34 高温状态下岩石物理性质和机械性质的综述

中国地质大学《地质科技情报》,年第卷第期竺竺二二士竺竺二兰全竺岁吟,由竺少性竺竺竺竺巴竺一,一竺竺竺,一巴,高温状态下岩石物理性质和机械性质的综述扮谷张大伦摘要本文琼合了近年来国外甘高温岩石物理性质和机城性质的研究成果,重点介绍高温岩石的破裂机理农热应力的分析计其、温度衬岩石物理性质的影响以及高温宕石的可钻性等。试验温度高达℃以上,包括了地热资源开发所经常遇到的典型温度一℃和石英在常压下日相变温度℃。地热资源的开发、放射性废弃物的储存以及超深井钻进技术等都需要对高温岩石的物理、力学性质有所了解。此外,诸如褶皱作用、地热活动、岩浆侵入和板块作用等许多地壳活动,也都与岩石在高温下的性态有关。因此,近年来国外对高温岩石的物理机械性质的研究十分活跃,研究的重点在于高温岩石的破裂机理和热应力的分析计算、温度对岩石物理性质的影响以及高温岩石的可钻性等。试验温度高达。。。℃以上,包活了地热资源开发所经常遇到的典型温度一℃和石英在常压下的币相变温度℃。研究方法除采用常规的纵波速度测定和体积应变孔隙度测定外,还利用了扫描电镜和声发射技术等现代化的测试手段。一、高温岩石的破裂机理岩石在高温下的各种性质,在很大程度上与温度产生的热应力有关。当热应力达到材料局部断裂强度时,即可诱发热裂纹。因此,研究热致裂纹的机制往往是了解岩石在高温下物理、力学性质的关键。对于热应力诱发裂纹的形成机理,目前常根据如下几种模型进行分析〔‘,。双晶摸型设有两个各向同性的晶体,彼此由共同的平面边界相连,但具有不同的弹性模量和热膨胀系数,如图所示。如果温度均匀增加时仍保持共同的边界,贝晶体间必有热应力产生。显然,膨胀系数较大的晶体将受有压应力作用,而膨胀系数较小的则受的是拉应力。热应力的方向均平行于两晶体的边界面。根据弹性力学分析并假定压立力为正,边界面上的最大泣应力可表示一勺,,△二‘“一“,’一汪几了二其中入孔、石百和、、分别表示两个晶体的膨胀系数、弹性模量和泊讼比,且入入。根据上述双品佼型,岩石受热后让瑟胀系数较小的晶粒内将发生穿晶裂纹,裂纹以之龙度与晶粒的边界面相交。。球形杂质摸型此模型假定在各向同性雨无限太呈体内含有各向同性的球形杂质,如图工所示。均匀加热时,杂质颗粒将受到均匀的热应力学的作用丁一尸兰旦二玉立旦迈全些戈己一一万尹其中下标和分别表示杂质和基体。当入,入时,基体内将产生径向裂纹图。如基体为多晶体夕取向是与杂质和基体的分界面成高角度的那些晶粒边界。当久入,时,物质的界面处图。则径向袭缤的优势微裂纹则出现在两种不粤不二一丫丁沐图一厂热敷裂缘的三种模型一多晶集合体模型一考虑图所示理想的单矿物多晶集合人设晶粒间是各向异性的,其最大和最小膨胀系数的方向如图中箭头所示。为了简单起见,这里假定了某个晶粒的最大膨胀方向与周围晶拉的最大膨胀方向垂直。这种情况相当于基体和杂质均为各向异性的球形杂质模型。当均匀加热时夕中心晶粒沿最大膨胀系数方向的膨胀将受到周围晶粒的限制而受到王应力的作用,而沿最小膨胀系数方向将受到拉应力。因此,在该晶粒边界的不同部位将产生不同形式的裂纹图。其中和表示晶粒边界裂纹,分别相当子球形杂质模型中久人和乳,入‘的情况,,表示类似子双晶模型的穿晶裂纹。在单矿物集合休中,相邻领粒间结品学上的差异愈大,晶间应力也愈高。其最大拉应力可根据和近似表示为、久。一久谁斗翼二十乙其中下标分别表示结晶轴和仁。由上述三种模型及其热应力的表达式不难看出,对于一定的材料,只有当温度达到某一界限值后热裂纹才可能形成。。。等人通过畜炭射监测和纵波速度测定发现,三。石英岩的界限温度约为℃,花岗岩的界限温度约为℃。后者产生的热差应力与花岗岩的实际拉张破裂应力十分接近,而石英岩由于存在着较大的残余应变,需要在加热过程中逐渐恢复,因此其界限温度增高了。。等人指出户〕,在达到界限温度后,首先在颗粒边界出现热裂纹,其数量随温度增高而增多,然后在靠近已破裂的边界处出现穿晶裂纹。当温度达到。一℃时,石英岩中几乎所有的领粒边界均已破裂,而在两个相邻的颖粒中,穿晶裂纹一般只在其中的一个内扩展。除了均匀加热外,不均匀交热时的温度梯度也会产生热弹性应力并导致微裂纹的形成。等人将。。石英宕加热到℃后迅速投入冰水中骤冷,使试样产生内高外低的温度梯度。试验发现,经过这样处理的样品内,的顺粒边界出现裂纹,而未经处理的对照样品内,有裂纹的颗粒边界仅占。另外,加热到乓℃后快速冷却的样品内穿晶裂纹的数里,与均匀加热到。℃的样品内穿晶裂纹的数相近。这表明,温度梯度的存在可使热裂纹增多。二、温度对岩石物理力学性质的影响,。拼性公对花肖岩的大盆试脸表明岩石的弹性棋与温度和围压有关‘”随粉退度的升离热级纹增多,弹性棋明显下降。围压的存在则可延缓弹性模量下降的速度,如图所示。图中。表示室沮和无国压时的弹性棋。二了的亡,、弹性棋与滋度和圈压的关系勿肠下’谁二筑拉强度一二径向压缩试验一归西试验表明,花岗岩的抗脸强度随温度而降低,如图所示。强度随温度的降低是由于热裂纹使试样更易于沿那敦平面被拉断。田图中可看出,当温度接近石英的一日相变温度又了℃时,抗拉强度发生急剧变化。。抗压强度三轴压力试验表明,在相同的围压作用下,温度并高,破坏时的差应力。一口降低,如图所示。腾胀系数低于石英的相变温度时,线膨胀系数和二。婉叭盯卜花岗宕二与。厂阮日卜、。、乙树潺二,“卜份益一不流一篇了一赢一下而温度‘”、图抗拉强度随温度的变化根据文献〔实心圆为花肖岩体积膨胀系数都随温度孔高西增加。达到相变温度时,膨胀系数减卜。围王的存在使一日相变温度增高并降低了威长系数的瘴值图。。、,二‘人产户石口弄,‘户户形荤轰萝‘月二以田共吕温度‘,。妙’…图细晶岩的体积序服系致很拐文雌〕八臼了少口二一一一一叭、,口口臼,,图叭卜花岗岩抗压强度随温度的变化很据文献〔〕。导热性各种花岗岩的导热系数随温度的变化如所示。图中虚线表示导热系数随温度变化的经验公式一一一’·一。忿,‘其中为摄氏温度,导热系数的单位为卡厘米。秒。度。。一纵玻速度在石英的一日相变温度以下,花岗岩和卜、花岗岩】石英二长岩,二乙,,花岗岩,“口花肖岩》,又。‘花同岩,花岗矜〕》二挂、、一牙验公式‘一、、.矛Ž毛.,石英的‘一刀相女沮度:573.C200400600启00T‘。C〕100012001们办图.各种花肖岩的导数系致与祖度和压力的关系_(仰文蜂〔幻)qw.;torly花岗岩.Siou、石英岩今石英岩的纵渡速度均随温度的升高而降低,这是由于摄度升高热裂纹增多之故。在接近相变温度时,波速的下降加快,但在超过相变温度后波速下降变缓,如图7所示。7。’声发射缓慢加热时,W。:terly花岗岩的声发射率随温度而增加,并在,睁相变温度附近出现峰值。超过此温度后声发射括动减少,如图8所示。位得注意的是岩石声发射活动对温度的响应如同炙对应力的响应一样也具有记忆性,即含对岩石进行逐渐升有的循环加热时,后一次加热循环中的声发射只有在温度举到前一次循环的最高温度时才明显增加李砚弃件名剪声发熟粹少,和月晰示·主、高温岩石的可钻性二’.高温岩石的可钻性与很多因素有关。高温除了影响岩石的强度外,还可能影响破碎岩石钓机理。如前所述,由于热裂纹的大里出现,高温可降低岩石的强度。但温度升高后,岩石将发生从脆性破坏逐渐向塑性破坏过渡,从而影响破碎过程和钻进速度。岩石呈粘弹性时,、强度明显变辐且易子压入,但岩石的姿形主要是顺拉边界的滑移和粒内滑动,岩屑的形成是剪切破裂的结果。由于破碎前要经历较大的塑性变形,因此可钻性降低。为了研究高温岩石的可钻性,(勺:、‘召„夕‘、40()r一”a、800带图7纵波速度与温度的关系(很据文献〔1〕)Karfakis等利用小型钻进试验台对Indian。灰岩进行了钻进试验亡‘,。试样分三种情况:(l)未经加热的,(2)均匀加热到预定温度后又冷却到室温的,(3)均匀加热到预定温度并保持此温度进行试验的。三种情况和不屁温度下的钻进速度如图10所示。试验结果可归纳如下.1.加热后又冷却到室温的岩石比起一未加过热的岩石其可钻性低,但预先加热韵温度‘禽俪与可钻性降低的禅度关系不大。这表明,·高温引起的微裂纹使岩屑的形成要经历一定剪幼破坏泣程,气从而使钻透速度下降’。2一岩石在高温下的钻进速度也比未加过热的岩石为低,且温度愈高钻速下降愈大、其该协g下||~一‘..,月口....,几夕,一一r~一一尸一一l才冲{‘石;品曳l一…Ž、!IJ-……‘.1券1.叮卜叮111!111|J†口IJ。ltoeslLsel哥”自口,二(-一”二一\,。一68姐压卜!|86卜、飞”民卜\”.不捉毛赞吝娜很2扮衬彼毛落。匕~~权尸02仙300400爪「0沮度(丫J‘eel6自}、()100时{h{(m,n)J翻8花肯岩的声发射对祖度的晌应(一文狱〔1〕)口牛。l峨〕。图92‘1‘一3笼)七-温度一’忆)声发射对沮度的记忆性(很摇文雌〔l〕)工工些’夕‘’‘.试.““奴奴入_行t“。,.“抓后冷却却卜卜一二二甲甲1111忱忱确J(言、拼)甘,润矛六仁沮度产圈10沮度对枯进翔度的彭晌感周与前一种情况类似,都是由于与温度有关的热裂纹所致。3。在一定温度范围丙,岩石在高温下的钻进速度高于加热到同样温度但又冷却到室盆进行试验的钻进速度。这是由于钻进过程采用了空气循环以排除岩粉,而冷空气作用于热岩石后将在岩石内产绘一定的提度梯度热应力,因此有助于破碎岩石。现场试验发现,循环空1切气从地表压入时的温度为“℃,而当其在孔底由喷咀喷出时,由于等悄脸胀其温度可降低到4℃左右。这样一股冷空气作用于高温岩石表面后,由于高温岩石导热性很差而引起很大的温度梯度热应力。当温度升高到232℃后,温度梯度热应力已大到足!’J在岩7万内产生宏观裂纹,宏观裂纹的出现使岩屑形成前裂纹面上的摩擦滑动增加.因此引起钻速的下降。在316℃后,共钻速甚至比加热后又冷却的岩石还要低。.考文欲〔生〕JOhnson,B.,Gan‘i,A.F.aodHandin,J.:Thermaleraekingofroeksubjee-t.dto510甘.unifor山te口Peratureehaoges,Proe.lsthUSSymPosiumonRoek孔leeha一:t七。.1978,25卜-2召7〔2〕Fried二an,M.andJohnson,B.:Theroaleraeksinuneonf;二edsinuxquur一t:1te.Proe.lothUSSy皿po,iumonRoekMeeha刀ies,1575,425一减30(3〕Heu:e,F.E二High一tempe:atureMeehanical,physicalandtherma:proper-ti“ofgranitieroeks一Are甲ie贾,Int.J.RoekMeeh.Min.Sei&Geomeeh.人bstr.1985.Vol,20,No.1.3一10(一〕Karfakis,M.G.andHeins,R.W.:Meehaniesofroek一bitinteraetionatele丫atedte也Peratures.Proe.ZethUSSy过PosiumonRoek入下eehanies,一95,,90厂一,x3中国地质大学(武汉)引进的圈象处理系统简介我校遥撼地质研究室1986年引进了美国国际系统公司(ItS)的S一575数字图象处理系统.已在今年7一9月进行了安装调试.现己投入瑞机运行。该系统与我校MV一1。。。。主机联机,拥有雄厚的计算机资源。5--575系统亦拥有较完备的图象处理设备。材一75图象处理机具有12个图象和8个图形刷新存贮通道,红绿蓝流水处理线的运算速度可达30技/秒(每技为512x512象素点);通过磁带驱动机(四台)可物入MSS、TM、SPOT、NoAA,Daedalus等数字图象CCT磁带.电视摄象数字化仪也可实时艳入处理各种航空、航天遥感图象(照片).各类地学专题图、岩石薄片、显橄构造片.医学X片、指纹图等图象资料。所有处理结果均可通过Matrix一30。。彩色胶片考贝机摄成胶片图象,也