固定的前提下,粘滑b值一般小于脆性破裂的b值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示,b值與溫度密切相關(guān),無(wú)論破前、破后還是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,總的來(lái)看b值在低溫時(shí)較高而在高溫時(shí)較低,并以350℃附近為最低(表3)。從前述破壞形式來(lái)看(表1),350℃是400MPa圍壓下巖樣破壞形式發(fā)生改變的溫度條件。因而,群體微破裂或微粘滑事件在導(dǎo)致樣品突發(fā)或準(zhǔn)突發(fā)失穩(wěn)的較低的溫度條件下,具有相對(duì)較高的b值;而在導(dǎo)致樣品漸進(jìn)式破壞的較高的溫度條件下,b值卻相對(duì)較低。2.4ae時(shí)間序列的多標(biāo)度分形關(guān)系指數(shù)型的分形標(biāo)度關(guān)系是表征系統(tǒng)臨界行為最重要的物理規(guī)律。對(duì)自然界真實(shí)系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)過(guò)程而言,簡(jiǎn)單的標(biāo)度關(guān)系往往是一系列的,多標(biāo)度分形理論對(duì)描述和理解這樣一大類非線性動(dòng)力學(xué)過(guò)程所產(chǎn)生的復(fù)雜結(jié)構(gòu)具有重要意義。地震領(lǐng)域的工作顯示,地震事件的時(shí)、空分布在一定的標(biāo)度范圍內(nèi)顯示自相似或自仿射分形特征,已有學(xué)者運(yùn)用多分形Dq~q譜或局域標(biāo)度指數(shù)譜f(α)~α對(duì)其予以描述,。實(shí)驗(yàn)方面的工作同樣顯示,巖石破裂實(shí)驗(yàn)中,在時(shí)、空、強(qiáng)方面都發(fā)現(xiàn)了分形結(jié)構(gòu);雷興林等還曾重點(diǎn)討論了微破裂源空間分布的容量維數(shù)與巖石粒度的關(guān)系。就AE時(shí)間序列而言,首先計(jì)算q階信息維Dq譜。之后由下式構(gòu)造f(α)~α譜:α(q)=ddq[(q-1)Dq]f(α)=qα(q)-(q-1)Dq}(5)若AE時(shí)間序列具有尺度無(wú)關(guān)的標(biāo)度性質(zhì),則f(α)~α譜一定表現(xiàn)出一些普適的幾何特征,如f(α)對(duì)α軸上凸、f(α)在q=0處取極大值、在q=±∞處具有無(wú)窮大的斜率等。這些普適特征可作為判斷AE時(shí)間序列是否具有多標(biāo)度分形關(guān)系的依據(jù)。著重考察不同溫度條件下AE時(shí)間序列f(α)~α譜形態(tài)的差異,因而不區(qū)分破前或破后等階段。部分實(shí)驗(yàn)全過(guò)程AE序列的標(biāo)度指數(shù)譜(q從-4到4變化)如圖4所示,其他條件下由于AE數(shù)目太少而無(wú)法得到統(tǒng)計(jì)可信的結(jié)果。由f(α)~α譜對(duì)α軸上凸,在統(tǒng)計(jì)誤差范圍內(nèi)f(α)在α(0)處極大,具有前述的普適特征,表明其具有指數(shù)型的多標(biāo)度分形性質(zhì)。f(α)~α譜兩端不對(duì)稱,f(αmin)一端相對(duì)較高。由于f(α)表征奇異性指數(shù)α在某個(gè)子集上的取值概率,因而這一現(xiàn)象表明AE時(shí)間序列諸多標(biāo)度類型中,靠近αmin一端所占比例較大。由于α(q)隨q增大而單減,αmin相應(yīng)于qmax>1,主要反映分布概率較大(密集)子集的性質(zhì),因而不同溫度條件下AE時(shí)間序列的多標(biāo)度分形性質(zhì)主要決定于其時(shí)間密集特征。奇異性強(qiáng)度因子α的分布范圍αmax-αmin)在低溫時(shí)較窄而高溫時(shí)較寬(圖4,表4),表明AE時(shí)間序列的標(biāo)度類型隨溫度升高而增加,意示著其結(jié)構(gòu)趨于更加復(fù)雜、紊亂。3從破壞類型的角度區(qū)分ae的特征在400MPa圍壓及室溫至850℃溫度范圍內(nèi),對(duì)花崗巖變形破壞過(guò)程中介質(zhì)的破壞行為、聲發(fā)射時(shí)序特征、b值以及時(shí)間結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了較詳盡的研究,得到以下主要認(rèn)識(shí):(1)巖石強(qiáng)度隨溫度升高而逐漸降低。破壞方式由低溫突發(fā)失穩(wěn)轉(zhuǎn)變?yōu)橹袦販?zhǔn)突發(fā)失穩(wěn)直至高溫漸進(jìn)式破壞,轉(zhuǎn)化溫度分別在150℃和550℃附近。介質(zhì)的破壞類型由脆性剪切破裂與粘滑(20~250℃)經(jīng)半脆性破裂(350℃)過(guò)渡到半延性流動(dòng)(650℃)和最終的延性暫時(shí)出現(xiàn)塑性流動(dòng)和部分熔融850℃。(2)溫度不太高時(shí)(250℃以下),隨破壞強(qiáng)度的臨近,破前AE累計(jì)頻次指數(shù)增長(zhǎng),但指數(shù)增長(zhǎng)速率隨溫度增加而減小。隨溫度的升高,AE數(shù)量迅速減少,高溫情況下破前已無(wú)AE記錄。出現(xiàn)AE活動(dòng)及AE活動(dòng)明顯增強(qiáng)的差應(yīng)力水平亦隨溫度升高而有所提高。(3)無(wú)論破