岩石破坏实验实验

观测岩石破坏条件、破坏过程和该过程中岩石物理性质变化的实验研究。岩石破坏实验的目的在于增进对地震成因的理解，加强对地震前兆的认识。对实际的地震预测来说，通常有两种方法：①总结地震之前观测到的可能与地震发生有关的现象，把它作为地震前兆，进行另一次地震预测尝试。②开展震源物理的研究。即从一定的理论前题出发,提出假说─地震发生的模式;再从这个模式着手，推导可能的前兆和不同前兆之间的关系；然后通过实践检验模式。岩石破坏实验为建立假说提供基本的观测事实,是震源物理研究工作的一部分。早在 20世纪 30年代，美国科学家布里奇曼(P.W.Bridgman) 等就开展了在高温高压条件下测量岩石物理性质的研究。但真正将岩石实验结果同地震问题结合起来，则开始于日本茂木清夫1962年的工作。茂木清夫测量了各种岩石受压缩后产生的声发射信号，并用实验结果解释了天然地震的各种类型，他的工作引起了地震学家的浓厚兴趣。1969年以后，发现在许多地震之前波速比vP/vS有异常变化。不久，美国科学家对波速比在地震之前变化的原因提出了理论解释，从而提出了地震的膨胀-扩散模式。70年代以后,岩石破坏实验受到各国从事地震预测研究的科学家的普遍重视。

目前认为产生地震的两种机理是：岩石的破裂和岩石沿已有断层面的摩擦滑动。对完整的岩石进行压缩时,岩石会产生破裂,出现断裂面。岩石在破裂前，体积会有明显的增加，这叫做岩石的膨胀。膨胀是由于岩石中的裂纹形成及其扩展，而且在应力约等于岩石破裂强度的一半时开始。膨胀会引起岩石物理性质的明显变化。基于岩石破裂之前的膨胀现象，美国科学家提出了地震发生的膨胀-扩散模式（见震源物理）。

对含有断层或其他间断面的岩石进行压缩时，沿断层面发生摩擦滑动的条件为：其中σ、τ分别为断层面上的正应力和剪应力。以上定律与经典物理学中的摩擦定律τ=μσ是很不相同的。经典物理学中的摩擦系数μ与材料种类、界面性质等许多因素有关，而在高压下岩石的摩擦却与岩石种类、界面性质无关。这个定律的物理解释目前尚不完全清楚。一旦达到滑动条件后，摩擦滑动有两种方式：一种是稳定的滑动；另一种是不稳定的滑动，叫做粘滑。多数浅源地震的成因可能与现存断层的粘滑有关。　破坏过程中岩石物理性质的测量 　破坏过程中岩石物理性质，例如弹性波速度、电阻率、磁化率、声发射、一些断裂力学参数等将要发生变化。通常将实验室中观测到的这些物理性质的变化，同地震前各种地球物理场的观测资料进行比较，以便了解地震的过程。由于地球上99%以上的岩石都处于1千兆帕(～1万大气压)和500℃以上的高压高温环境之中，因而实验测量工作必须在模拟地球内部的高压高温条件下进行；还由于实验室内岩石样品尺寸不大，故测量精度必须相当高。所以，岩石物理性质的测量，应用和吸收了高温高压技术、激光全息测量技术、电子计算机等许多方面先进的技术和成就。

实验室结果是在短时间内对小尺度的岩石样品进行实验得到的。尽管岩石实验的结果可以定性描述巨大岩体的现象，而且也观测到了岩样破坏前性质的变化与地震前兆之间的相似性，但当把这样的实验结果外推于地球各种过程的定量研究时，必须要研究岩石变形的微观机理。只有在知道岩石在实验室和自然界两种条件下的变形机理后，才有可能作出合理的外推。 2100433B

岩石的破坏过程总是伴随着损伤（分布缺陷）和裂纹 (集中缺陷) 的交互扩展，这种耦合效应使得裂纹尖端附近区域材料必然具有更严重的分布缺陷。岩石的破坏，如脆性断裂和塑性失稳，虽然有突然发生的表面现象，但是，从材料损伤的发生、发展和演化直到出现宏观的裂纹型缺陷，伴随着裂纹的稳定扩展或失稳扩展，是作为过程而展开的。经典的断裂力学广泛研究的是裂纹及其扩展规律问题。物体中的裂纹被理想化为一光滑的零厚度间断面。在裂纹的前缘存在着应力应变的奇异场，而裂纹尖端附近的材料假定同尖端远处的材料性质并无区别。裂纹这样的缺陷可称它为奇异缺陷，因此经典断裂力学中物体的缺陷仅仅表现为有奇异缺陷的存在。断裂力学的一个突出的特点是考虑了材料与结构中宏观缺陷的效应，在方法论上，其优点是把强度与韧性结合起来一起考虑。在断裂力学中，由于应力场的奇异性，即裂纹尖端的应力场将趋于无穷大，所以无法利用应力的大小来判断材料中的裂纹是否继续扩展，所以就提出了应力强度因子和断裂韧性的概念，认为如果裂纹尖端处的应力强度因子大于材料的断裂韧性，那么该裂纹将处于扩展状态，反之，裂纹将不会发生扩展。而距离裂纹远处的应力场仍可以按照由经典断裂力学推导出的公式来进行计算。随着材料损伤程度的加剧，材料本身抵抗断裂的能力会越来越低，表现为材料的力学性能指标上就是材料的断裂韧性会越来越低，所以可以认为随着损伤的变化，断裂韧性也是在变化的，二者之间肯定存在着一定的关系 。

岩石的抗拉强度是岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力，或极限强度，它在数值上等于破坏时的最大拉应力。与岩石抗压强度的研究相比，对抗拉强度的研究较少，对裂隙岩石材料的抗拉强度的研究则更少。从丰富断裂力学和服务实际工程的角度来说，研究裂隙岩石受拉的力学特性具有积极的意义。在实验室尺度下，总是可以找到含有宏观裂纹的岩石试件，此时，无法将其当作无限大体进而使用传统断裂力学的理论进行处理。含斜裂纹的受拉岩石的断裂形式为拉剪复合型断裂。裂纹倾角、裂纹长度对开裂角的影响，随裂纹倾角的增大而增大的结论;对于具有宏观裂隙的试件，基于最大周向应力理论计算的开裂角和基于有效应力理论计算的开裂角随裂隙长度增加有逐渐递减的趋势；基于最大周向应力理论计算的开裂角最大值为70. 5°，基于有效应力理论计算的最大开裂角度约为86°；一般情况下试件尺度下计算的开裂角要大于在无限大体尺度下计算的开裂角。裂隙试样的抗断裂能力可按无限大体理论进行计算;随着裂隙长度的增加， 使用无限大体的理论计算结果与按有限大体的计算结果差异越来越大 。

此实验更接近野外地质实际，可广泛用于研究：①岩石、矿物形成条件、过程和机理，以及人工合成矿物（如合成金刚石）；②岩石、矿物形变和相变，包括重结晶、应力矿物与反应力矿物的形成，乃至晶格位错机制等；③动力成岩成矿过程和机理，包括花岗岩化、混合岩化乃至变形分解作用和变形融合作用等；④岩石褶皱和岩石破裂过程和机制；⑤岩石力学性质及其在不同地质条件下的表现，如小应力作用下的长期蠕变实验等。 2100433B