千枚巖巖石微觀破裂與宏觀斷裂的聯系

1巖石斷口電鏡掃描分析巖石缺陷通常包括裂縫的產生、裂縫的緩慢發展、裂縫的快速擴張和立即斷裂。在這一過程中，每個步驟都會留下許多變形痕跡。因此,可以將巖石微觀破裂特征同其宏觀斷裂破壞的力學機制聯系起來,從微觀方面探討巖石的破壞規律。國外最初使用一般光學顯微鏡分析巖石組織結構和初始微裂隙的特征,而后許多研究學者采用掃描電子顯微鏡研究巖石試件受力過程中,試件內部的微破裂的發展。在國內,掃描電鏡分析最初被運用于金屬斷口的研究,而巖石破碎斷口的電鏡掃描分析在20世紀末開始起步。李先煒等分析巖石受不同應力情況下斷裂后的斷口顯微照片,總結了10種巖石拉斷斷口和8種剪裂斷口花樣;而很多學者利用掃描電鏡試驗所獲得的巖石斷口幾何圖像,探究巖爆形成過程的具體物理內涵,揭示巖石動態破裂機理,建立巖石斷口微觀形態與巖爆斷裂突變過程的聯系。譚以安通過對巖爆巖石斷口的微觀形態及破裂的類型的分析,提出了巖爆漸進破壞過程以及巖爆機理的新認識;馮濤等應用掃描電鏡對巖爆巖石斷口微觀形態進行了觀察,從巖石斷裂微觀形態探討巖爆形成機理,并提出巖爆斷裂的微觀機制主要是在拉伸、剪切作用下巖石發生低應力脆性斷裂的結論;蔡國軍以花崗巖為研究對象進行了大量的掃描電鏡試驗研究,分析花崗巖巖石斷口的微觀破壞形貌特征,明確給出了該類巖體的微觀破裂機制。巖石的最終宏觀斷裂與其內部的微結構及其微缺陷緊密相關,要想徹底弄清巖石的斷裂機理,就必須從微觀的角度來研究巖石的斷裂過程。同時,從巖石斷口分析得到的這些信息反饋到工程實際,可能更好地去指導生產實踐。目前國內外學者將巖石斷口的微觀分析的重點放在建立巖石微觀機理和宏觀斷裂之間更直觀的定量聯系的研究上。本文以金沙江上游泥盆系中統中段的絹云母千枚巖與硅質板狀千枚巖為研究對象,通過千枚巖巖石礦物組成與巖石斷口形態大量的電鏡觀察分析,研究巖石斷口的斷裂特征及其形成機理,在理論上對巖石斷裂的微觀機理加以描述,并嘗試建立千枚巖巖石微觀破壞機制和宏觀斷裂之間的聯系。2顯微晶片變晶結構金沙江上游泥盆系中統中段的千枚巖按其礦物組成主要可以分為4層,本次研究選取性狀差別最大的絹云母千枚巖與硅質板狀千枚巖進行研究。按巖性磨片鑒定的分析結果,2種千枚巖的礦物成份主要以石英、絹云母與綠泥石為主,含少量碳質與碳酸鹽類礦物,巖石中各種礦物成分含量的不同決定了其性狀的差別。絹云母千枚巖巖石組分主要由絹云母組成,含較多褐黑色雜質,顯微鱗片變晶結構,定向構造。絹云母含量超過90%,細鱗片狀集合體定向均勻分布,因含少許細粒土狀雜質呈淺灰色渾濁;綠泥石含量小于10%,除少數呈稀散片狀穿插于絹云母粒間外,主要富集呈細小條帶狀平行絹云母定向斷續分布,局部富集形成不規則團斑狀無序分布;巖石含少量石英,細粒不規則粒狀無序穿插于絹云母粒間。褐黑色雜質主要為黑色細粒磁鐵礦,稀疏散布穿插于絹云母粒間(圖1)。硅質板狀千枚巖主要由細粒石英和絹云母組成,局部含碳質和少量黃鐵礦,為微粒粒狀鱗片變晶結構,定向構造。巖石板狀劈理發育,沿板理面較平直并具較強絲絹光澤。石英含量大于50%,細至微粒,粒徑介于0.02~0.05mm之間,顆粒形成不規則,定向分布,粒間主要被絹云母穿插或充填。絹云母含量大于40%,細粒片狀,無序散布穿插于石英粒間,半定向分布且分布相對較均勻。碳質較少,含量小于5%,以隱晶質集合體為主,主要與絹云母共生,無序散布充填于石英粒間,或平行絹云母條帶分布,故常形成細小條紋狀(圖2)?？梢?絹云母千枚巖中絹云母與綠泥石的含量高,巖體千枚化性狀明顯,變質程度相對較高;硅質板狀千枚巖變質程度低,板理發育,由于石英含量較大使其強度較高。3巖石微觀組織特征巖石斷口微觀形貌花樣可歸納為拉斷和剪裂2類,其中,拉斷斷口微觀形貌包括河流狀花樣、臺階狀花樣、舌狀花樣、魚骨狀花樣、根狀花樣、等軸微坑及三角微坑狀花樣、晶界斷裂花樣、晶界及晶間斷裂花樣、晶間斷裂花樣九種。其微破裂形式主要是穿晶斷裂(解理斷裂)和沿晶斷裂(完整顆粒斷裂)以及它們的相互耦合形式。穿晶斷裂常沿一定的解理分離,是一種典型的脆性斷裂。沿晶斷裂也稱晶間斷裂,它是沿晶粒界面的彼此分離,通常也是脆性斷裂。巖石剪裂斷口微觀形貌花樣主要包括平行滑移線狀花樣、線狀排列小顆粒狀花樣、條紋花樣、蛇行滑動花樣、雙滑移花樣、平坦面花樣、四面體花樣、長形微坑花樣8種。剪切破壞微破裂形式主要表現為切晶擦花與沿晶面擦花,當晶面或解理面與剪切力方向有一定交角時,晶體常被剪斷,棱角被磨,某些部位也可產生遷就解理面的擦斷,擦后的粉粒及晶間物質碎片多匯集于低處;由于相對剪切滑移,使晶面或解理面沿運動方向產生擦痕,或沿晶面有大體方向相同的錯裂,晶間物質被擦成巖粉,堆積于低洼處等。本次研究采用掃描電鏡(SEM)試驗方法,在巖石受力條件下對巖石破壞斷口進行了微觀掃描,根據不同放大倍數下的千枚巖斷裂斷口花樣代表性的顯微照片,分析2種千枚巖的微觀破壞形貌特征、微觀破裂形式和微觀破壞力學機理。圖3與圖4分別顯示了電子顯微鏡放大800倍與1200倍下的絹云母千枚巖顯微照片,可見,巖石中絹云母細鱗片狀集合體定向均勻分布,其粒間可見少許細鱗片狀綠泥石及細粒石英無序穿插共生。絹云母千枚巖斷口形態多呈平坦面花樣與條紋花樣,擦痕明顯,平坦面上有較多的巖粉散布,是沿片理面的巖屑堆積剪切作用的結果,多為沿晶面擦花形式。圖5與圖6分別顯示了電子顯微鏡放大500倍與2000倍下的硅質板狀千枚巖顯微照片,可見,石英細粒呈不規則粒狀,無序穿插于絹云母片粒間,半定向分布。千枚巖斷口形態呈晶間斷裂與平坦面花樣,而又以晶間斷裂花樣為主,是沿晶粒界面彼此分離的剪切滑動斷裂與拉伸沿晶斷裂的混合作用的結果,表現為沿晶斷裂與切晶擦花的破裂形式。根據2種千枚巖巖石微觀破裂形貌特征,可以進一步分析巖石斷口的微觀破裂機理。表1中的內容是將試驗中2種千枚巖的典型掃描電鏡圖像所呈現的微觀形貌特征同相應的微觀破壞機理聯系起來,即巖石斷口是屬于解理的穿晶斷裂、沿晶斷裂的脆性拉斷,還是由剪切滑動引起的脆性剪斷。分析結果顯示,2種千枚巖的微觀破裂機理主要以剪破裂為主,拉破裂次之。其中絹云母千枚巖破裂后斷口均具有平坦(平行滑移)破壞形貌,這應是該層巖石的礦物成分及其結構特征決定的。硅質板狀千枚巖試樣的斷面在電子顯微鏡下的微觀形態由于礦物成分的差異而顯現出不同的微觀結構特征,一般石英呈細粒狀、絹云母呈鱗片狀、綠泥石呈片狀,而可見規則的晶體形態的是碳酸鹽類礦物(方解石)、鈣質交接往往在鏡下是含混不清的。絹云母與綠泥石含量高的巖石,具有鱗片變晶結構,片理面(千枚理)發育,千枚狀構造或定向構造特征明顯,在外力作用下易產生剪破裂;石英含量高的巖石,多形成微觀脆性破裂形式,在外力作用下產生拉破裂。4圍壓對千斤巖微觀破碎的影響進一步采用常規三軸抗壓強度試驗分析絹云母千枚巖與硅質板狀千枚巖的巖石強度。試驗中圍壓σ3分別為0、2、4、6、8MPa。試驗結果顯示,2種千枚巖中石英含量較高的硅質板狀千枚巖單軸抗壓強度較高,而絹云母千枚巖的抗壓強度較低。根據千枚巖試件的破裂面情況判斷,巖石破裂面同σ1的平均夾角與片理面同σ1的夾角大致是相同的,即剪切破裂追蹤片理面而發育。硅質板狀千枚巖試件破裂面相對起伏粗糙,而絹云母千枚巖試件破裂面光滑,能清晰的看到片理面與絹云母的絲絹光澤。同時,圍壓的差異也導致2種千枚巖破裂方式的不同,在零圍壓的條件下,2種千枚巖觀察到了類似的破裂類型,試件發生了與軸向基本平行以壓致拉裂為的主張脆性破裂、剝離現象,試件并未完全形成整體的破裂面,形成多條平行的裂縫順片理剝落。圍壓較低時,部分試件的破裂是順裂隙面或片理面呈梯形狀破裂。在高圍壓條件下,千枚巖的破壞均是沿斜交的片理面發生的剪切破裂(表2)。巖塊抗壓強度隨著圍壓的增加而明顯提高,巖石峰值強度與圍壓成正線性關系,當圍壓達到8MPa時,2種巖石的軸向極限強度達到100kN以上。巖石的彈性模量隨圍壓增加而增大。隨著圍壓σ3增高,巖樣破裂的平均破裂角逐漸增大,破裂性質也逐漸向壓致剪切破裂過渡,在較高圍壓下,試件破壞以剪切破壞為主。破裂面上擦痕階步較為明顯。相同受力條件下硅質板狀千枚巖的力學特性與絹云母千枚巖的力學特性在變化趨勢上近似,強度參數和變形參數對圍壓均敏感,但前者在其破壞時的脆性更明顯(表3)。結合千枚巖的礦物組成及巖石斷口微觀形態分析結果,可見千枚巖微觀破裂與宏觀斷裂之間存在一定的聯系。絹云母千枚巖由于絹云母含量較高,巖石常形成平坦面花樣的斷口形貌與沿晶面擦花的微觀破裂形式,在外力作用下易產生剪破裂,這直接導致其巖石力學強度較低,易造成追蹤片理面的剪切破壞,破壞面較為光滑平坦;另一方面,石英含量較高的硅質板狀千枚巖抗壓強度相對較高,巖石斷裂面多呈階梯狀,這與其巖石斷口的晶間斷裂花樣與沿晶斷裂的微觀破裂形式可以聯系起來,巖石拉、剪破裂并存的微觀斷裂機理與硅質板狀千枚巖在外力作用下形成的脆性拉斷密切相關。5千斤巖巖石微觀特征本文運用掃描電鏡與巖石常規三軸試驗等測試手段,對金沙江上游泥盆系中統中段的絹云母千枚巖與硅質板狀千枚巖巖石的微觀破裂機理與宏觀斷裂特征進行了研究,獲得了以下認識。(1)巖石斷口在掃描電鏡下的顯微照片呈現出多種樣式的花樣。絹云母千枚巖巖石微觀斷口以平坦面花樣與條紋花樣為主;硅質板狀千枚巖巖石微觀斷口表現為晶間斷裂花樣與平坦面花樣。以上巖石的斷口微觀特征與巖石本身的礦物成分密切相關。(2)絹云母千枚巖巖石呈現出沿晶面擦花的微觀破裂形式,是典型的微觀脆性剪斷,而硅質板狀千枚巖巖石的微觀破裂形式既有沿晶斷裂的拉斷破裂,又存在切晶擦花的剪切微破裂形式,是屬于拉、剪破裂并存的微觀破裂機制。(3)圍壓的差異導致千枚巖巖石破裂方式的不同,在零圍壓的條件下,千枚巖發生與軸向基本平行的剝離現象;圍壓較低時,試件順裂隙面呈梯形狀破裂。在高圍壓條件下,千枚巖的破壞均是沿斜交的片理面發生的剪切破裂。相同受力條件下硅質板狀千枚巖的力學特性與絹云母千