基于液岩作用下地壳中岩石损伤的影响因素

赵娇 王转转 王凯强

摘      要：地壳条件下的岩石损伤影响因素很多，首先是短期突发动力学驱动对岩石损伤的影响，包括自然因素驱动和受钻探、开采和压裂等人为因素的驱动。其次，上覆岩层长时间与孔隙流体二者同时对岩石进行着潜移默化的影响，这属于长期施加静态疲劳驱动。对岩石脆性场的时间依赖性进行了研究，基于流体对岩石的冲刷、腐蚀以及相互作用，观察岩石在恒定的外加应力下发生的变形和失效，研究时间对岩石损伤的影响。从力学和化学两个领域出发，进行总结和实验研究，得到液岩作用下岩石损伤的多种影响因素和裂缝扩展规律。

关  键  词：脆性蠕变;长期强度静态疲劳;应力腐蚀;岩石损伤

中图分类号：TU 452        文献标识码： A        文章编号： 1671-0460（2019）08-1655-05

Abstract： There are many factors affecting rock damage under crustal conditions. Firstly， the short-term sudden dynamic driving affects rock damage， including natural driving and artificial driving factors such as drilling， mining and fracturing. Secondly， the overlying strata and pore fluid both exert a subtle influence on the rock， which belongs to the long-term static fatigue driving. In this paper， the time dependence of rock brittleness field was studied. Based on the erosion， corrosion and interaction of fluid on rock， the deformation and failure of rock under constant external stress were observed to study the effect of time on rock damage. Starting from the two fields of mechanics and chemistry， summary and experimental study were carried out， and various factors affecting rock damage and the law of crack propagation under the action of liquid rock were obtained.

Key words： Brittle creep; Long-term strength static fatigue; Stress corrosion; Rock damage

1958年，Kachanov在研究蠕变破裂时引入了损伤力学的概念，1963年，Rabotonov又引入损伤变量的名词。在过去的半个世纪里，损伤理论研究也经历了快速发展，损伤理论及其应用也广泛渗透到了岩石力学、材料科学等众多研究领域 。由于诸如岩石、混凝土、陶瓷等脆性材料中分布着大量微裂隙 、微孔洞等初始缺陷 ，因此利用损伤理论来研究岩石 、混凝土、陶瓷等含有初始缺陷的材料已被认为是最有效的研究方法之一[1]。

在上地壳条件下，大多数岩石通过破裂和断层以脆性方式容纳构造地层。人们普遍认為，一旦达到临界应力，就会发生脆性破坏;要么是在完整岩石中产生新裂缝所需的应力，要么是沿着预先存在的界面或剪切断层滑动所需的应力。因此，储层的断裂应力是控制脆性地壳动力学的关键参数。在影响岩石脆性强度的诸多因素中，时间是最不容易研究和理解的。然而，量化时间依赖的岩石变形对于揭示脆性地壳的演化和动力学的复杂性至关重要。例如，裂缝的存在使地壳岩石能够储存和输送流体，即使是裂缝的大小、密度或连接的微小变化也会对流体输送特性产生显着影响。

本文主要对时间与流体作用对岩石损伤作了说明。

1  影响因素分析研究

1.1  力学因素

1.1.1  自然因素

岩石的大规模破裂损伤与地质灾害密切相关。首先，火山爆发（volcanic eruption）是一种奇特的地质现象，是地壳运动的一种表现，也是地球表面热能的最强烈表现之一。它是在短时间内从火山口向地面释放岩浆和其他物质。由于岩浆中含大量挥发成分，以及上覆岩层的围压，使这些挥发成分溶解在岩浆中无法溢出，当岩浆靠近地面时，压力降低，挥发性成分突然释放，从而形成火山喷发。在短时间内，喷发过程释放大量的流体，这些流体对岩石再生岩或破裂产生深远影响。其次，地震（earthquake）是由地壳能量的快速释放引起的振动，这导致地壳中岩石的强烈振动，使其岩石破裂或出现断层，岩体中的部分流体通过裂缝运移对岩石产生影响，造成岩石损伤、崩塌、裂缝等次生产物。

1.1.2  人为因素

钻探、开采和压裂等施工作业过程会造成地壳局部应力效应，使其地壳中岩石的各部分受力不均匀导致岩石发生破裂，地壳中的流体通过裂缝与岩石发生一系列力学或化学作用，造成岩石出现局部脆性产生岩石损伤。

1.2  孔隙流体的化学性质

应力腐蚀本质上是与裂缝表面处的流体吸附和流体辅助裂缝传播相关的一种化学活化过程。孔隙流体的化学性质可能影响两个过程。首先，表面吸附影响材料的比表面能。当水作为孔隙流体时，会显著降低砂岩的比断裂能，从而降低了砂岩的断裂韧性[2]。虽然这是一种短期效应，但它也会影响蠕变行为，因为表面能的改变也会影响应力腐蚀开裂的应力范围[3]。其次，裂纹尖端处的应力腐蚀反应也受活性物质（例如水分子）的化学活性的影响。即使在环境湿度下，岩石也会发生应力腐蚀（例：Kranz的三轴数据主要是在环境湿度下的花岗岩样品上获得的）。

Westerly花岗岩的实验[4]表明，饱和条件下的破坏时间比环境湿度条件下的破坏时间短约三个数量级（图1）。这些观察结果可以通过以下事实来解释：在后一种情况下，水的化学活性较低（通过气体中的分压测量），这减慢了应力腐蚀开裂速率。还应注意的是，裂纹尖端活性物质的传输动力学将不同，这取决于是否存在液相或气相（环境湿度），这也可能影响裂纹的生长速度。

孔隙流体的性质（化学组成、pH）也将强烈影响脆性蠕变应变的速率。对于合成石英，随着羟基（OH-）的浓度增加，亚临界裂纹生长速率增加，因为羟基被吸引到硅位点（Si+）[5]。在玻璃中观察到类似的效果[6-8]。目前还没有三轴蠕变数据来记录岩石中的这些效应。然而，我们可以假设，由于流体化学性质的变化而引起的应力腐蚀开裂速率的任何变化都会反映在宏观蠕变应变速率的类似变化上。

宏观脆性蠕变的另一个复杂因素是流体的化学性质可能随着流体与岩石保持接触而发展。裂缝网络与流体接触的表面积非常大，新产生的裂缝表面具有很强的反应性，从长期来看，这将使流体越来越接近与岩石的平衡组成，而与岩石的初始组成无关。

2  实验研究

邓华锋等[9]以砂岩为研究对象。首先对岩石样品进行了循环加载和卸载损伤试验，然后进行了浸水风干循环水岩相互作用试验。研究水岩作用下受损砂岩的变质作用及其机理。试验结果表明：

（1）循环荷载引起的界面滑移、局部接触变形和岩石矿物颗粒的破坏，不仅引起岩石试样的塑性变形，而且引起岩石试样的初始损伤;

（2）在浸水-风干循环水-岩相互作用过程中，岩石的破坏效应主要表现在界面滑移、局部接触变形和循环荷载引起的岩石矿物颗粒的破坏，受损砂岩的抗压、抗剪强度明显，具有明显的时间效应和不均匀性;

（3）在浸水-风干循环水-岩相互作用过程中，抗压的劣化效应，与完整岩石样品相比，受损岩石样品的强度劣化速度更快，说明水岩相互作用对受损岩石样品的耦合损伤效应明显。

傅晏等[10]也是以砂岩为研究对象。研究了在酸性环境中干-湿循环作用下砂岩强度的劣化规律。结果表明：

（1）随着干湿循环次数的增加，岩石的抗压强度、材料常数、黏聚力和内摩擦角呈下降趋势，最开始劣化较为严重，而后呈缓和趋势;

（2）pH值越低，岩石劣化越严重。

康亚明等[11]同样以砂岩为研究对象。通过砂岩三轴压缩试验确定了模型参数， 定性分析了围压对损伤程度的影响。结果表明：

（1）当围压增大时， 砂岩的累积损伤发展趋势减缓，即围压抑制了损伤的发展，主要是围压改善了砂岩的受力状态;

（2）同一种岩石在不同围压下的临界损伤程度不是一个定值，而是一个相对应的临界损伤程度。反映了岩石本身的力学性能与岩石的应力状态有关。可以推断， 在高应力水平下， 岩石的临界损伤程度高于低应力水平;

（3）砂岩的三轴压缩试验表明，岩石的脆性随围压的增加而降低，即砂岩的脆性随围压的增加而降低 （即随着围压的增大，延性增大）。

汤连生等[12]研究了水岩化学对岩石的宏观力学效应。在常温、常压和不同循环速度条件下，对花岗岩、红砂岩和灰岩在不同化学性质水化学溶液作用下的单轴抗压强度进行了试验研究。结果表明：

（1）水化學作用后，三种岩石的强度均有不同程度的降低;

（2）水化学作用对岩石的化学损伤与水岩化学反应强度有显著的相关性。水岩化学反应强度越高，岩石的化学损伤值越大;

（3）水岩反应的力学效应与时间有关，不同岩性岩石的时间效应不同;

（4）影响岩石化学损伤及其时间效应的主要因素包括五个：岩石的物理性质和矿物成分、水溶液的化学性质、岩石结构或物质组成的空间分布的不均匀性、水溶液通过岩石的流速和岩石的成因及演化历史;

（5）水岩化学作用力学效应的时间效应是指水岩反应是研究岩石的一个动态系统。当地质灾害等岩石的化学损伤发生时，不仅要分析水岩反应的力学效应的现状和变化趋势，还需弄清其发展历史。

2.1  岩石中单个裂缝的扩展

地壳岩石的孔隙度通常是有限的，包括颗粒间的开放孔隙、结晶相之间的三重连接孔隙、晶界孔隙和开放微裂纹的组合，甚至在超级深的地方也是如此。这些缺陷充当应力集中点，裂缝可以从中形成核并扩展。超过一定的阈值密度，这些裂缝将相互作用并结合，直到最终发生宏观破坏，通常是通过剪切断层产生。因此，用控制裂纹扩展的临界应力集中概念来代替控制脆性强度的临界应力集中概念，有助于理解裂纹扩展控制脆性破坏的微观机理。

在Griffith[13]的开创性工作之后，Irwin表明，通过测量引起已知长度和几何形状的裂纹不稳定扩展所需的力，可以确定任何岩石的抗裂性。Lawn对应弹性固体中裂纹的存在改变局部应力和位移场的方式进行了完整的分析，并对形成的近场应力分布给出了一般性的表达式：

其中： —应力张量;

和—分别是距裂纹尖端的径向距离和距裂纹表面测量的角度;

—称为应力强度因子，并描述裂纹尖端附近的局部驱动应力的

大小或强度。

在实验室配置中，通过实验确定断裂参数，通常通过二维拉伸（模式I：Lawn，1993） 裂纹的均布载荷来简化分析。在这些条件下，拉伸应力强度因子由下式给出：

其中： —远程施加的拉应力;

—裂缝的一半长度;

—描述裂纹和载荷几何结构的无量纲参数。

经典的线弹性断裂力学预测，一旦超过的临界值，即断裂韧度（），裂纹将以接近瑞利波速的某一终端速度动态扩展。因此，描述了岩石对动态断裂扩展的阻力。预先存在的裂缝应保持稳定在临界值以下。

然而，这种动态断裂准则通常被认为不足以描述大多数岩石中裂纹的全面扩展。地壳岩石普遍观察到的特征是，它们的抗裂性强度取决于变形发生的环境条件以及变形速率，特别是在高温和存在化学反应性孔隙流体的情况下。大量的实验证据支持这样一种观点，即裂纹可以在远低于临界值KIC的KI值处以稳定的准静态方式传播，尽管速度比与灾难性动态破裂相关的终端速度低几个数量级。这种现象被称为亚临界裂纹扩展，并已被广泛报道，包括砂岩、石灰岩、花岗岩和玄武岩等多种岩石类型。然而，大量的实验和观测证据表明，应力腐蚀机制导致的预先存在的裂纹和缺陷的增长是岩石亚临界裂纹增长的主导机制[14-16]。

应力腐蚀描述了流体—固体反应，其优先发生在化学活性孔隙流体和裂纹尖端附近的应变原子键之间。例如，在硅质水系统中，裂缝尖端附近的桥接键（即主应力支撑元件）被较弱的氢键取代，从而在较低的应力水平下促进裂纹扩展[17-20]。迄今为止，关于岩石应力腐蚀裂纹的实验数据绝大多数来自于在环境压力下对单个拉伸宏观裂纹进行的实验。

2.2  随时间变化的岩石压缩破坏

由于压缩破坏涉及到大量微裂纹的成核、扩展、相互作用和聚结，因此，受到各个方向压缩的岩石，如地壳深处的岩石，其断裂破坏一般比单个拉伸裂纹的扩展复杂得多。直接观察这些微裂纹[21-23]表明，裂纹从预先存在的缺陷（孔隙、微裂纹、夹杂物等）成核，并主要在与最大主应力平行的方向上扩展。此外，水和水溶液在上地壳中普遍存在，并且在几百米以下，大多数岩石中的空隙是饱和的。因此，如果应力腐蚀反应在上地壳条件下岩石的压缩破坏中很重要。长期以来，人们一直认为岩石的抗压强度既与环境有关，又与应变速率有关。Scholz[24，25]对Wiederhorn和Boltz[26]在玻璃中的观察结果进行补充表明，石英在压缩过程中产生静态疲劳的机理是应力腐蚀。

迄今为止，测量浅地壳条件下岩石变形特性和强度最常用的实验室方法是在恒定应变速率下进行的常规三轴试验。轴向和体积应力-应变曲线的例子如图2所示。按惯例，我们将压缩应力和应变表示为正。在这里，Darley Dale砂岩（长径比为2.5∶1的圆柱体）的实验室样品在30 MPa的有效压力Peff（50 MPa的外加围压和20 MPa的孔隙流体压力）下以10-5 s-1的恒定速率变形。岩石在压缩过程中的脆性破坏过程可以分解为若干不同的阶段[27，28]以应力-应变关系的变化为特征。首先，在加载的初始阶段，轴向应力-应变曲线呈上升趋势，体积应变为正，这种行为可归因于试样的轴向加强，这是由于微裂纹的闭合优先沿加载方向和体积压实方向排列为正态或次正态。其次，应力-应变行为趋向于与岩石的准弹性变形成线性关系。在第三阶段，轴向应力-应变曲线的斜率开始减小，相应的刚度减小。同时，这被视为体积应变的线性偏离，并标志着扩容的开始[29]（如Brace等1966年首次指出的，称为C?），因为压差变得足够高，足以开始主要是轴向微裂缝的生长。超过这一点，体积应变最终达到最大值（表示为D?），这标志着从基于压实为主的变形到基于膨胀为主的变形的过渡[30]。随着膨胀裂纹和体积应变的增加，这一阶段一直持续到峰值应力（表示为）。在峰值应力之后，在第四阶段，我们观察到应变软化，这与膨胀微裂纹聚结形成贯穿剪切断层有关[31]。其次出现故障动态失效，如果试验机比岩石样品更符合要求，则通常很难捕捉到这一情况（图2）。最后，在第五阶段中，受残余摩擦应力（表示为）控制的剪切斷层上的两个失效样品滑动部分。如上所述，在恒定应变率实验中，样品在短时间内的应变速率约为10-5 s -1，比通常为10-14～10-15 s-1的构造应变率快得多。

地壳确实发生了以地震破裂和火山爆发形式出现的快速、动态变形，快速变形实验（即应变速率为10-5 s-1）可能适合研究这些临界现象。然而，地震破裂和火山爆发实际上在空间和时间上都是罕见的，而且大部分地壳在亚临界应力状态下的变形相对较慢。因此，快速、恒定的应变速率实验并不一定是研究这种随时间变化的亚临界岩石长期变形的最合适的方法。另一个更为合适的实验方法是将样品置于恒定应力下，该恒定应力占其短期强度的很大比例（图2中的峰值应力），并允许其随着时间自然变形（应变），直到最终发生失效。这种在恒定应力下的变形被称为脆性蠕变，这是一个导致延迟失效（静态疲劳）的过程。

3  展 望

应力腐蚀蠕变是地壳深度变化的重要机制，而我们对地壳深度变化范围的认识只是片面的。出现这种情况有两个主要原因;首先，正如我们已经注意到的，当前的蠕变模型并未捕获蠕变过程的所有细节和复杂性，因此不能用实验室得出的数据来推断构造应变率;其次，进行实验室蠕变实验的可行时间尺度意味着可获得应变率的范围必然是相当有限的。施加应力和蠕变应变率之间的非线性关系意味着低应力，因此低应变率的实验需要数月或数年。这在正常的实验室环境中是不可行的，因为需要昂贵的三轴测试系统捆绑数年以产生一个额外的数据点，在科学上和经济上都是低效的。

因此，为了回答这个关键问题，我们需要建立一个更好的模型来更准确和更严格地描述脆性蠕变过程的复杂性，然后以较低的应变速率进行实验以测试模型的预测。这最后一点目前正在通过新的实验来解决，这些实验利用深海的稳定环境，允许以应变率运行超长（数月至数年）的脆性蠕变实验，以弥补实验室和构造速率之间的差距[32]。

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