天然岩石单轴压裂过程磁组构响应实验研究

何耀宇,宋选民,李 斌,李自红,刘力强

(1.太原理工大学 采矿工艺研究所,太原 030024;2.山西省地震局,太原 030021;3.中国地震局地质研究所 地震动力学国家重点实验室,北京 100029)

天然岩石单轴压裂过程磁组构响应实验研究

何耀宇1,宋选民1,李 斌2,李自红2,刘力强3

(1.太原理工大学 采矿工艺研究所,太原 030024;2.山西省地震局,太原 030021;3.中国地震局地质研究所 地震动力学国家重点实验室,北京 100029)

首次以天然岩石样品为研究对象,对不同压力下岩石磁组构的变化特征及其与应力应变的关系进行了实验研究,监测了试件在压力不断增强的过程中内部微破裂事件及变形破坏过程。试验结果表明,以磁铁矿为主要载磁矿物的岩体(火成岩)样品,岩石磁组构对应力应变的响应较为明显,主要表现为在压力不断增强的过程中,磁化率各向异性度PJ的微弱增强,形状因子T值明显升高,磁化率主轴的快速旋转。本结果与前人利用人工合成的磁铁矿为载磁矿物的样品得出的研究结论基本一致。本研究结果可为天然岩石磁组构变化与应力应变关系的深入研究及磁组构构造意义的解释提供理论依据。

岩石磁学;单轴压裂;磁组构；天然岩石

绝大多数的岩石中均含有一定量的磁性矿物。由于种种原因,如沉积过程中沉积环境的影响、后期构造变形的改变等,使得这些磁性矿物颗粒或晶格往往呈现出定向分布排列的特征,表现为岩石磁化率各向异性(AMS)、非磁滞剩磁各向异性(AAR)或等温剩磁各向异性(AIR)等磁各向异性,这种现象通常被称为磁组构(magnetic fabric)[1]。其中，磁化率各向异性的应用较为普遍。自Graham[2]将磁组构作为一种快速、经济、无损性测量岩石组构的测量方法以来,磁组构已被广泛用于构造学、沉积地质学、岩浆岩石学，以及水文、环境、石油地质等领域,尤其在构造地质学领域发展较快。以往的研究认为,岩石的磁各向异性程度与其变形程度有一定的关系,岩石磁化率量值椭球体与岩石构造应变椭球体之间有对应关系,它们的三个主轴相互平行并一一对应(共轴性),大小也具有一定的比例关系。因此，可用磁化率椭球体形态和空间定向来分析和反推岩石所经历的构造历程、构造变形的性质及应力作用的方式、方向[3-12]，即岩石磁组构与应力应变之间的关系是利用磁组构研究构造变形的基础。

近几十年来,研究者从不同的角度探索磁组构与应力应变之间的(定量或半定量)关系,归纳起来主要有三类:

一是基于理论进行数学建模。截至到目前,主要提出了4种理论模型,即被动模型(Passive model)、线/面模型(Line/plane model)、粘性模型(Viscous model)和韧性模型(Ductile model)[3-5]。尽管这些理论模型发展较早,但几乎没有文献报道过这些理论模型与实验数据是否具有一致性或可比性，导致这种情况的主要原因是:1) 这些理论模型仅仅是数学抽象而被怀疑其不符合复杂的构造变形机制;2) 这些数学模型仅仅被概括性地提出来,而没有对具体细节进行详细的研究,导致后人对其进行重建或二次开发较为困难;3) 这些理论模型没有合适的图形来表示磁组构与应变二者之间的关系,给地质学家应用这些理论模型带来困难[3-5]。

第二类工作是前人通过研究已知应变的自然界岩石的磁组构,尝试建立二者之间的经验关系[5-8]。因为影响岩石磁组构的因素较多,基于这样的研究得出的经验关系往往停留在定性的层面,即认为岩石的磁组构与应力应变存在一定的对应关系,而无法给出量化的结论。

三是在实验室通过对岩石进行加压、加温,模拟岩石变形,用实验的方法来研究磁组构与应力应变之间的关系。Borradaile和Alford将磁铁矿颗粒与含石英-长石的沙子和水泥按照一定的比例混合,人工合成岩石样品,在实验室进行了样品磁化率与应力应变之间关系的研究，实验结果显示,压力可使磁化率主轴发生快速旋转,且样品磁化率各向异性度的变化与样品总的应变比率存在一定的关系[9-10]。近期，Till等人利用人工合成的磁铁矿-方解石样品在实验室进行了样品的剪切实验与磁组构分析，通过对样品进行分步加压和加温,促使样品产生塑性变形和重结晶，研究表明,样品在缺乏较强的初始磁组构情况下,磁组构的强度随着应变线性增加；若样品的后期变形叠加了较强的初始磁组构,在较低的应变阶段样品的初始磁各向异性出现明显的降低,然后随着应力应变的增加,磁组构快速增强,认为样品的初始磁组构在判定变形组构特征上可扮演重要角色[11]。

上述实验室的研究工作,丰富了人们对磁组构的认识，但为了简化试验条件,以往所有的实验均以人工合成的样品作为实验对象,至今尚无利用天然岩石样品作为研究对象，进行磁组构实验室研究的报道。自然界中的岩石,历经了漫长的地质演化,其复杂性远非人工合成的单一样品可比,天然岩石的磁组构能否如实、准确地反映构造应力作用的方式与方向，及研究区域的构造演化历程,尚有待于进一步验证。笔者试图通过在实验室对天然岩石样本进行分步加压与磁组构监测,探讨平均磁化率、磁化率各向异性度、磁化率椭球体的形状与主轴的方向等磁组构因素与应力应变之间的关系,寻求磁组构对应力应变的响应与变化规律,以验证、发展和丰富岩石磁组构相关理论。

1 采样区地质概况及样品采集加工

本实验的岩石样品采自于山西水峪贯地区的西冶岩体(37.683° N,111.917° E)。水峪贯地区位于山西吕梁山东麓,是太原西山向斜西翼的一个次级褶皱区。区内煤、铁、铅锌等矿产资源丰富,且构造发育,记录了山西台地隆起、断陷盆地的形成过程,并与矿产资源的分布、勘探及开采密切相关[13]。水峪贯地区也是山西省岩浆岩广泛分布的区域之一,采样点西冶岩体位于水峪贯地区西冶村西约2 km处,出露面积约6 km2,岩体形态呈蘑菇状,中心部分较厚,边缘呈舌状向围岩—中奥陶统石灰岩斜插[14]。岩性主要为二长岩,根据结构、构造和暗色矿物含量不同,又可分为等粒状透辉二长岩、似斑状二长岩、斑状二长岩和等粒状闪辉二长岩。

由于野外精确钻取岩芯较为困难,此次样品采集工作采用了野外采取块样，实验室钻取岩芯相结合的方法。在选取的采样剖面上,清除表面覆盖物，采用磁性罗盘进行野外定向，用地质锤等工具从新鲜剖面挖出块样,一共采集了10块大样。

样品的实验室加工包括描绘块样的倾向线，根据块样倾角用水平仪取平岩芯钻取面，固定块样并用YBZS-200型自动取芯机取芯，切割岩芯并用磨床打磨端面至误差在允许范围内(±0.01 mm)。加工后的样品为直径2.2 cm，高2.2 cm的圆柱形样品。总计加工了24个岩石样品用于矿物鉴定、样品加压与磁组构测试,每个岩石样品均完好无缺陷、表面光滑、上下表面平行。

2 样品矿物鉴定

岩石中磁性矿物的种类对磁各向异性有重要的控制作用，而岩石中的非磁性矿物在岩石变形过程中,也会影响磁性矿物的定向排列或重组,进而影响磁各向异性。因此,对岩石样品中磁性矿物与非磁性矿物的鉴别,是本次研究的基础。

2.1 岩石磁学测试与结果

为准确确定岩石样品中主要载磁矿物的种类与组合类型,对采集的样品进行了详细的岩石磁学分析,包括热磁曲线(χz-t曲线)、等温剩磁(IRM)获得曲线和磁滞回线。所有测试均在中科院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室完成。χz-t曲线使用捷克Agico公司生产的MFK1-FA测量,频率为976 Hz,温度控制系统为CS-3；为防止样品在加热过程中发生氧化,样品在氩气环境中加热；为了减少空管子背景值的干扰,每次加热样品前先烧一次空管子。磁滞回线和磁滞参数(包括饱和剩磁Mrs,饱和磁化强度Ms(A/m),矫顽力Bc和剩磁矫顽力Bcr)、IRM 获得曲线，及其反向场退磁曲线在室温下采用美国普林斯顿仪器公司生产的MicroMag3900型振动样品磁力仪测量。实验共选取了6块样品,分别进行了岩石磁学测量，选取其中具有代表性测量结果的实验样品测量值如图1所示。

图1-a为典型样品的χz-t曲线。所有样品的磁化率在加热温度达到580 ℃左右时都急剧降低,并接近于零,显示了磁铁矿的居里温度。所有样品的冷却曲线都显示出磁铁矿的热磁特征，并伴随磁化率值升高,表明样品中的磁性矿物主要为磁铁矿。图1-b为上述典型样品的IRM获得曲线及其反向场退磁曲线。IRM获得曲线在100 mT时接近饱和,S-ratio接近1,表明样品中低矫顽力的磁性矿物占主导。磁滞回线分析结果显示,大多数样品的磁滞回线较“瘦”,“细腰”特征不是特别明显(图1-c)。根据得到的磁滞回线参数绘制出的反映磁性矿物磁畴类型的Day-图如图2显示,样品中绝大多数磁性矿物都是以多磁畴形态(MD)存在。

图1 典型样品的岩石磁学测量结果:a-χz-t曲线;b-IRM获得曲线及其反向场退磁曲线;c-磁滞回线

图2 样品Day-图

综上分析认为,采集的岩石样品中主要的载磁矿物为磁铁矿,他们主要以多磁畴形态存在。

2.2 显微镜下岩矿鉴定结果

岩石样品中非磁性矿物类别与赋存形态的鉴定,采用的是样品磨片与显微镜下岩矿鉴定。图3为典型样品的显微镜下图像,样品中的斑晶主要为斜长石,次为正长石,可见少量角闪石斑晶,斑晶约占岩石总质量的35%～40%;基质为细粒结构,主要为正长石、斜长石、角闪石,可见极少量石英。副矿物为磷灰石、榍石、锆石、磁铁矿等,含量甚少。该岩石样品可命名为二长斑岩。

图3 典型样品磨片后的显微镜下图像

斜长石斑晶为半自形板状,粒度介于0.71～2.14 mm之间,多数因发生绢云母化表面呈不均匀的土状,但仍清晰可见其发育聚片双晶、卡钠复合双晶,有的具有环带结构,均匀分布;正长石斑晶为半自形状,粒度与斜长石斑晶相近,多数无色,个别因发生轻微高岭土化而表面略带不均匀的土状,发育卡氏双晶;角闪石斑晶为半自形柱状,粒度介于0.71～1.42 mm之间,具绿-淡黄绿色的明显多色性,斜消光,含量甚少。基质中正长石为半自形到它形状,粒度介于0.07～0.26 mm,均已发生强烈的高岭土化,呈土状,淡褐色,但仍清晰可见其发育卡氏双晶;斜长石粒度与正长石相近,半自形-它形状,多数发生了轻微的绢云母化或高岭土化,发育聚片双晶。角闪石为半自形状,粒度介于0.08～0.32 mm之间。石英含量甚少,为它形状,粒度介于0.01～0.10 mm,无色,低正突起,一级灰白干涉色。副矿物磷灰石为自形柱状,无色,中正突起;锆石为细小的双锥状,极高正突起,二级鲜艳干涉色;榍石为它形状,淡褐色,极高正突起,高级白干涉色;磁铁矿黑色不透明,它形状。副矿物多数分布于基质中,个别被包裹于斑晶之中,角闪石斑晶中常含有磁铁矿包裹体。

3 加压实验及磁组构分析

3.1 加压实验

本实验的设计方案为:在每个样品加压前,首先测量其初始(零压力)磁组构,然后确定加压的步长与加载速率,对样品进行分步加压;对于每一步加压实验,当压力达到目标载荷时,保持载荷稳定,并持续加压300 s后卸载,卸载后立即测量其磁组构;重复上述加压过程,直至达到屈服强度。

加压实验是在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室进行的,加载设备为WAW-1000微机电液伺服控制万能材料试验机,该试验机采用高性能伺服阀控制,加载速率均匀,并配备高精度压强传感器和位移传感器,测量精度高,完全能够满足单轴岩石加压测试的要求。加压实验的加载速率和每一步的目标荷载,是根据所选岩石样品的单轴抗压实验结果确定的，其加载速率为0.1 kN/s,共分10步进行加压,每一步的目标载荷分别为20,40,50,60,70,75,80,85,90,95 kN。将不同目标载荷下的加压实验后的样品,进行磁组构的测量与分析。

3.2 磁组构测量结果与分析

样品的磁组构测量是在中科院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室完成的，测试仪器是捷克AGICO公司生产的MFK1-FA,所用磁场强度为300 A/m,磁化率测量精度为2×10-8国际单位。样品测量结果如图4-图8所示。

3.2.1 平均磁化率Km

第二，农村环境治理的当期系数与滞后系数均为负数，其取值分别为-0.7152、-0.5286，且均在10%的显著性水平下通过了检验，这说明农村环境治理对我国农业绿色发展具有负向影响，与本文的预期影响一致。原因在于环境污染治理投资总额占财政支出比重越大，表明该地区环境污染较为严重，土壤、气候、水资源等农村环境条件较为恶劣，阻碍了农业绿色发展水平的提升。

样品的平均磁化率

Km=(Kmax+Kint+Kmin) /3 .

Kmax、Kint与Kmin分别为磁化率椭球体最大轴、中间轴与最小轴磁化率值。该式反映了样品中矿物磁化率的综合特征,与磁性矿物类型、含量、分布等密切相关。图4-a为样品平均磁化率Km随压力不断增强的变化曲线。实验结果显示,所选样品的平均磁化率Km在12 000～25 000范围内变化；随着压力与应变的不断增强,平均磁化率Km基本保持稳定,未表现出显著的变化趋势。图4-b为样品平均磁化率Km随压力不断增强的相对磁化率ΔKm变化曲线,结果显示较小的压力即能引起岩石平均磁化率Km的升高,随着压力的不断升高,表现出微弱的增强趋势；但这种变化相对样品平均磁化率Km的绝对值来讲非常小,直至岩石样品破裂,ΔKm的最大变化值仍小于3%。

图4 样品平均磁化率Km随压力不断增强的变化曲线

3.2.2 磁化率各向异性度PJ值

磁化率各向异性度即磁化率各向异性的大小[15-16],从磁化率的角度反映岩石形成时以及形成后所受外界条件的影响。自Jelinek提出矫正磁化率各向异性度(PJ)(Corrected Anisotropy Degree)的概念后,样品的磁化率各向异性度普遍用PJ来表述,即

图5-a为样品磁化率各向异性度PJ随压力不断增强的变化曲线。实验结果显示,所选样品的磁化率各向异性度PJ总体不高,PJ值在1.029～1.041之间变化。随着压力的不断增强,PJ值表现出一定的增强趋势。图5-b为样品磁化率各向异性度PJ随压力不断增强的相对各项异性度ΔPJ变化曲线,虽然PJ值的变化幅度不大,但ΔPJ值随着压力不断增强而逐渐升高的趋势仍然比较明显。

图5 样品磁化率各向异性随压力不断增强的变化曲线

3.2.3 形状因子T值

式中：T>0,‘扁球型’;T<0,‘铅笔型’。图6-a为样品形状因子T值随压力不断增强的变化曲线。实验结果显示,仅有两个样品的初始值T<0,其余样品的初始值T>0,表明初始磁组构以扁圆型为主。随着压力的不断增强,所有样品的T值均表现出明显的升高趋势。图6-b为样品形状因子T值随压力不断增强的相对形状因子ΔT的变化曲线,ΔT值亦随着压力的不断增大而明显升高,表明在压力不断增强的过程中,磁化率椭球体逐渐向‘扁球型’发展。

图6 样品形状因子T值随压力不断增强的变化曲线

3.2.4PJ-T与Flinn图解

磁化率各向异性的PJ-T图解,常用来分析岩石磁组构的类型以及和磁化率各向异性度PJ之间的关系。图7-a为样品形状因子T与磁化率各向异性度PJ随着压力不断增强的变化曲线。显示出在压力不断增大的过程中,PJ和T值均明显升高,与Pares，Hrouda等总结的PJ-T曲线吻合[16-19],即样品变形的强度显著控制着磁化率各向异性度的大小、椭球体的形状和主轴的方向。岩石磁组构类型也常用Flinn图解来表示(图7-a)。以L(Lineation,L=Kmax/Kint)为纵坐标,F(Foliation,F=Kint/Kmin)为横坐标,将数据投影于该坐标系中；以E=1为界(E=L/F)，将坐标系划分为两个区域:E>1,表明磁化率椭球体为‘铅笔型’,岩石中磁线理发育;E<1,磁化率椭球体为‘扁球型’,岩石中磁面理较磁线理发育。Flinn 图解清楚显示,随着压力的不断增大,样品中磁面理越来越发育。

3.2.5 磁化率椭球主轴方位

图8为代表性样品磁化率椭球体三个主轴的下半球等面积投影图。磁化率椭球体主轴的投影方位及变动轨迹显示，代表性样品磁化率椭球体为“扁球型”，这与PJ-T与Flinn图解结论一致。图中箭头表示随着压力的不断增强,磁化率主轴方位的变化趋势。如图所示,在压力不断增强的过程中,磁化率最小轴K3基本保持不变；而磁化率最大轴K1与中间轴K2则有明显的变化趋势,它们沿着K3轴快速的旋转,表现为最大轴K1投影沿约N 210°方位逐渐趋于投影中心,而K2趋于远离投影中心。

图8 不同压力下代表性样品磁化率椭球体三个主轴的下半球等面积投影图

4 结果与结论

与以往磁组构实验研究不同的是,本实验首次以天然岩石样品为研究对象进行磁组构与应力应变的实验室测试,取得了与Borradaile和Alford利用人工合成的、以磁铁矿为载磁矿物样品基本一致的结论,即样品磁化率各向异性度的变化与样品总的应变比率存在一定的关系,且压力可使得磁化率主轴发生快速的旋转。笔者认为，此次实验之所以能得到与人工样品类似的结论,主要因为所采集天然样品的岩矿成分相对简单。样品的岩石磁学测试结果表明，载磁矿物基本单一(磁铁矿为主),显微镜下岩矿鉴定结果亦显示非磁性矿物也以长石为主,矿物不均匀致密、颗粒间存在一定的空隙,使得在压力增强的过程中磁性矿物更容易变形和活动。

然而，基于本次试验,磁组构变化与岩石应力应变之间定量化的尝试未取得预期效果。其主要原因可能是：影响岩石磁化率各向异性的因素涉及形状各向异性、磁晶各向异性、分布各向异性以及应力引起的各向异性等诸多方面,岩石磁组构变化与岩石应力应变之间是否存在一个普适的定量化关系尚待进一步的研究。例如,以往较多的研究表明[3,5-10],磁性矿物对磁组构有重要的控制作用,抗磁性和顺磁性矿物的AMS张量与铁磁性矿物的AMS张量不一致。

此外,本次试验亦采集了砂岩(细砂岩和粗砂岩)与泥岩样品进行了同样的分步加压和磁组构测量,但结果并未显示出类似的规律性。这也再次印证了磁组构的复杂性,即虽然磁化率各向异性(AMS)与应力应变强度有关,但不同岩石的应力响应模式并不相同,磁组构变化往往与应力应变作用没有严格的对应关系。在应用磁组构研究区域构造变形与构造应力时,要充分考虑到这一点。

通过上述对自然界岩石样品的实验室测试与分析,主要得到以下几点认识:

1) 以磁铁矿为主要载磁矿物的山西水峪贯西冶岩体(火成岩)样品,其岩石磁组构对应力应变有明显的响应。即在单轴加压过程中,其磁化率各向异性度PJ出现增大趋势;外部压力对磁化率椭球的形状改变影响更为明显,表现为磁化率形状因子T值的明显升高与磁化率主轴的快速旋转,这与Borradaile和Alford利用人工合成的、以磁铁矿为载磁矿物样品得出的结论基本一致。

2) 尝试对砂岩(细砂岩、粗砂岩)和泥岩做了同样的实验室测试,可能由于其固结性差、铁磁性矿物含量少等原因,并未发现类似规律性的变化特征,该工作尚需进一步探讨。此外,岩石中的磁性矿物对磁化率各向异性(AMS)有重要的控制作用,天然样品的形成演化较为复杂,当岩石磁性载体不止一种磁性矿物类型时,对磁组构构造意义的解释应该慎重。

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(编辑：庞富祥)

A Laboratory Research on Magnetic Fabric Response of Natural RockSamples in the Process of Uniaxial Compression to Rupture

HE Yaoyu1,SONG Xuanmin1,LI Bin2,LI Zihong2,LIU Liqiang3

(1.InstituteofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.ShanxiEarthquakeAdministration,Taiyuan030021,China;3.StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics(InstituteofGeology,ChinaEarthquakeAdministration),Beijing100029,China)

In this paper,the authors select natural rock samples as research objects,test and analyze the variation of rock magnetic fabrics at different pressures and its relationship with stress-strain in laboratory.Meanwhile,acoustic emission experiments are carried out to monitor the internal micro-fracture events and deformation process of samples as the pressure increases.The results show that the response of magnetic fabrics on stress-strain is obvious for igneous rock samples from Xiye rock mass,in which magnetite is the main magnetic mineral.The responses mainly exhibit the slight enhancement of the degrees of anisotropy of magnetic susceptibilityPJ,significant increase of the shape factorT-value and rapid rotation of susceptibility spindle,which are essentially in agreement with the conclusions drawn from synthetic samples with magnetite as the main magnetic mineral.The results can provide reference and theoretical basis for the further study of the relationship between the magnetic structure and the stress-strain in the rock and the interpretation of the magnetic structure.

rock magnetism;uniaxial compression;magnetic fabrics;natural rock

1007-9432(2015)06-0672-08

2015-05-05

地震动力学国家重点实验室开放基金资助项目:不同温度与压力下岩石磁组构变化特征研究(LED2011B05);山西省自然科学青年基金资助项目:山西太谷断裂带构造应力的初步定量化研究(2010021005)

何耀宇(1974-),男,山西霍州人,博士生,主要从事岩石力学研究工作,(E-mail)heyaoyu@tyut.edu.cn,(Tel)13934239486

宋选民(1963-),男,教授,博导,主要从事岩石力学研究,(E-mail)xminsong@ 163.com,(Tel)0351-6047867

P584

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.008