脆性岩石损伤及物理性质演化的实验研究

王小琼

（中国地震局地球物理研究所，北京100081）

（作者电子信箱，王小琼：wxq4526＠163.com）

地壳岩石均含有一定数量的缺陷损伤，是强非均质和各向异性材料，性质复杂，取决于其所处的构造和地质环境。实验表明，裂纹对岩石的孔隙度贡献不大，几乎可以忽略，但却是影响岩石有效弹性性质的主导因素而非孔隙。增加裂纹损伤会显著地引起岩石物理性质，包括强度、弹性性质、力学性质以及各向异性等的变化。另外，大部分地壳岩石的裂纹和孔隙都处于流体饱和状态，裂纹中的流体通过化学和力学作用显著影响岩石性质的变化。因此理解脆性岩石受力变形过程中的损伤和物理性质的演化具有重要意义，是岩石力学的长期目标之一。

本文在国内外研究的基础上，基于不考虑裂纹相互作用的有效弹性介质理论，对岩石介质进行了假设：一是均匀各向同性介质，对应实验室中静水压状态。二是横向同性介质，对应于实验室中的偏应力状态（单轴和三轴状态）。围绕岩石损伤演化机理和过程，运用应变、弹性波速、渗透率、裂纹密度反演、声发射定位和矩张量反演等技术，开展了脆性岩石在受力变形过程中损伤及物理性质演化的实验研究。

（1）岩石的裂纹损伤，在微观上表现为结合键发生位错与破坏、原始微裂纹产生、扩展、贯通成核并引发最后的宏观破裂；宏观上表现为力学参数的降低，力学性能的恶化如应力应变性质、弹性波速性质。通过有效介质理论，将宏观的弹性性质与微观的裂纹密度结合在一起。裂纹密度演化的结果表明，由应力引起的垂直裂纹主要在岩石初始扩容之后才发生扩展，当应力达到岩石主扩容点的应力水平时，岩石中的裂纹显著扩展并形成破裂带。在初始扩容前，对于具有较多的初始随机裂纹损伤的岩样，随机裂纹会随应力的增加发生闭合。而对于初始损伤较低的岩样则不经历此过程。这个结果与应力应变曲线中的裂纹闭合阶段、弹性阶段、裂纹开始稳定扩展，非稳定扩展，峰值应力等阶段是一致的。声发射定位也表征了宏观的破裂过程与裂纹扩展、贯通成核演化的关系。微损伤的矩张量分析表明，在加载的最初阶段，裂纹是闭合机制。随着应力的增加，当应力超过初始扩容以后，进入了裂纹稳定增长阶段，此阶段远场应力对岩石内部闭合的裂纹尖端产生了拉应力，从而使原有的闭合裂纹开始滑动摩擦，损伤机制为Ⅰ型的拉伸裂纹。当应力进一步增加，超过主扩容点后，裂纹开始非稳定增长，生成大量的翼裂纹并局部成核，裂纹基本是剪切型损伤。当应力进一步增加，翼裂纹之间开始互相作用、贯通并形成宏观破裂带，这一阶段受力复杂，剪切型的机制表明裂纹扩展方式为Ⅱ型和Ⅲ型裂纹。

（2）初始裂纹损伤程度对岩石变形破坏过程中的物理和力学性质具有重要影响。相比初始损伤较小的自然岩样（未受损岩样），初始损伤较大的岩样（受损岩样）的纵波波速减少了近1 000～3 000m/s，渗透率增加了4～5个量级，且明显降低了变形过程中扩容对应的应力水平，而且使岩样的各向异性更早出现在岩样中。受损岩样最终的破裂方向在初始扩容时就已经被决定了，而未受损岩样最终的破裂方向直到应力达到主扩容点时才被决定，但受损岩样与未受损岩样在最终破裂时各向异性基本相同。AE的定位结果也表明，初始裂纹损伤越大，裂纹间越容易发生相互作用，从而越早形成局部剪切带。而不受损岩样的裂纹首先是均匀扩展在岩样中。

（3）由于岩样中增加的裂纹损伤，裂纹和孔隙中的流体对岩石脆性破坏过程中的物理力学性质也发挥着重要作用。流体的存在特别是难以压缩的流体如水的存在，则会对裂纹起到一个硬化的作用，减少裂纹对柔度系数的贡献，增加刚度系数即弹性模量，从而使岩石的弹性波速变大，可达2 600m/s（纵波）。实验结果表明，裂纹纵横比越低，水饱和模量比干燥模量增加就越大，说明了岩样中微损伤的形状对弹性性质具有重要影响，薄的狭长型裂纹比孔隙具有更显著的流体效应。另外孔隙流体通过亚临界裂纹扩展和应力腐蚀作用，影响岩石裂纹尖端的应力场强度因子，水弱化作用与加载的速率相关。蠕变的结果表明，包含流体的损伤岩样对应力更敏感，裂纹更易扩展。裂纹密度演化的结果表明，干燥状态的岩样在破裂前的垂直裂纹密度接近于0.35，而水饱和状态的岩样的垂直裂纹密度可能为0.5左右。