高温下岩石破坏破坏及声发射的时间序列特征

高温下岩石破坏破坏及声发射的时间序列特征

0环境对岩石压缩破坏过程的影响岩石变形和破坏的性质随着深度而变化。板内浅源强震震源深度主要分布于地壳内流变曲线所控制的高强度区段内。这些区段主要由花岗岩、闪长岩、辉长岩等组成。在实验室模拟地下深部温压环境,研究岩石受力变形过程中内部群体微破裂声发射事件(AE,下同)的时空演化,是研究深部岩石性状及破坏失稳过程的有效方法。基于岩石破裂过程的尺度无关性质,这样的研究对类比认识地震破裂过程具有重要的启迪意义。由于问题的极端复杂性,首先研究温度或围压单因素的影响是有益的。本文将在400MPa围压条件下,着重分析环境温度对花岗岩变形破坏过程及AE时序特征的影响。之所以选择400MPa围压,是因为在固体围压条件下,较低的围压与摩擦校正量相当,误差太大;而围压太高又增加了实验的难度。1样品采集和测试分析本文的实验是在中国地震局构造物理开放实验室高温高压伺服控制三轴实验系统上进行的。以NaCl作围压传压介质,围压的设定已考虑了固体围压介质的摩擦影响。对实验的应力-应变关系进行了高温条件下岩样半延性-延性变形的修正1。温度采用英国West4400智能型控温表控制,温控精度为0.25%,但由于热电偶与加热部件的隔热问题,本组实验中实际温度与设定温度的最大偏差约为10℃。以平均粒度为0.8mm、干燥的居庸关花岗岩为实验样品,样品高20mm±0.2mm、直径10mm±0.2mm的圆柱体。实验装样方式如图1所示。实验的升温、升压途径是:前期以5℃/min匀速升温,最后30℃以2℃/min匀速升温,同时轴、围压以静水压的比例平稳缓慢地增加,使预定的温度和围压条件基本同时达到。待温度分布均匀、稳定之后,轴压以2×10-4/s的等应变速率继续加载。AE探头频率响应为5MHz,采样间隔0.2μs,8位采样精度,每次触发采样2048点。探头用硅油耦合于容器下底座的上端面上。AE强度的自标度形式仅涉及本组实验结果之间的相互比较,定义为Μ=log[∫g(t)dt](1)M=log[∫g(t)dt](1)积分对全波形进行。g(t)与强地面运动研究中地动振幅标准差函数的定义一致,即g2(t)=1Δt∫t+Δt2t-Δt2a2(t)dt(2)g2(t)=1Δt∫t+Δt2t−Δt2a2(t)dt(2)式中,a(t)为t时刻附近一个极小的时间间隔[t-Δt2‚t+Δt2][t−Δt2‚t+Δt2]内AE加速度记录的平均值。g(t)给出表面运动强度随时间的变化,包含了持续时间的概念以及振幅强度随时间变化的细节。2结果分析2.1渐进式破坏特征400MPa围压下,岩石强度随温度升高而降低(表1,差应力曲线见图2。对有突发失稳的情形,岩石强度定义为差应力曲线上的峰值;对渐进式破坏的情形,强度为差应力曲线明显开始转平的拐点,此点表征了完整岩样总体的破坏)。破坏的力学方式随温度升高由突发式失稳、准突发式失稳逐渐转化为渐进式。介质的破坏类型在350℃以下以脆性或半脆性剪切破裂为主,而高温时则显示为半延性和延性:室温(约20℃)下破坏为贯通的主剪切破裂,出现典型的剪切破坏和粘滑失稳;150~250℃时,仍然为脆性破裂,应力-应变曲线有微小的粘滑抖动,峰后强化,表现准突发失稳特征;温度在350℃附近时,变形破坏出现石英的塑性变形;550~850℃时,强度明显降低,无声发射,宏观上转化为延性,样品渐进式破坏。从微观上看,550℃时以石英和长石脆性微破裂与石英塑性变形共存为特征,形成半脆性碎裂流动;650℃时,碎裂流动呈带状分布,带外区域无粒间或粒内破碎,而是出现石英波状消光、亚颗粒化和重结晶,向位错蠕变过渡,具有半延性流动的特点;850℃时以晶体塑性变形为主,并出现部分熔融,样品进入延性状态。2.2高温破前、破后地层力学特性岩石变形过程中AE时序特征的研究,大多是在常温下着重分析岩石强度、围压、含水量,以及预置构造,和加载方式,等对AE时序特征的影响。涉及加温的实验大多是在单轴条件下、研究温度或升温速率对岩样波速场和岩石热开裂声发射m值的影响。较高围压及不同温度条件下的成果尚未见有系统报道。本文的实验结果显示,400MPa围压下,AE随温度升高而迅速减少,这在破前表现尤为明显(图2,表2)。出现AE以及AE活动明显增强的差应力水平随温度升高亦有所提高:在常温下,当差应力达破裂强度的50%左右时AE明显增多,并随失稳的临近而愈加密集;150℃及250℃时AE明显增多出现在差应力达到破裂强度的70%~80%以后;在350~550℃时,破坏前后声发射活动更为稀少;高温情况下(650℃及850℃),破前已无AE记录。由于破前及破后AE分别主要由脆性微破裂事件及宏观破裂面摩擦滑动过程中的微粘滑事件产生,因而高温下完整岩石的变形过程已难有脆性微破裂发生。破前AE活动的一个显著特点是,当温度不太高时(250℃以下),岩样失稳以脆性剪切破裂的突发或准突发失稳为主,随破坏的临近,AE总体上愈加密集,累计频次Σn符合指数型增长模式(图3,表2)∑n=αeβ(σσ0)(3)∑n=αeβ(σσ0)(3)式中,σ0为岩石极限强度,σ为差应力,σ/σ0为归一化差应力,α、β为常数。AE累积频次随规一化强度σ/σ0指数增长,速率β随温度增加而减小。在脆性域内,假定含裂隙的介质,在缓慢的载荷作用下,由于裂纹尖端的应力腐蚀(stress-inducedcorrosion),裂隙以亚临界速度传播,传播速度ν与应力强度因子k之间的经验关系一般写作ν∝ek,不同的介质材料均有类似的关系,仅比例系数有所改变。对无限、均匀介质中的二维裂纹,有k=CΔτX1/2,其中C为几何常数,Δτ为静态应力降,X为二维裂纹的长度或二维圆形破裂的半径。由前述二式并在Δτ与时间无关的假设前提下可得ν=e-k0ν0ek0√(XX0)(4)式中,X0、k0及ν0分别为准静态破裂生长起始时(t=0)的初始裂纹长度、初始应力强度因子及初始传播速度。由式(4)可知,由于稳滑裂隙X的增长,导致尖端传播速度ν按指数增大(加速到无穷大时定义为失稳)。由于裂隙尖端以指数增加的速度ν破裂并扩展,因而较低温度条件下,完整岩样破前微破裂(AE)累积频次的指数增长即不难理解。2.3不同温度对岩石变形事件b值的影响由于实验条件的限制,以往大多数的b值实验研究基本上是在常温及单轴条件下,着重研究介质类型及轴向应力状态对b值的影响。早期的工作可追溯到60年代Mogi和Scholz的研究。我国80年代大规模的b值模拟实验研究结果已由耿乃光综述,认为b值主要决定于应力状况和介质性质,此外还受构造条件、温度、流体、加力方式等诸多因素的影响。近期的研究表明,b值在岩样破坏前具有明显的降低过程,最小b值出现在断层成核阶段,。400MPa围压及不同温度条件下,花岗岩变形过程中AE群体事件符合幂律的标度关系LogN=a-bM,其中N为强度大于等于M的AE数量。以岩样破坏强度为界划分破前和破后二个阶段,上述关系对破前、破后及整个实验过程普适,但线性标度范围一般仅跨越2个数量级,少数甚至仅跨越1个数量级,这主要由于AE记录系统8位测量精度所限。不同温度条件下破后b值均小于破前b值(表3),表明围压固定的前提下,粘滑b值一般小于脆性破裂的b值。实验结果还显示,b值与温度密切相关,无论破前、破后还是整个实验过程,总的来看b值在低温时较高而在高温时较低,并以350℃附近为最低(表3)。从前述破坏形式来看(表1),350℃是400MPa围压下岩样破坏形式发生改变的温度条件。因而,群体微破裂或微粘滑事件在导致样品突发或准突发失稳的较低的温度条件下,具有相对较高的b值;而在导致样品渐进式破坏的较高的温度条件下,b值却相对较低。2.4ae时间序列的多标度分形关系指数型的分形标度关系是表征系统临界行为最重要的物理规律。对自然界真实系统的非线性动力学过程而言,简单的标度关系往往是一系列的,多标度分形理论对描述和理解这样一大类非线性动力学过程所产生的复杂结构具有重要意义。地震领域的工作显示,地震事件的时、空分布在一定的标度范围内显示自相似或自仿射分形特征,已有学者运用多分形Dq~q谱或局域标度指数谱f(α)~α对其予以描述,。实验方面的工作同样显示,岩石破裂实验中,在时、空、强方面都发现了分形结构;雷兴林等还曾重点讨论了微破裂源空间分布的容量维数与岩石粒度的关系。就AE时间序列而言,首先计算q阶信息维Dq谱。之后由下式构造f(α)~α谱:α(q)=ddq[(q-1)Dq]f(α)=qα(q)-(q-1)Dq}(5)若AE时间序列具有尺度无关的标度性质,则f(α)~α谱一定表现出一些普适的几何特征,如f(α)对α轴上凸、f(α)在q=0处取极大值、在q=±∞处具有无穷大的斜率等。这些普适特征可作为判断AE时间序列是否具有多标度分形关系的依据。着重考察不同温度条件下AE时间序列f(α)~α谱形态的差异,因而不区分破前或破后等阶段。部分实验全过程AE序列的标度指数谱(q从-4到4变化)如图4所示,其他条件下由于AE数目太少而无法得到统计可信的结果。由f(α)~α谱对α轴上凸,在统计误差范围内f(α)在α(0)处极大,具有前述的普适特征,表明其具有指数型的多标度分形性质。f(α)~α谱两端不对称,f(αmin)一端相对较高。由于f(α)表征奇异性指数α在某个子集上的取值概率,因而这一现象表明AE时间序列诸多标度类型中,靠近αmin一端所占比例较大。由于α(q)随q增大而单减,αmin相应于qmax>1,主要反映分布概率较大(密集)子集的性质,因而不同温度条件下AE时间序列的多标度分形性质主要决定于其时间密集特征。奇异性强度因子α的分布范围αmax-αmin)在低温时较窄而高温时较宽(图4,表4),表明AE时间序列的标度类型随温度升高而增加,意示着其结构趋于更加复杂、紊乱。3从破坏类型的角度区分ae的特征在400MPa围压及室温至850℃温度范围内,对花岗岩变形破坏过程中介质的破坏行为、声发射时序特征、b值以及时间结构等进行了较详尽的研究,得到以下主要认识:(1)岩石强度随温度升高而逐渐降低。破坏方式由低温突发失稳转变为中温准突发失稳直至高温渐进式破坏,转化温度分别在150℃和550℃附近。介质的破坏类型由脆性剪切破裂与粘滑(20~250℃)经半脆性破裂(350℃)过渡到半延性流动(650℃)和最终的延性暂时出现塑性流动和部分熔融850℃。(2)温度不太高时(250℃以下),随破坏强度的临近,破前AE累计频次指数增长,但指数增长速率随温度增加而减小。随温度的升高,AE数量迅速减少,高温情况下破前已无AE记录。出现AE活动及AE活动明显增强的差应力水平亦随温度升高而有所提高。(3)无论破