巖石熱破裂與非均質(zhì)性關(guān)系的研究

巖石熱破裂與非均質(zhì)性關(guān)系的研究

巖石由各種材料組成，其中巖漿巖種類和含量的差異構(gòu)成了不同的巖石類別，如形狀、結(jié)構(gòu)和組成。隨著巖漿巖資源的熱脹，原始巖漿巖和支那的熱脹生物之間不可避免地會(huì)發(fā)生熱態(tài)平衡。隨著溫度持續(xù)上升，直到熱態(tài)平均力大于礦物的分解強(qiáng)度，巖芯內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，這就是巖石的熱斷裂。因此，在溫度載荷的作用下的變形破壞過程中，其均勻質(zhì)量對(duì)破壞的影響是決定性的。幾十年來，基于均質(zhì)度的研究取得了很大進(jìn)展。巖石力學(xué)分析能否成功解決實(shí)際巖石工程中的問題，取決于巖石力學(xué)分析是否真實(shí)反映了設(shè)計(jì)巖體的不均勻性。前蘇聯(lián)學(xué)者馬胡夫和中國科學(xué)家王昌漢在他們的作品中討論了這一問題。巖石幾何特征分布的不均勻性導(dǎo)致巖石的內(nèi)部強(qiáng)度是不均勻的，而且這些特征的分散程度非常大。由于強(qiáng)度不均，巖石受到破壞，裂縫從巖石的最脆弱部分開始，并延伸。這些裂縫的組合將導(dǎo)致巖石的最終破壞。因此，有必要考慮巖石破壞，并引入巖石的不規(guī)則特性。大量實(shí)驗(yàn)證明,不同巖石在溫度的影響下會(huì)產(chǎn)生不同的熱破裂行為,這種熱破裂行為在一定溫度范圍內(nèi)具有突變現(xiàn)象——巖石熱破裂具有溫度門檻值,即不同巖石具有不同熱破裂門檻值.綜合前人的研究成果,巖石在溫度作用下發(fā)生熱破裂行為主要與下列幾方面有關(guān):(1)巖石中的成巖礦物種類及含量,各礦物晶體的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和物理性質(zhì)等;(2)成巖礦物中所含結(jié)晶水、結(jié)構(gòu)水的含量差異;(3)巖石具有的原生裂隙及其次生裂隙的數(shù)量、大小和形態(tài).巖石熱破裂的細(xì)觀實(shí)驗(yàn)也充分說明了巖石在溫度影響下的熱破裂行為與巖石的種屬、結(jié)構(gòu)有著密不可分的關(guān)系,巖石的組成、結(jié)構(gòu)、形態(tài)等各不相同決定了其在溫度影響下會(huì)產(chǎn)生不同的熱破裂行為.其中,礦物成分在巖石的熱破裂行為的變化過程中起著決定性的作用,它導(dǎo)致了不同巖石具有不同的熱破裂門檻值.在此,本文通過對(duì)試驗(yàn)確定的不同巖石熱破裂門檻值與巖石中所含礦物的對(duì)比研究,了解巖石本身的性質(zhì)與巖石熱破裂門檻值之間的相關(guān)關(guān)系,為巖石熱破裂的深入研究提供思路.1巖石的異質(zhì)質(zhì)量1.1巖石礦物細(xì)觀結(jié)構(gòu)與熱破裂為了研究問題的簡便,本文僅對(duì)影響巖石熱破裂行為的主要因素進(jìn)行討論,暫不考慮其他因素.引入3點(diǎn)假設(shè):(1)影響巖石熱破裂門檻值的主要決定因素是成巖礦物,不考慮巖石內(nèi)部的原生微小裂隙和次生裂隙等因素的影響;(2)對(duì)巖石熱破裂門檻值具有決定作用的是質(zhì)量(體積)含量大于1%的成巖礦物,而小于1%的成巖礦物則不予考慮;(3)巖石的熱破裂門檻值是一個(gè)溫度范圍,為了研究方便起見,這里取溫度上下限的算術(shù)平均值.通過以上假設(shè),定義一個(gè)概念——巖石礦物的非均質(zhì)度.它指的是巖石礦物某一物理量測量值的數(shù)學(xué)分布,表示巖樣內(nèi)部各礦物的測量值大小及各巖樣測量值的變化.幾種巖石的細(xì)觀結(jié)構(gòu)見圖1.通過巖石礦物的非均質(zhì)度值,我們可以了解巖石內(nèi)部礦物的空間分布關(guān)系以及巖石內(nèi)部各礦物含量的相對(duì)關(guān)系(見圖1),并利用巖石非均質(zhì)度指標(biāo)對(duì)巖石熱破裂行為進(jìn)行探討.非均質(zhì)度定義包括兩個(gè)方面:巖石礦物質(zhì)量非均質(zhì)度與巖石礦物體積非均質(zhì)度.本文采用巖石熱破裂門檻值與巖石礦物的非均質(zhì)度,兩參數(shù)均由實(shí)驗(yàn)測算得出,巖石的熱破裂門檻值由熱破裂實(shí)驗(yàn)直接確定,而巖石礦物的非均質(zhì)度值則由XRD實(shí)驗(yàn)結(jié)果及下式計(jì)算得出.定義巖石礦物的非均質(zhì)度為:Bn=1∑i=1,nb21(1)Bn=1∑i=1,nb12(1)式中:n為巖石所含礦物種類數(shù);bi為各礦物某一物理量所占總物理量值百分比.(質(zhì)量百分比m,體積百分比v);Bn為巖石礦物的非均質(zhì)度.(質(zhì)量非均質(zhì)度Mn,或體積非均質(zhì)度Vn).從上式可以看出,巖石質(zhì)量非均質(zhì)度Mn表示內(nèi)部所有礦物質(zhì)量百分比的平方和的倒數(shù),其值的大小反映了巖石中是否有一種或部分礦物質(zhì)量在整個(gè)巖石中占據(jù)優(yōu)勢地位,從而決定了巖石物理力學(xué)性質(zhì)的非均質(zhì)性程度.當(dāng)組成巖石的礦物種類越多,巖石內(nèi)部會(huì)呈現(xiàn)質(zhì)量的不規(guī)則占據(jù).巖石礦物的體積非均質(zhì)度Vn,則表示組成巖石內(nèi)部所有礦物成分的體積含量百分比的平方和的倒數(shù).Vn的大小,反映了巖石礦物在巖石內(nèi)部所展現(xiàn)出空間分布上的非均質(zhì)狀態(tài).顯然,當(dāng)非均質(zhì)度趨于1時(shí),表明巖石為單質(zhì)或幾種礦物的集合體,該巖樣具有統(tǒng)計(jì)均勻特性;當(dāng)非均質(zhì)度大于1并趨于無窮時(shí),表明巖石為多種礦物的集合體,該巖樣內(nèi)部礦物的物理性質(zhì)有顯著差異,其熱破裂過程是一個(gè)非穩(wěn)定過程,具有明顯的非均質(zhì)特點(diǎn).根據(jù)不同巖石樣品的細(xì)觀熱破裂實(shí)驗(yàn),對(duì)實(shí)驗(yàn)中獲取的各類巖石的熱破裂門檻值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均以及各巖樣的XRD衍射分析結(jié)果,對(duì)組成巖石的各礦物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和換算,確定各巖石的非均質(zhì)度值.實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1.1.2巖石礦物非均質(zhì)度與熱破裂門檻值的關(guān)系非均質(zhì)性的存在使試樣的應(yīng)力分布局部集中和變形局部化,是引起裂紋復(fù)雜相互作用和擴(kuò)展貫通方式的根源.巖石的非均勻性對(duì)巖石的熱破裂行為影響很大.通過圖1可以直觀看出巖樣礦物的空間分布情況:魯灰花崗巖的礦物晶體顆粒較為粗大而完整,空間分布均勻;長石砂巖的礦物晶體顆粒的空間分布較差,但比永城中砂巖礦物發(fā)育情況好;阜新細(xì)砂巖的組成礦物較多,空間分布復(fù)雜.通過計(jì)算得知,各巖樣非均質(zhì)度值的大小排序依次為:阜新細(xì)砂巖>永城中砂巖>永城長石砂巖>魯灰花崗巖,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀察的結(jié)果是吻合的.XRD實(shí)驗(yàn)及熱破裂試驗(yàn)表明,巖石的熱破裂門檻值與所含礦物種類數(shù)呈反比關(guān)系,即隨著巖石中礦物種類個(gè)數(shù)的增加,巖石的熱破裂門檻值呈逐步下降的趨勢.以巖石Mn為例,對(duì)巖石非均質(zhì)度與熱破裂門檻值進(jìn)行分析,Mn—K關(guān)系見圖2,擬合圖2中的曲線,得到(2)式.質(zhì)量非均質(zhì)度與熱破裂門檻值的擬合關(guān)系:K=169.05Mn0.2934(2)相關(guān)系數(shù)R2=0.8642,擬合結(jié)果比較理想.可以看出,隨著巖石礦物非均質(zhì)度值的減小,巖石的熱破裂門檻值呈逐漸增大的趨勢.曲線擬合結(jié)果表明,巖石的熱破裂門檻值與其非均質(zhì)度具有較強(qiáng)的相關(guān)性,兩者表現(xiàn)出了較強(qiáng)的冪函數(shù)關(guān)系.統(tǒng)計(jì)分析表明,巖石礦物的Mn、Vn與巖石K的關(guān)系具有相似性.由上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得到,巖石的非均質(zhì)度對(duì)巖石熱破裂行為有影響作用,從而影響巖石熱破裂門檻值.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,巖石的非均質(zhì)度越大,巖石礦物的分布也越復(fù)雜,越容易形成應(yīng)力集中,導(dǎo)致較早形成熱破裂網(wǎng)絡(luò).2巖石礦物非均質(zhì)性與熱破裂門檻值關(guān)系分析本文通過巖石熱破裂試驗(yàn)以及XRD衍射分析,結(jié)合巖石的結(jié)構(gòu)特征及非均質(zhì)性,給出了巖石的非均質(zhì)定量表征參數(shù):質(zhì)量非均質(zhì)度和體積非均質(zhì)度.對(duì)巖石非均質(zhì)性與巖石熱破裂門檻值關(guān)系進(jìn)行研究分析表明,以巖石礦物的非均質(zhì)性為研究對(duì)象,采用巖石礦物的非均質(zhì)度參數(shù)為指標(biāo),能夠較好地表征巖石熱破裂門檻值的規(guī)律性,兩者具有較為顯著的相關(guān)性.巖石的質(zhì)量非均質(zhì)度(Mn)—熱破裂門檻值(K)關(guān)系滿足