岩石时效裂纹及脆性蠕变….docx

地壳岩石时效开裂及脆性蠕变综述 摘要 上部地壳的条件下岩石断裂不仅因为应力,也取决于时效的化学活性亚临界开裂过程。这些亚临界过程对于理解在地质时间尺度岩石的力学行为十分重要。岩石的时效脆性宏观表现在其受持续应力会变形或破坏，即众所周知的脆性蠕变。这里，审查地壳岩石脆性蠕变可用的实验数据，用不同的模型来解释这些观察数据。实验室里的实验表明脆性蠕变发生在大多数种类岩石中，且蠕变应变速率对周围环境条件极其敏感：不同的压力，围压，温度和孔隙流体成分。甚至以上因素中小的改变也会造成蠕变应变速率（破坏时间）大的改动。主要有三类脆性蠕变模型来解释这些观察：现象，统计，微观力学。统计和微观力学模型定性的揭示了以下问题：脆性蠕变期间，微裂缝相互作用的影响如何变大，以及增加的累计损坏如何导致可见的宏观变形演变。然而，没有确切的模型可以定量的预测所有脆性蠕变的特性。由于时间量程的有限性，实验数据也是有局限性的，超越它，实验就是切实可行的。很明显，可用的低应变率的实验数据的扩展，以及新模型建立方法需要用于提升当前对于时效性岩石脆性变形的理解。 简介及理论背景 上部地壳的条件下，大多岩石通过破碎和断层这种脆性行为来适应变形。一般认为，脆性破坏的由来，是达到某些临界应力；应力需要在完整岩石中产生一个新的裂缝，或是需要沿着原有的结构面或剪断层。甚至沿着原有断层的摩擦滑动，需要不同规模本体的破碎（从颗粒尺寸到地壳规模断层演进），以及本已恢复断层段的破裂。岩石破裂压力是控制脆性上地壳动力学的关键因素。众多影响岩石脆性强度的因素中，时间因素是理解最浅显的。然而，量化时效性岩石变形对于阐述脆性地壳的复杂演变及动力学至关重要。举个例子，裂缝的存在，允许地壳岩石储存和运输流体，甚至裂缝尺寸，密度或连接的轻微改变会导致流体运输性质的重大改变。因此，岩石时效性变形有着科学和社会经济学的影响，因为它控制着重要地质灾害的先兆阶段，比如，地震，火山喷发，碳水化合物和地热能资源的有效开发，地下矿物完整度及挖掘，危险废料和CO2的长期存储。目前该领域的理解缺乏，最近已被UNESCO指导，“动力破坏千理解渐进变形”是两个优先领域中的一个，为了国际地球年会自然灾害主题的研究。 审查的目的是总结目前时效性裂缝的只是和岩石脆性蠕变。该领域的主要挑战是理解微观（颗粒级别）时效性裂缝生长过程，与岩石可见的宏观力学行为的联系。为了讨论这些问题，简介的最后，将重申对于脆性破裂的关键概念，并介绍与时效性裂缝生长相关的物理化学机理。 岩石单裂缝的扩展 地壳岩石通常包含有限的孔隙，孔隙的组成是开放孔和颗粒，三孔隙，晶象，晶界空洞，开放的微裂缝，甚至相当大的深度。这些缺陷成为应力集中点，从此处裂缝成核并扩展。以上一些阈值密度，裂缝将会互相影响合并知道最终形成宏观破坏，通常产生剪切断层。因此，为了理解裂缝生长导致的脆性破坏的微观机理，将临界应力控制脆性强度的概念替换成临界应力集中控制裂缝扩展，是比较合理的。 根据Griffith,Irwin的原创工作表明，引起已知长度和形状的裂缝不稳定扩展的力，如果能够测出它，就有可能决定任意材料的破裂抵抗力。Lawn给出了一个完整的分析，裂缝的存在在受力弹性体中修改局部应力和位移场，并提出了近域压力分布的一般表达形式：σij-K·r-0.5·fij(θ), 这里，σij是应力张量，r和θ分别是从裂纹面测得的裂纹尖端半径和角度。系数K表示应力强度因子，描述了靠近裂纹尖端的局部主应力的强度量级。实验测定破裂参数的实验配置中，通过安排二维拉伸裂纹的普通荷载，是较常见的。在这些条件下，拉伸应力强度因子K1给定如下：K1-BσГ（πl）1/2,这里，σГ是远程应用拉伸应力，l是裂纹半长。B是维度参数用以描述裂纹和荷载几何形状，并已经制成表格用于宽泛的裂纹配置范围。经典线性弹性破裂机理预示着，一旦一些作为破裂刚度的Kl的临界值被突破，裂纹将会以一些接近Rayleigh波速终端速率动态地扩展。因此Klc描述岩石抵抗动态破裂的扩展。低于临界值时，原有裂纹应保持稳定。 简单的动态破裂标准就是一般认为不足以描述大部分岩石的全部裂纹生长。普遍认为，地壳岩石的特点，就是其破裂抵抗力强烈依赖于引起变形的环境条件，还有变形的速率。尤其是在高温和化学活性气孔流体的存在下。一个可供考虑的实验证据支持该观点，裂纹可以扩展在K低于临界值的稳定，拟静态，尽管速率量级低于可导致毁灭性动态破裂的终端速率。这种现象作为亚临界裂纹生长被人熟知，据报道，已见于多种岩石包括砂岩，石灰岩，花岗岩和玄武岩等，还有玻璃，陶瓷等工程材料。亚临界裂纹生长的微观机理包括原子扩散，溶解，离子交换，微塑形和应力腐蚀。然而，实验事实和观察证据表明，应力腐蚀机理导致的原有裂纹生长，是上部地壳岩石亚临界裂纹生长的主要机理。 应力腐蚀描述了