岩石热破裂与非均质性关系的研究

岩石热破裂与非均质性关系的研究

岩石由各种材料组成，其中岩浆岩种类和含量的差异构成了不同的岩石类别，如形状、结构和组成。随着岩浆岩资源的热胀，原始岩浆岩和支那的热胀生物之间不可避免地会发生热态平衡。随着温度持续上升，直到热态平均力大于矿物的分解强度，岩芯内部出现裂缝，这就是岩石的热断裂。因此，在温度载荷的作用下的变形破坏过程中，其均匀质量对破坏的影响是决定性的。几十年来，基于均质度的研究取得了很大进展。岩石力学分析能否成功解决实际岩石工程中的问题，取决于岩石力学分析是否真实反映了设计岩体的不均匀性。前苏联学者马胡夫和中国科学家王昌汉在他们的作品中讨论了这一问题。岩石几何特征分布的不均匀性导致岩石的内部强度是不均匀的，而且这些特征的分散程度非常大。由于强度不均，岩石受到破坏，裂缝从岩石的最脆弱部分开始，并延伸。这些裂缝的组合将导致岩石的最终破坏。因此，有必要考虑岩石破坏，并引入岩石的不规则特性。大量实验证明,不同岩石在温度的影响下会产生不同的热破裂行为,这种热破裂行为在一定温度范围内具有突变现象——岩石热破裂具有温度门槛值,即不同岩石具有不同热破裂门槛值.综合前人的研究成果,岩石在温度作用下发生热破裂行为主要与下列几方面有关:(1)岩石中的成岩矿物种类及含量,各矿物晶体的结构、形态和物理性质等;(2)成岩矿物中所含结晶水、结构水的含量差异;(3)岩石具有的原生裂隙及其次生裂隙的数量、大小和形态.岩石热破裂的细观实验也充分说明了岩石在温度影响下的热破裂行为与岩石的种属、结构有着密不可分的关系,岩石的组成、结构、形态等各不相同决定了其在温度影响下会产生不同的热破裂行为.其中,矿物成分在岩石的热破裂行为的变化过程中起着决定性的作用,它导致了不同岩石具有不同的热破裂门槛值.在此,本文通过对试验确定的不同岩石热破裂门槛值与岩石中所含矿物的对比研究,了解岩石本身的性质与岩石热破裂门槛值之间的相关关系,为岩石热破裂的深入研究提供思路.1岩石的异质质量1.1岩石矿物细观结构与热破裂为了研究问题的简便,本文仅对影响岩石热破裂行为的主要因素进行讨论,暂不考虑其他因素.引入3点假设:(1)影响岩石热破裂门槛值的主要决定因素是成岩矿物,不考虑岩石内部的原生微小裂隙和次生裂隙等因素的影响;(2)对岩石热破裂门槛值具有决定作用的是质量(体积)含量大于1%的成岩矿物,而小于1%的成岩矿物则不予考虑;(3)岩石的热破裂门槛值是一个温度范围,为了研究方便起见,这里取温度上下限的算术平均值.通过以上假设,定义一个概念——岩石矿物的非均质度.它指的是岩石矿物某一物理量测量值的数学分布,表示岩样内部各矿物的测量值大小及各岩样测量值的变化.几种岩石的细观结构见图1.通过岩石矿物的非均质度值,我们可以了解岩石内部矿物的空间分布关系以及岩石内部各矿物含量的相对关系(见图1),并利用岩石非均质度指标对岩石热破裂行为进行探讨.非均质度定义包括两个方面:岩石矿物质量非均质度与岩石矿物体积非均质度.本文采用岩石热破裂门槛值与岩石矿物的非均质度,两参数均由实验测算得出,岩石的热破裂门槛值由热破裂实验直接确定,而岩石矿物的非均质度值则由XRD实验结果及下式计算得出.定义岩石矿物的非均质度为:Bn=1∑i=1,nb21(1)Bn=1∑i=1,nb12(1)式中:n为岩石所含矿物种类数;bi为各矿物某一物理量所占总物理量值百分比.(质量百分比m,体积百分比v);Bn为岩石矿物的非均质度.(质量非均质度Mn,或体积非均质度Vn).从上式可以看出,岩石质量非均质度Mn表示内部所有矿物质量百分比的平方和的倒数,其值的大小反映了岩石中是否有一种或部分矿物质量在整个岩石中占据优势地位,从而决定了岩石物理力学性质的非均质性程度.当组成岩石的矿物种类越多,岩石内部会呈现质量的不规则占据.岩石矿物的体积非均质度Vn,则表示组成岩石内部所有矿物成分的体积含量百分比的平方和的倒数.Vn的大小,反映了岩石矿物在岩石内部所展现出空间分布上的非均质状态.显然,当非均质度趋于1时,表明岩石为单质或几种矿物的集合体,该岩样具有统计均匀特性;当非均质度大于1并趋于无穷时,表明岩石为多种矿物的集合体,该岩样内部矿物的物理性质有显著差异,其热破裂过程是一个非稳定过程,具有明显的非均质特点.根据不同岩石样品的细观热破裂实验,对实验中获取的各类岩石的热破裂门槛值进行统计平均以及各岩样的XRD衍射分析结果,对组成岩石的各矿物进行统计分析和换算,确定各岩石的非均质度值.实验结果见表1.1.2岩石矿物非均质度与热破裂门槛值的关系非均质性的存在使试样的应力分布局部集中和变形局部化,是引起裂纹复杂相互作用和扩展贯通方式的根源.岩石的非均匀性对岩石的热破裂行为影响很大.通过图1可以直观看出岩样矿物的空间分布情况:鲁灰花岗岩的矿物晶体颗粒较为粗大而完整,空间分布均匀;长石砂岩的矿物晶体颗粒的空间分布较差,但比永城中砂岩矿物发育情况好;阜新细砂岩的组成矿物较多,空间分布复杂.通过计算得知,各岩样非均质度值的大小排序依次为:阜新细砂岩>永城中砂岩>永城长石砂岩>鲁灰花岗岩,计算结果与实际观察的结果是吻合的.XRD实验及热破裂试验表明,岩石的热破裂门槛值与所含矿物种类数呈反比关系,即随着岩石中矿物种类个数的增加,岩石的热破裂门槛值呈逐步下降的趋势.以岩石Mn为例,对岩石非均质度与热破裂门槛值进行分析,Mn—K关系见图2,拟合图2中的曲线,得到(2)式.质量非均质度与热破裂门槛值的拟合关系:K=169.05Mn0.2934(2)相关系数R2=0.8642,拟合结果比较理想.可以看出,随着岩石矿物非均质度值的减小,岩石的热破裂门槛值呈逐渐增大的趋势.曲线拟合结果表明,岩石的热破裂门槛值与其非均质度具有较强的相关性,两者表现出了较强的幂函数关系.统计分析表明,岩石矿物的Mn、Vn与岩石K的关系具有相似性.由上面实验结果分析可以得到,岩石的非均质度对岩石热破裂行为有影响作用,从而影响岩石热破裂门槛值.实验结果显示,岩石的非均质度越大,岩石矿物的分布也越复杂,越容易形成应力集中,导致较早形成热破裂网络.2岩石矿物非均质性与热破裂门槛值关系分析本文通过岩石热破裂试验以及XRD衍射分析,结合岩石的结构特征及非均质性,给出了岩石的非均质定量表征参数:质量非均质度和体积非均质度.对岩石非均质性与岩石热破裂门槛值关系进行研究分析表明,以岩石矿物的非均质性为研究对象,采用岩石矿物的非均质度参数为指标,能够较好地表征岩石热破裂门槛值的规律性,两者具有较为显著的相关性.岩石的质量非均质度(Mn)—热破裂门槛值(K)关系满足