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ICDP深层科研钻孔的岩芯在真三轴强度和变形上具有一致趋势摘要 在岩芯样本上进行了大量的真三轴测试计划，这些样本来自于三个由ICDP赞助的深层科学钻孔德国大陆深钻项目（德国），烈斯断层深部观测台（美国）,以及台湾车笼埔断层深井钻探计划（台湾）。这三种岩石的形成过程是不同的，在许多的力学性能方面也是不同的。然而，这三种岩石都表现出相似的破坏机理，首先在1-2平面诱发或重新形成微裂纹，最后趋向于在3方向形成陡峭的断裂。在所有测试的岩石中，当3保持不变，岩石的强度会增加。因此,通常的莫尔类型标准忽视了2的影响,通常低估了岩石强度。而一个3 D的标准,其中包括所有的三个主应力很好的描述了实验结果。破裂面的倾斜是相同的，但与莫尔类型标准相反，3随着2 的上升而剧增。关于变形，膨胀开始随着2增加而增加。总之，在来自于三个科学钻孔的岩芯上进行真三轴测试，这些测试表明了在传统的三轴实验中无法观测到的力学性能的细节。此外，他们表现出的力学行为的相似性与2有关，和岩石的类型无关。关键字：岩土力学、真三轴试验、真三轴强度准则、剪胀性、错层角度、科学钻井1 、简介 成功的密执安盆地与北伊利诺斯州项目(增刊部分,地球物理学研究杂志,分别是1977年的83-B12卷和1983年的88-B9卷),将废弃的工业钻井提供给研究人员,地球科学家利用这些钻井在很深的地方研究地址情况,帮助和激励国际地球科学组织以大陆地壳的科学调研为目的进行深入钻井的兴趣。与此同时，苏联一直在钻科拉半岛的科学超深钻井，到1989年达到的深度超过12公里。下一步是德国大陆KTB深孔钻探计划(特殊部分,地球物理学研究杂志,103-B8卷，1997年)正式落成于1996年。这几计划吸引着国际的参与,并演化为ICDP(国际大陆钻探计划)。在ICDP领导下，在全球范围内已经进行了大量的科学钻井，而且在未来的几年计划更多。这三个钻井德国的超深钻孔（KTB角闪岩），加利福尼亚州的圣安德烈亚斯断层深度观测（SAFOD花岗闪长岩），以及台湾车笼埔断层钻探计划（TCDP粉砂岩）的部分岩芯，在威斯康星大学的岩石力学实验室进行了测试。这些实验的共同目的是探究芯岩石在真三轴应力作用下的变形和脆性破坏的过程。KTB超深钻井的目的在于通过真三轴实验研究已经出现在3 至7公里深度区间的角闪岩的力学性能。那是设计和制造一个真正的三轴试验系统的动机，这个系统能将三个独立并且相互垂直的压力负载作用在具有矩形形状的棱柱体岩石标本。这个新的系统在西方的花岗岩（Haimson and Chang, 2000）首次进行了一系列的试验。接着又用该仪器对来自6355至6360米深度的KTB角闪岩核心进行了真三轴试验。模拟地底10公里的现场条件，将样本在最一般的受力状况（1 2 3）下加载至破坏。这些实验的结果在角闪岩的力学性能上提供了基本的数据，并在Chang and Haimson (2000)得到充分的描述。本论文将给出主要的结果和最新的阐述。TCDP项目承担着对1999年发生在台湾中部的集集地震（Shin and Teng, 2001）的破坏性的研究。由于地震的推动作用，在车笼埔断层处产生了100多公里长的地表破裂。在TCDP项目下，两个相距40米的钻孔（A和B）都钻通了车笼埔断层，并分别达到了1110米和1125米的深度。两块来自A钻孔2000米深度的短岩芯样本被应用于真三轴试验。Oku et al (2007)描述了在891米深度处（断层交集处以上）的岩石的试验结果。本文中提供了从深度1252米，在车笼埔断层大约140米以下的岩芯的试验结果。当地的岩石是一种属于亲水构造的砂岩。SAFOD项目为研究来自圣安德烈斯断层带活跃区域的孕震处的岩芯提供了前所未有的机遇。SAFOD最主要的钻孔在加利福尼亚州的帕克菲尔德的附近，这个孔洞在偏离断层1490米的地方垂直地钻进盐性的花岗岩中。这些来自于1465米深度的花岗闪长岩的核心部分被用于真三轴试验。本文总结了在ICDP项目中发现的三种类型岩石的测试结果，这项研究的意义在于描绘了中间主应力对角闪岩，粉砂岩和花岗闪长岩的各方面的力学性能的影响具有一致性，而与它们的来源地，结构和力学性能无关。这些效果无法在常规的三轴试验中观测到。2、试验岩石的物理、力学性能这次真三轴试验所用的三个岩芯代表了三个主要的岩石类别。它们拥有不同的年龄，以及来自与三个不同的大洲。KTB斜长角闪岩是一种奥陶系变质岩，TCDP粉砂岩是上新世的沉积岩石，SAFOD花岗闪长岩是白垩纪的火成岩。对于每一个岩石，我们进行了一系列标准测试，以确定一些基本的物理/力学指标（见表1）。角闪岩和花岗闪长岩是坚固和刚性的，而正如所料一样，粉砂岩是其中最弱和最柔软的，并拥有相当高的孔隙率。这三种岩石被假定近似于各向同性的。由于从这些国际钻探计划获得的核心的数量是非常有限的，所以不允许进行广泛的各向同性测试。在KTB孔洞中，Vernik et al (1992) 表明角闪岩拥有的强度的各向异性小于10%。TCDP中来自891米深度的核心显示对于单轴抗压强度的各向异性低于1%，而对于弹性模量则低于7%(Oku,2007)。依据对花岗岩的弹性性能的常识了解，我们可以认为SAFOD中的花岗闪长岩是各向同性的。3、实验装置和流程Haimson and Chang（2000）详细地讨论了威斯康星大学的真三轴加载系统。简单的说，它是一个包含在双轴加载单元的真三轴压力仪器。双轴单元由两个独立的伺服控制的液压回路驱动，将轴向和侧向荷载（有效1和2）通过压力容器中的活塞加载于19 19 38 mm3的矩形棱柱样本上。容器中受限的液体压强将第三方向的压力（3）作用在套筒内的试样上。该系统的能力是提供1600MPa的两活塞加载方向的压力和400MPa的环向流体压力。这使得测试在模拟地下10公里深度的压力情况下，将任何类型且不论其强弱程度的岩石加压至失败。1和2方向的应变是通过粘贴在3作用下的样本侧面的应变片来测量，3方的应变则采用安装平行于3平面的应变片横梁来测量。真三轴试验的流程可以随环境变化，但通常以恒定的速率增加三个主应力，直到3达到其预先设置的大小。此后，其它两个主应力一直提高到2达到其预先设置的大小。然后，当3和2保持不变，延伸最小的应变以5 10-6 S - 1增加，使1在达到一个高峰值后在快速破坏阶段减小。在三种岩石的每一块上都进行了四至六组真三轴试验。所有的试验都是在室温下以干燥的岩石作为样本。每组包含多个试验，其中3保持不变，2随着试验不同而改变。在KTB斜长角闪岩中3的变化范围是0-150MPa，SAFOD花岗闪长岩中是0-160MPa，TCDP粉砂岩则是0-100MPa。在每组试验中，2从2=3开始逐步接近于岩石的期望强度1,peak 。4、真三轴抗压强度图2显示了上述三类测试岩石的破坏的应力状态。每个研究的试验给出的真三轴压强1,peak被作为描述应用应力2的一项功能，而且属于同一组（应力3 相同）的数据点被分配了相同的标记。我们为每组试验绘制了最佳拟合虚线。从图2中可以明显的看到两种结晶岩的2和3强度比碎屑粉砂岩大。然而，尽管强度不一样，但是它们的中间主应力有着相似和一致性。当2大于3 并增加时, 1,peak也不断增加直至2的大小，然后1,peak进入平衡阶段，最后开始下降。当2接近1,peak的时候，抗压强度就达到一个相近的水平，但通常比2与3 相等的时候大。在试验中可以观测到，当岩石的强度停止增加的时候，2的大小是3的至少三倍，这种现象在原位试验中很少见到。从图2中可以看到，抗压强度有了很大程度的增加，比应力2和3相等的时候增加50%以上。抗压强度的增加没有应力3增加的那样明显，但依然很大。所观测的力学性能符合1968的从能量角度考虑的Wiebols and Cook 理论，这一理论预测当3保持不变时，2开始增加并超过3。随着应力2逐步接近1,peak，抗压强度也首次增加并逐步接近应力2的最大值，然后开始减小。在试验中还可以观测到，当岩石形成的剪切区域（应力3方向上发生的陡峭倾斜的断面）达到峰值时，岩石将发生脆性破坏。陡斜断面的发展与常规的三轴试验测试的现象时相识的。不过，只有通过真三轴试验我们才能发现断层走向和倾角的一致性。5、真三向轴抗压强度标准在图2所示的试验结果之上，为了建立一个能满足任何一种岩石的统一的强度标准，我们第一次验证了纳达依标准（1950年）的适用性在二维的莫尔标准( =f M ()中，和是作用于破坏平面的剪应力和正应力，f M是一个单调递增函数。纳达依通过将三个主应力中的剪应力，正应力分别替换成八面体剪应力oct和八面体正应力oct（即平均正应力）把二维的摩尔准则提升至三维的准则。纳达依准则表明只有当破换面的八面体剪应力和正应力与单调递增的函数Fn相关联，脆性材料才达到其压缩强度：其中 我们将全部的数据点重新画在图2oct和oct相比较的区域中，并得出一个适用于每种岩石测试的纳达依类型强度标准。我们可以从图3中轻易地看到一个明确的趋势，但是由于数据的分散，在任何情况下都是幂函数的最佳弯曲线都有着很大程度的不确定性。对于KTB闪岩，SAFOD花岗闪长岩，TCDP粉沙岩分别如下：正如杜拉克布拉格(1952年)的建议那样，我们尝试着在等式2中对函数fN线性化来简化纳达依准则。这等同于将莫尔库仑准则应用于三维空间：其中c1和c2是阳性材料常数。三组实验结果的线性拟合曲线也合理地近似于岩石的强度，这些曲线也存在着和幂函数的等式2中相似的不确定性：对于KTB闪岩，SAFOD花岗闪长岩，TCDP粉沙岩分别如下：茂木清夫教授（1971）提出，以三维的平均应力oct为独立变量的纳达依类型准则更适合用来表明岩石的屈服特性，这一准则也适用于其它所有的岩体。如同所测试的三个岩石，岩石发生以局部剪切的脆性破坏，并在2方向产生一个单独的破裂面。针对这一情况，茂木提出独立的变量应是作用在裂缝处的平均应力(1+3)/2:从图4中可以看出，三种岩石的测试数据很好地论证了茂木脆性破坏准则。假设最佳拟合曲线fT是一个幂函数，由莫尔强度理论得到KTB闪岩，SAFOD花岗闪长岩，TCDP粉沙岩的强度分别如下：相关系数R很有用，并且其中几乎不存在离散的数据（图4）。试验数据也很好地符合oct相对与m,2区域的线性函数（一种改进型的杜拉克-普拉格准则）。对于KTB闪岩，SAFOD花岗闪长岩，TCDP粉沙岩分别如下：线性化的茂木型强度准则非常适合三种岩石的试验数据，并且比幂函数的准则更容易使用。然而，从最佳线性曲线与试验数据的相关性来看，当2较大的时候线性化的茂木准则容易失去其准确性。6、断层面角度和中间主应力如果不考虑岩石的类型，在真实的三轴压力条件下将样本测试至破坏，样本会在12平面形成明显的破裂面，同时在3方向发生陡峭的倾斜。显著地，相对于常量3 的断层角度会随着2的增加而增加（见图5）。这种趋势在所有的三种岩石中都是相似的。在对已规定的3测试2的应力变动范围中，当23时，破坏的角度就会从它们的基本值开始增加至20。这种力学性能表明断裂面变陡是和岩石的中间主应力大小的增大有关。Haimson和Rudnicki(2010)模拟了使用定位理论，在屈服函数和塑性能力有三个不变的形式下，断层角度随平均压应力和偏应力状态的变化。基于这一理论的断层角度变化的预测能够恰当地吻合试验的结果。详见这次的讨论与结论部分。7、真三轴加载情况下的可变形性三种岩石的常见现象是在1方向不断加载而另外两个主应力方向恒载时，3方向上的应力-应变现象表现出的加快扩张现象比另一个主应力当试样接近碎裂的时候要明显许多，这表明诱发和重新导致微裂隙产生的最终脆性疲劳主要和1-2平面平行，往3方向延伸。根据所记录的三条应力应变曲线，在给出最小主应力的情况下计算容积应变(V/V)，逐渐增大所应用的2以及1最大值，测绘出(13) vs.V/V曲线。当1增大时，膨胀发生在测定体积的应力应变曲线与原来的弹性直线相分离并且开始向后旋转的拐点处。这个点被视为为当微裂隙开始出现或者重新开始出现的临界点。这个发现在给定3，而只能判断出一个膨胀开始点的传统三轴试验中的成就非常显著。由于膨胀的开始被视为微裂隙出现的征兆，这个趋势的意义就在图7中所表示的，不管是什么类型的岩石，在给定3时，中间主应力在应力-应变现象的弹性范围中开始扩张，换句话说，妨碍脆性疲劳的开始。8、脆性疲劳的微观力学我们通过电子扫描显微镜来检查试样失效的断面来研究在三项ICDP要点中脆性疲劳过程的各个方面(SEM model JEOL JSM-6100).。剖面主要沿着13平面被切开，显露出被创造出的贯穿断层的侧面。图8表明了在每个被检测的岩石中出现的脆性疲劳中所出现的主要断层电子背反射图像。这两个水晶石出现了近似平行于主应力1的成簇的微裂隙，并且集中在沿着彻底疲劳变成朝3方向陡峭倾斜的倾斜断层的一条带上。断层的剪切位移的迹象在KTB图像中可以明显观测出。然而，在TCDP泥沙岩中，只有近似平行于12平面的零星的晶粒间微裂隙被观测到，可能是在纹理碎裂之前就断裂的弱黏土基质所导致的。主要断层并不以清晰的二维方式扩张，而是断层沿着由一些微粒或者先前存在的结构所组成的障碍物导致弯曲的路径。应该注意的是这里所描述的微观力学现象相似于受到传统三轴应力的岩石中所观察的现象，除了被2方向所规定的微裂隙和断层的情况。9、讨论和总结从这篇论文中可以学到的的主要是各种岩石与中间主应力相关的力学性能的相似性，不管它们的起源，年代，质地或者是力学性能。中间主应力对抗压强度有重要影响。如图2中所示，常用的MohrCoulomb强度准则只是对真实岩石强度的保守估计。当2数量级增大时，在引用MohrCoulomb强度准则时，抗压强度会变得当比2=3时大。岩石测试显示一个常见力学现象关于强度(1,peak)作为2的一小部分，在2稳定增长后达到了一个稳定阶段，接着当2接近1,peak.时，呈现下降趋势。这个现象以Wiebols and Cook(1968)准则为背景，Wiebols and Cook(1968)准则是由储存在作为施加力荷载一小部分的沿着裂隙表面所产生的格里菲斯裂隙周围的能量所得出的。由不同3值所得出的1,peak vs. 2理论值形式预示了一个由更高2强度降低时所引起的增高的相似强度。图2中所显示的实验结果表明在三种岩石类型二维强度准则中，比如MohrCoulomb, 或者 Hoekand Brown，仅在特殊情况比如2=3时是准确的。不论何种类型的现实。由于在现场测量结果中很少出现主应力相等的情况，(