基于微观试验的石英片岩区变质岩力学特性影响因素机理分析

范雪凯

(河海大学 力学与材料学院 工程力学系， 江苏 南京 210098)

0 前 言

变质岩是在复杂地质环境中经历多次构造作用而形成的一种具有显著各向异性的复杂地质体，其物理力学性质与诸多因素有关[1-3]，因此有必要对变质岩力学特性影响因素进行系统研究。

目前有关变质岩的研究主要集中于其组成成分、形成原因以及力学特性，如于津海等[4]采用锆石U-Pb-Hf方法以及全岩成分分析对粤东北基底变质岩的组成成分以及形成年代进行了研究。嵇少丞等[5]对不同静水压力下苏鲁—大别超高压变质岩P波与S波速度进行测量，建立了波速与静水压力间关系，并基于计算了不同不同静水压力下变质岩岩样弹性参数，并研究了其与岩体密度间关系。覃俊[6]采用多种试验手段对不同风化程度变质岩力学性质进行研究，并基于统计手段对变质岩隧道结构面风化程度进行研究。综上所述，目前针对变质岩的研究主要从宏观尺度出发，虽然得到了较多的规律与成果，但对于其形成机理并不够明确，而从细观尺度[7-11]对变质岩进行研究能合理的解释变质岩的宏观力学行为。本文采用单轴压缩试验和偏光显微镜对石英片岩区变质岩的宏观力学行为和细观机理进行研究，分析了石英含量对石英片岩区变质岩的影响。

1 单轴压缩试验

1.1 试样制备

试验用石英片岩区变质岩岩样取自山东5个地区，将取回变质岩样进行XRD试验分析其矿物成分并按石英含量分别编号为R1、R2、R3、R4和R5，不同石英片岩区变质岩矿物组成成分与百分含量如表1所示。可以看出，石英片岩区变质岩主要由石英、透辉岩、云母和黑云母组成，其中不同地区石英片岩区变质岩透辉岩和黑云母含量基本保持变，透辉岩含量约为15%，黑云母含量约为6%，而石英和云母含量差异较大，随石英含量增大，云母含量逐渐减小，石英的含量变化范围为42%～77%，云母的含量变化范围为4%～35%。将取回岩样加工成直径×高=50 mm×100 mm圆柱形试样，并MTS上进行单轴压缩试验，试验轴向应变为0.1 mm/min。

1.2 试样结果与分析

图1为不同石英含量石英片岩区变质岩应力应变关系曲线。

表1 石英片岩区变质岩矿物组成(质量分数)/%

图1 不同石英含量石英片岩区变质岩应力应变关系曲线

由图1可知：不同石英含量石英片岩区变质岩均表现为应变软化型，取峰值强度所对应的应变为破坏应变，可以看出随石英含量增大，破坏应变逐渐减小，说明试样的脆性逐渐增强，分析其原因为石英含量较多时，试样主要由石英构成骨架，软弱部分含量较少，压缩过程中矿物颗粒变形较困难，试样破坏主要是由于矿物间胶结破坏，而随着石英含量减少，软弱部分增多，压缩过程中除胶结破坏外，软弱部分也会由于受压而产生变形，故随石英含量增大，试样脆性逐渐增强。

图2为石英片岩区变质岩抗压强度与石英含量关系曲线。

图2 石英片岩区变质岩单轴抗压强度与石英含量关系曲线

由图2可知：随石英含量增大，石英片岩区变质岩抗压强度逐渐增大，试验石英含量下石英片岩区变质岩抗压强度与石英含量呈对数关系，这是由于试验石英含量条件下，石英起骨架作用，而软弱部分填充骨架中，共同抵抗外部荷载，石英含量越多，骨架作用越明显，其抵抗外部荷载能力越强，随着石英含量进一步增多，其随石英含量增多，骨架作用增长逐渐趋于不明显。试验石英含量条件下，石英片岩区变质岩抗压强度与石英含量关系可写为：

qu=Aln(fs)+B

式中，qu为石英片岩区变质岩单轴抗压强度，fs为石英含量，A和B为试验系数，本次试验A=5.8 MPa，B=-13.5 MPa，相关系数R2=0.99，说明拟合效果良好。

石英片岩区变质岩割线弹性模量E50与石英含量关系曲线图3所示。

图3 石英片岩区变质岩E50与石英含量关系曲线

由图3可知：随石英含量增大，E50逐渐增大，且E50与石英含量具有较好的指数函数关系，这是因为，随石英含量增大，石英所起到的骨架作用逐渐明显，此外矿物间胶结方式逐步由环边状胶结向叶片状胶结转变，试样抵抗变形能力逐渐增强。试验石英含量条件下，石英片岩区变质岩E50与石英含量关系可写为：

E50=CeDfs

式中，C和D为试验系数，本次试验C=6.3 MPa，D=0.017 MPa，相关系数R2=0.99，说明拟合效果良好。

2 偏光显微镜试验

2.1 试验仪器与试样制备

偏光显微镜(Polarizing microscope)是一种用于研究材料微细观结构和各向异性的光学仪器，在地质学和岩土工程等领域应用广泛。对具有双折射的材料偏光显微镜均能对其进行清楚的扫描观察。本次试验采用奥林巴斯CX31P-OC-1型偏光显微镜。仪器调焦量程为25 mm，微调行程为每圈0.2 mm，载物台尺寸为尺寸为188 mm×134 mm。

试验制备前先对试样进行固化，首先用600号金刚砂在磨片机研磨，然后用金刚砂M20，细磨料在玻璃板上进行精磨，岩体磨片尺寸长×宽×高为30 mm×50 mm×10 mm，将精磨好岩片置于聚氨脂抛光模上用抛光液将光片进行抛光，抛光后岩片要求具有以下特点，岩片表面平坦、无由于组分或矿物颗粒脱落而形成的空洞，岩片基本无擦痕各种显微组分界线清晰。

2.2 试验结果与分析

采用偏光显微镜对石英片岩区变质岩进行扫描观测，扫描结果如图4所示，可以看出石英片岩区变质岩内部并非均匀连续的，其内部存在较多的缺陷和孔隙，石英片岩区变质岩主要由石英等坚硬部分、云母等软弱部分和孔隙缺陷3部分构成，当石英含量较多时，石英颗粒结彼此接触，试样受力骨架主要由石英等坚硬部分构成，而云母等软弱部分填充于石英构成的骨架中，颗粒间胶结的主要形式是环边状，云母以斑团状存在为主，无定向排列，主要存在石英构成骨架孔隙中，基本不承担荷载，随石英含量减小，石英颗粒间无法全部彼此接触，石英与云母相互搭接共同构成骨架，云母颗粒排列逐渐趋于紧密，颗粒间主要胶结形式逐渐转变为叶片状胶结。

图4 石英片岩区变质岩偏光显微镜扫描结果

3 结 论

通过对5组不同的石英片岩区变质岩进行单轴压缩试验和偏光显微镜试验，分析了石英含量对石英片岩地区变质岩力学行为的宏观响应规律，并对其宏观力学行为从微观上进行了解释，主要结论如下：

1)不同石英含量石英片岩区变质岩均表现为应变软化型，随石英含量增大，试样的脆性逐渐增强；

2)随石英含量增大，石英片岩区变质岩单轴抗压强度与E50均增大，其中单轴抗压强度与石英含量呈对数关系，E50与石英含量呈指数关系；

3)石英片岩区变质岩主要由石英等坚硬部分、云母等软弱部分和孔隙缺陷3部分构成，当石英含量较多时，试样受力骨架主要由石英等坚硬部分构成，随石英含量减小，石英与云母相互搭接共同构成骨架；

4)石英含量较多时，云母主要以斑团状存在，随石英含量减小，云母排列逐渐趋于紧密，矿物颗粒间的胶结形式逐渐由叶片状胶结向环边状胶结转变。