高溫下巖石破壞破壞及聲發(fā)射的時間序列特征

高溫下巖石破壞破壞及聲發(fā)射的時間序列特征

0環(huán)境對巖石壓縮破壞過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、閃長巖、輝長巖等組成。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程中內(nèi)部群體微破裂聲發(fā)射事件(AE,下同)的時空演化,是研究深部巖石性狀及破壞失穩(wěn)過程的有效方法?；趲r石破裂過程的尺度無關(guān)性質(zhì),這樣的研究對類比認(rèn)識地震破裂過程具有重要的啟迪意義。由于問題的極端復(fù)雜性,首先研究溫度或圍壓單因素的影響是有益的。本文將在400MPa圍壓條件下,著重分析環(huán)境溫度對花崗巖變形破壞過程及AE時序特征的影響。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樣品采集和測試分析本文的實(shí)驗(yàn)是在中國地震局構(gòu)造物理開放實(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)積分對全波形進(jìn)行。g(t)與強(qiáng)地面運(yùn)動研究中地動振幅標(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時刻附近一個極小的時間間隔[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)動強(qiáng)度隨時間的變化,包含了持續(xù)時間的概念以及振幅強(qiáng)度隨時間變化的細(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)力曲線見圖2。對有突發(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;對漸進(jìn)式破壞的情形,強(qiáng)度為差應(yīng)力曲線明顯開始轉(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,仍然為脆性破裂,應(yīng)力-應(yīng)變曲線有微小的粘滑抖動,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,變形破壞出現(xiàn)石英的塑性變形;550~850℃時,強(qiáng)度明顯降低,無聲發(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℃時以石英和長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;650℃時,碎裂流動呈帶狀分布,帶外區(qū)域無粒間或粒內(nèi)破碎,而是出現(xiàn)石英波狀消光、亞顆粒化和重結(jié)晶,向位錯蠕變過渡,具有半延性流動的特點(diǎn);850℃時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)特性巖石變形過程中AE時序特征的研究,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AE時序特征的影響。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巖樣波速場和巖石熱開裂聲發(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有系統(tǒng)報道。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AE明顯增多,并隨失穩(wěn)的臨近而愈加密集;150℃及250℃時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,破壞前后聲發(fā)射活動更為稀少;高溫情況下(650℃及850℃),破前已無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過程中的微粘滑事件產(chǎn)生,因而高溫下完整巖石的變形過程已難有脆性微破裂發(fā)生。破前AE活動的一個顯著特點(diǎn)是,當(dāng)溫度不太高時(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,累計頻次Σn符合指數(shù)型增長模式(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,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。對無限、均勻介質(zhì)中的二維裂紋,有k=CΔτX1/2,其中C為幾何常數(shù),Δτ為靜態(tài)應(yīng)力降,X為二維裂紋的長度或二維圓形破裂的半徑。由前述二式并在Δτ與時間無關(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)破裂生長起始時(t=0)的初始裂紋長度、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,導(dǎo)致尖端傳播速度ν按指數(shù)增大(加速到無窮大時定義為失穩(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)增長即不難理解。2.3不同溫度對巖石變形事件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階段,上述關(guān)系對破前、破后及整個實(shí)驗(yàn)過程普適,但線性標(biāo)度范圍一般僅跨越2個數(shù)量級,少數(shù)甚至僅跨越1個數(shù)量級,這主要由于AE記錄系統(tǒng)8位測量精度所限。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),無論破前、破后還是整個實(shí)驗(yàn)過程,總的來看b值在低溫時較高而在高溫時較低,并以350℃附近為最低(表3)。從前述破壞形式來看(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值卻相對較低。2.4ae時間序列的多標(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。對自然界真實(shí)系統(tǒng)的非線性動力學(xué)過程而言,簡單的標(biāo)度關(guān)系往往是一系列的,多標(biāo)度分形理論對描述和理解這樣一大類非線性動力學(xué)過程所產(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、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、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時間序列而言,首先計算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時間序列具有尺度無關(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α軸上凸、f(α)在q=0處取極大值、在q=±∞處具有無窮大的斜率等。這些普適特征可作為判斷AE時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)目太少而無法得到統(tǒng)計可信的結(jié)果。由f(α)~α譜對α軸上凸,在統(tǒng)計誤差范圍內(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譜兩端不對稱,f(αmin)一端相對較高。由于f(α)表征奇異性指數(shù)α在某個子集上的取值概率,因而這一現(xiàn)象表明AE時間序列諸多標(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時間序列的多標(biāo)度分形性質(zhì)主要決定于其時間密集特征。奇異性強(qiáng)度因子α的分布范圍αmax-αmin)在低溫時較窄而高溫時較寬(圖4,表4),表明AE時間序列的標(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),對花崗巖變形破壞過程中介質(zhì)的破壞行為、聲發(fā)射時序特征、b值以及時間結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了較詳盡的研究,得到以下主要認(rèn)識:(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℃)過渡到半延性流動(650℃)和最終的延性暫時出現(xiàn)塑性流動和部分熔融850℃。(2)溫度不太高時(250℃以下),隨破壞強(qiáng)度的臨近,破前AE累計頻次指數(shù)增長,但指數(shù)增長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AE記錄。出現(xiàn)AE活動及AE活動明顯增強(qiáng)的差應(yīng)力水平亦隨溫度升高而有所提高。(3)無論破