应力激活电流与软化岩石＊

Freund F T，Hoenig S A，Braun A，Dahlgren R P，Momayez M，Chu J J

1）NASA Ames Research Center，Earth Science Division，Code SGE，Moffett Field，CA 94035，USA

2）Department of Physics ＆Astronomy，San JoséState University，San José，CA 95192－0106，USA

3）Carl Sagan Center，The SETI Institute，Mountain View，CA 94043，USA

4）Department of Electrical Engineering，University of Arizona，Tucson，AZ 85721，US

5）Bose Corporation，Electro Force Systems Group，10250Valley View Rd，Eden Prairie，MN，55344，USA

6）Department of Mining ＆Geological Engineering，University of Arizona，Tucson，AZ 85721－0012，USA

7）Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing，China

应力激活电流与软化岩石＊

Freund F T1，2，3），Hoenig S A4），Braun A5），Dahlgren R P2，3），Momayez M6），Chu J J7）

1）NASA Ames Research Center，Earth Science Division，Code SGE，Moffett Field，CA 94035，USA

2）Department of Physics ＆Astronomy，San JoséState University，San José，CA 95192－0106，USA

3）Carl Sagan Center，The SETI Institute，Mountain View，CA 94043，USA

4）Department of Electrical Engineering，University of Arizona，Tucson，AZ 85721，US

5）Bose Corporation，Electro Force Systems Group，10250Valley View Rd，Eden Prairie，MN，55344，USA

6）Department of Mining ＆Geological Engineering，University of Arizona，Tucson，AZ 85721－0012，USA

7）Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing，China

当岩石受到机械应力作用时，隐藏的电子缺陷就被激活。这种激活会产生通过释放高移动性的缺陷电子使岩石电导率增加的电子空穴对，相当于O2－点阵中存在的O－，叫做正空穴，用符号h·表示。这种电荷载体h·能够从受到应力作用的岩石中扩散到周围未受应力作用的岩石中。阻止h·流出改变了岩石的力学属性：使它们得到软化和弱化。进行中的研究针对与电荷载体h·相关的波函数的非定域作用，这种作用广泛影响到许多周围的O2－。尽管这种正空穴的数量密度可能低至千分之一，但实质上岩石子集中所有的O2－失去了一些电子密度。这种电子缺失会弱化阴阳离子间原子键的作用，从而影响到岩石的力学性质。

引言

岩石变形与破裂已经从岩石力学的角度得到了广泛的研究［1－2］。但是，岩石受应力作用也会产生电的成分。因为大多数岩石都是良好的绝缘体，因此由应力引起的电导率的变化并没有引起太多的重视。很早之前就有过关于增加载荷导致岩石导电性增加的报道。这种增加一般被解释为是由于压缩造成的晶粒间的接触［3－4］，或者是由于空穴的形成造成的电化学势的降低，即晶粒边界处空间电荷速控离子的扩散［5］。

Postnikov［6］曾指出，切割对岩石的电物理和电化学属性都有显著的影响。根据Balbachan和Tomashevskaya［7］的结果，当充入静电荷时岩石的强度会降低，例如摩擦强度的降低。据报道，这种强度降低的幅度可达50%。既然在典型岩石样本中摩擦产生的电荷载体数量相对于总的原子或离子数来说是非常小的，那么问题就上升到了诸如力学强度之类的岩石宏观性质如何会被相对小数量的电荷如此显著地影响。

1 岩石电荷载体的应力激活

当岩石受到应力作用时，电荷载体就会被激活。电荷载体预先存在于许多组成岩石的矿物的晶体阵列里，尽管其电性是不活动的或隐藏的，它们与负氧离子化合价的改变相关［8－9］。

大部分矿物中的负氧离子是以－2价的形式存在的，即O2－，与阳离子进行电荷补偿，形成［SiO4］4－及［AlO4］5－等四面体。许多组成岩石的矿物是不含水的，这就意味着它们的晶体结构中不应该含有氢氧根离子，即O3Si－OH或O3Al－OH。然而，任何结晶于含水岩浆或者在高级别变质环境中重结晶的矿物一定会含有少量的水。描述这个过程的简便方法是通过O3Si－O－Sio3键的水解：

但是，很早之前就已经有人描述了成对的O3Si－OH重新排列生成过氧链的过程［10］。

这种过氧链是属于上述电荷载体的惰性形式。当施加的应力使矿粒发生位错交换时，过氧链将会交叉从而导致断裂，外部O2－中的一个电子会跳入破坏的键中，并被困在那里，从而使失去电子的O2－转变为O－，即转变为电子空穴缺陷，又称为正空穴，以符号h·表示。这个过程可用方程式（3）来表示：

这种激活过程引起的显著结果之一就是产生了两种不同类型的电荷载体，即电子e’和正空穴h·。其中e’是被束缚着无法移动的，而h·却具有从受力岩体中流出的能力［11］。它们沿着价带外层的对称能级在晶粒间移动。岩石中所有物理接触的矿物晶粒价带着电子连接。因此，它们形成了一个可以使h·沿着应力梯度方向传播的连续能量。而电子e’只有在具有金属或其他等效接触时才可以离开激活体。

2 实验结果

我们通过测量辉长岩在动态三线弯曲测试中的响应获得了它的模量K＊（图1）。实验采用3100型Bose ElectroForce ELF系统（22N载荷容量，±2.5mm位移）。

图1 3100型Bose ElectroForce ELF系统的实验装置，白色装置中为岩石样本

辉长岩薄板尺寸是10cm×20cm×0.5 cm，用金刚石从大块岩石中切割而来并风干，通过中央钢辊加载（图2），在0.1Hz到10Hz范围内以2N到5N的力进行加载。岩板的钢辊下方处以及两端都以铜作为接触介质，25μm厚的聚酰亚胺薄膜用以作电绝缘。我们在中央和两端之间加上直流电压，采用带有Bose ESG3.0版DMA软件的Wintest v4.1版进行数据分析。

图2 在中央钢辊（施加载荷处）与岩石两端施加正负直流电压的辉长岩的三线动态弯曲实验，聚酰亚胺薄膜用作电绝缘

图3 在三线弯曲状态下，电荷载体h·与e’的主要流向

图3简要显示了h·电荷载体在板的加载过程中的流动。假定大部分应力集中于岩石样本的中线处。忽略不计支撑岩板的两个钢辊上产生的应力。如果施加了静态载荷，h·将会从最大应力区向两侧扩散，同时电子e’也从板中央沿着导线流向板两端的铜电极。相对于岩样的两端来说，板中央会形成负电荷的聚集［11］，在开放电路环流状态中自发形成的电势差大概在2V左右。

在动态载荷的情况下，板内以及跨过板的电势差以一种更加复杂的形式变化，关于这种变化还需要进一步的研究。

图4和图5展示了粘弹性现象：在板的中央与两端之间施加不同的电压时，模量K＊随频率从0.1Hz到10Hz作用的变化。

图4 在对辉长岩板施加正电压时，模量K＊随频率的变化

图5 在对辉长岩板施加负电压时，模量K＊随频率的变化

在正电压的情况下（＋1V、＋2V、＋5 V、＋25V，图4），即当辉长岩板的两端相对于中央带正电时，模量K＊的变化相对简单：在＋1V、＋5V和＋25V时，K＊随着机械频率的增加而增加，频率在0.1～5Hz时，模量K＊的增加较平缓，频率大于5Hz之后，模量K＊的增加变快。在施加＋2V电压时，施加的电压正好与自生的电压相平衡，从而阻止了h·的流动。结果就造成了在频率大于5Hz时，K＊值降低。

在施加负电压时（－1V，－2V，－5V和－25V，图5），即当辉长岩板的两端相对于中央带负电时，模量K＊的变化就更加复杂：当频率为0.1～5Hz时，K＊似乎是独立的，并不随频率而变化，但当机械频率超过5Hz时，模量K＊却开始增加。这种相对于正电压时更加复杂的变化或许是由于在动态载荷的情况下，辉长岩板中不同的部分经历着张压交替的应力变化。我们相信这种交替影响着岩石中h·流动的方式，因此同样影响着岩石的力学性质，但影响的方式目前还不太清楚。

3 讨论

粘弹性行为意味着形变随着应力加载速率的改变而变化。本文我们报告了电激发引起的岩石力学属性的变化。研究的岩石是既不含石英又不含其他具有压电性矿物的辉长岩。因此，我们可以肯定地说，观测到的辉长岩的响应与压电性质无关。事实上，压电性质也并不能在受力岩体中使电荷载体产生、激活或者运动起来，而只是在弹性限度范围内产生一个电势差，这个电势差随施加应力成比例变化。

在这里描述的例子中，通过对辉长岩施加应力，我们增加了应力区电荷载体的集中。我们激活了电子空穴对e’－h·，其生命周期为几分之一秒、数分钟、数小时、甚至数天。我们对岩板施加的载荷的量值以及量值的增加速率越高，激活的e’－h·对的数量就越高。e’不能从受应力的区域流向未受应力的区域，因为它们依然被束缚着，而h·却能移动。h·的外流产生了一个最初随着应力的增加而增加，随后到达一个饱和值的电势差。稳态电压相对稳定，其依赖于应力加载的速率，即随着加载速率的增加而增加。

电荷载体h·的外流似乎影响着岩石的力学性质。图2和图3中展示的三线动态弯曲试验的几何状态并不能完全合适地说明这种影响，因为应力不仅产生于中央钢辊下方的区域，而且还产生于岩板两端附近支撑钢辊的上方区域。另外，施加的应力在±最大值之间正弦变换。e’－h·对的生命周期是有限的，且大于其所承载应力的周期。这使得图3中h·的流动更加复杂。因此，所显示出来的力学响应更加复杂，正如图4和图5所示。

我们在图6和图7中展示了一组容许h·电荷向周围岩石放射性流动的一系列不同的测试。由图可知，应力在靠近钻头的围岩中高度集中并向四周衰减。在图6的实地测试中，地表被作为反电极。h·流既能够从钻柱方向向地表流动，又能够通过对钻柱施加－60V的电压而阻止其流出。

图6 用回转式凿岩机（8 600磅）钻进在富含粘土的围岩中的测试。施加和未施加－60V电压两种情况，允许应力激发电流流入地表，钻进速度在6min钻进12英尺后变慢。施加反电压时，仅3min就钻进16英尺

图7 白色大理岩的实验室测试。当电流失效时，钻头持续钻进，在100min内钻进70cm；当电流没有失效时，整体钻进速度变慢，而且在60min后钻头出现了损坏的迹象，此时仅钻进30cm

图7是实验室测试，将块体连到一个反电极上，h·要么能够流出，要么施加反电压阻止h·流出。

随着钻头上小区域应力的高度集中和h·电荷载体的放射状流出到围岩中，被钻岩石的力学性质发生了改变：当h·电荷载体流出时，岩石变得坚硬，且难以钻入；当h·电荷载体被阻止流出而被强制留在受力区时，岩石变软，容易钻进。

上述讨论将我们带回到图2和图3所示的动态弯曲测试结果中。图4中模量K＊显示的低值只出现在＋2V电压的情况中，而没有出现在＋1V，＋5V和＋25V的反电压情况中。在负电压测试中得到了相似的数据，除了在－25V，0.1～7Hz中的K＊值比较低，7～10Hz的K＊值增加。很明显，±1V不足以阻止h·外流。±5V及更高的反电压颠倒了流动模式，使得h·从板的两端流向中央电极。Freund等［12］同样应用辉长岩做了该实验，在相对较快的加载时，表层电压很快增加到＋3V。因此，2V的反电压对h·流出的阻止是有效的。－2V时效果仍然存在，这是由于沿着3条所有接触线的动态加载情况和复杂应力分布的存在。

为了了解h·电荷载体的扩散如何影响岩石的力学性质，我们必须采取更加仔细的方法研究它们的波函数和传导方式。

控制h·传导的基本步骤是：当O2－和O－以热运动的形式相互靠近时，O2－很容易失去一个电子变成O－。Shluger等［13］将这个过程描述为声子激发的电子跃迁。在常温（大约300K）状态下声子振动的平均频率为1012Hz／s，电子跃迁的距离大约为2.8°A（2.8×10－10m），正电子空穴脉冲的最高速度为280m／s，与报道的实验结果里200～300m／s的移动速度一致［14］。

通过对MgO中h·电荷载体的激发的研究为波函数h·状态高度离域化提供了强有力的证据。换句话说，与h·相关的电子密度在许多临区的O2－阴离子中扩散［15－16］。图8显示了以MgO为实验材料，在10×10×10的氧原子位置分布中，h·的离域化。

因此，即使在1 000个O2－中只存在一个h·，所有的O2－将会相对于没有h·的情况电子密度略微降低。结果许多MgO的基本物理性质受到影响，包括热膨胀和折光率［17］。由此，h·波函数的离域化同样影响到岩石的力学性质也就不足为奇了。

图8 MgO的过氧缺陷。（a）未解离的自旋耦合的静止的状态；（b）解离的自旋解耦的状态，伴有h·电荷载体的波函数的离域作用（彩图）

4 结论

本研究建立在岩石包含潜在的可以被应力激发的电荷载体的认识上。大家所感兴趣的是正空穴，其数目等于O2－点阵中的电子缺陷O－。我们的观测报告说明了h·波函数的离域化影响到了岩石的宏观力学性质。即使h·的数量密度仅为1∶1 000，系统中每个O2－的电子密度都会降低，这就导致了阴阳离子间的库仑力作用的整体降低，由此导致岩石中阴阳离子键的作用弱化。可以确信的是，在动力加载中，与离域化有关的近场形变场中的h·会沿着应力梯度的方向移动，由此造成了图4和图5中所显示的粘弹性响应。在未来的工作中，我们将从实验中和理论上对本文所提到的做进一步的研究。

致谢

本研究部分由NASA的地表和内部（ESI）项目支持。

译自：Proceedings of the 5thInternational Symposium on In-Situ Rock Stress“Rock Stress and Earthquake”，Edited by Furen Xie，CRC Press／Balkema，Leiden，The Netherlands：839-844，2010

原题：Softening rocks with stress-activated electric current

（中国科学院研究生院地球科学学院研究生米琦译；张琴琴校）

（译者电子邮箱，米琦：miqi3007＠163.com）

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