工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (1): 85-90   (2659KB)    
页岩微纳观尺度雁列式断续裂纹的原位观测
崔振东①②③, 李晓①②③, 刘大安①②③, 王博楠, 韩伟歌①②③, 张建勇①②③, 王燚钊    
① 中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室 北京 100029;
② 中国科学院地球科学研究院 北京 100029;
③ 中国科学院大学, 地球科学学院 北京 100049;
④ 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院 北京 100083;
⑤ 北京科技大学, 土木与资源工程学院 北京 100083
摘要:在自然界岩石和工程围岩中,宏观尺度雁列式断续破裂现象较为常见。然而,在微纳观尺度上,是否也存在类似的雁列式断续破裂特征?其扩展与演化过程又是怎样的?这是非常值得探讨的基础科学问题。采用带切槽的弧形页岩试样,在扫描电子显微镜(SEM)下开展原位拉伸与微纳观破裂过程观测试验。基于原位观测分析,获得如下几点认识:(1)在微纳米尺度,依然存在断续破裂现象,呈“S”形或反“S”形雁列式展布,是由裂纹尖端部位拉张-剪切复合应力场及矿物非均质性共同诱导形成的。(2)微纳观雁列式断续裂纹总体展布特征和扩展、演化过程是有规律可循的,相邻微裂纹近似平行展布。对单个裂纹来讲,中间的拉张裂纹近似平行于最大拉张应力方向,而两端翼裂纹转向朝着最大剪切应力方向扩展。(3)微纳观雁列式断续裂纹仅代表着主裂纹路径形成过程中的暂时的剪切变形状态或某个中间扩展阶段。(4)雁列式断续裂纹在微米至纳米尺度上具有多尺度分层级结构特征:相对较大尺度的雁列式断续裂纹包含着更小尺度的次级雁列式断续裂纹。该研究提供了微纳观尺度页岩雁列式破裂的观测证据,为分析页岩多尺度裂纹演化过程提供了重要支撑。
关键词扫描电子显微镜    原位拉伸    微纳观尺度    断续裂纹    雁列式    
IN-SITU OBSERVATION OF EN ECHELON INTERMITTENT CRACKS OF SHALE IN MICRO-NANO SCALE
CUI Zhendong①②③, LI Xiao①②③, LIU Da'an①②③, WANG Bonan, HAN Weige①②③, ZHANG Jianyong①②③, WANG Yizhao    
① Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
② Institutions of Earth Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
③ College of Earth Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049;
④ School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing 100083;
⑤ Civil and Resource Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083
Abstract: In macroscopic scale, en echelon intermittent fractures are common in nature and in engineering rocks. Nevertheless, do these en echelon intermittent fractures still occur in micro-nano scale? What is the specific process of crack growth and evolution? This is a basic scientific problem for rock mechanics. Using the arch specimens of shale with a notch on the arch boundary, in-situ tension and crack growth observation are conducted under a scanning electron microscope(SEM). from the in-situ SEM observations, we learn that:(1)En echelon intermittent cracks still can be observed in micro-nano scale with a "S" or reversed "S" shape. They are induced by combined actions of complex tension-shear stress field ahead of the crack tip and the mineral anisotropy.(2)the arrangements, growth and evolution process of these en echelon intermittent cracks generally follow a certain regularity. the adjacent intermittent cracks are approximately parallel to each other. for each single crack, the intermediate tensile crack is parallel to the maximum tension stress, and the wing cracks at both ends tend to grow towards the maximum shear stress.(3)En echelon intermittent cracks in micro-nano scale only represent a transient state of shearing deformation or an intermediate growth stage of the main crack.(4)There exists a hierarchical structure among some en echelon intermittent cracks in micro-nano scale. the en echelon intermittent cracks in relatively large scale are included in those in relatively small scale. This paper provides observation evidence for en echelon intermittent cracks, which contributes for analysis on the evolution process of multi-scale cracks.
Key words: Scanning electron microscope(SEM)    In-situ tension    Micro-nano scale    Intermittent crack    En echelon    

0 引言

雁列式断续破裂是一种在宏观尺度上普遍存在的岩石破裂现象。无论在自然界山体中,还是在工程围岩中,常见到岩石雁列式断续破裂现象。例如:野外露头断续岩脉、地震诱发的地表断续破裂、隧道围岩分区化断续破裂、钻井诱发的井壁断续裂纹等,均可观察到雁列式展布特征。对于肉眼可见的宏观雁列式断续破裂现象的研究较多,论文和教科书中均已报道了许多相关成果。早期研究成果主要集中在构造地质学和地震地质学研究领域,基于大量的节理、裂隙、岩脉及断层带等野外露头地质现象的观察,归纳出宏观尺度的雁列式断裂特征及演化规律。例如:邓起东等(1966)基于大量野外露头观察,提出了剪切破裂带的雁列特征和力学成因。Beach(1975)通过野外调查分析了雁列式脉体展布的几何特征,Olson et al.(1991)研究了雁列式脉体的起裂与扩展规律。Xie et al.(1994)研究了断续裂纹的分形模型和能量耗散规律。

近年来,随着试验技术和数值模拟技术的发展,不少学者开展了宏观断续节理或裂纹的室内力学实验工作和数值模拟工作,主要研究宏观断续节理或裂纹扩展与贯通机理。例如:马胜利等(1995a, 1995b)开展了双轴压缩条件下挤压型和拉张型雁列式断层变形破坏过程试验研究,分析了声发射、断层位移及应变场的时空演化。刘力强等(1998)开展了雁列构造的几何及其应力场的数值模拟研究,探讨了几何参数对雁列构造应力场的影响。黄凯珠等(2002)通过物理实验和数值模拟,研究了双轴作用下不同几何分布和不同围压的断续预置三裂纹的萌生、扩展和贯通机制。陈俊达等(2005)应用数字散斑相关方法实验研究雁列断层变形破坏过程。王来贵等(2008)采用有限元数值模拟和数字散斑试验研究了雁列式断层拉张破裂过程。张庆伦等(2012)对类岩石断续裂纹进行剪切实验,研究剪切作用下类岩石断续裂纹力学特性与破坏规律。杨圣奇(2013)杨圣奇等(2014)通过单轴压缩试验和颗粒流数值模拟,研究了含断续裂隙岩石试样萌生与破裂机制,刻画了宏观变形特性与裂纹扩展过程的关系。Zhang et al.(2015)采用室内试验和离散元数值模拟技术分析了类岩材料非平行断续裂隙的扩展与贯通过程。黄彦华等(2016)研究了三向应力作用下断续裂隙对岩石力学特性的影响。上述研究成果非常有利于深入认识断续节理、裂隙的破裂、扩展规律,但都集中在肉眼可见的宏观力学行为方面,缺少对岩石材料微纳观尺度断续破裂规律的研究,不能直接回答微纳观尺度是否存在雁列式断续裂纹及其如何扩展、演化的问题。

在微纳观尺度上,少数学者借鉴材料科学的原位加载与观测方法,开展了岩石材料的原位力学实验与裂纹扩展观测研究。例如:Slatt et al.(2011)在SEM下观察了Barnett和Woodford页岩的微纳观孔隙结构和拉张裂纹,为理解页岩气赋存空间和运移通道提供了重要的试验依据。Zuo et al.(2014, 2015, 2016)在SEM下开展了玄武岩和大理岩的三点弯曲试验,分别研究了不同的预制切槽结构和温度等因素对岩石微观破裂力学行为的影响。崔振东等(2017)采用带切槽的弧形试样开展了SEM下原位拉伸与裂纹观测试验,成功观测到了微纳观裂纹萌生、起裂及连续扩展过程。但是,总体上来讲,岩石微纳观尺度破裂过程的原位观测研究较少,目前仍处于起步阶段。这些已有的研究成果侧重于探讨微纳观裂纹起裂、扩展及演化过程,并没有观察到微纳观尺度雁列式断续破裂现象,更没有分析微纳观尺度雁列式断续破裂的成因。目前,专门针对岩石雁列式断续破裂过程的试验观测研究尚未见报道。

本文采用改进的试样类型、加载过程及原位观测方法,成功地在SEM下观察到了微纳观雁列式断续裂纹,并捕捉到了高分辨率的图像,分析了微纳观雁列式断续裂纹的力学过程及演化规律,为研究页岩多尺度裂纹演化过程提供了重要的试验支撑。

1 原位观测试验
1.1 试样与夹具

为了有效抑制页岩快速脆性破裂,我们发明了一种含预制切槽的弧形试样,其几何形状和尺寸(图 1),采用微型线切割机制备试样(图 2),试样厚度为2.5 mm,预制切槽宽度0.3 mm。为了提高微纳观裂纹的原位观测分辨率,采用金相砂纸对试样表面进行抛光处理。

图 1 含预制切槽的页岩试样平面图 Fig. 1 Planar graph of arch specimen with a notch on the arch boundary

图 2 用于制备试样的微型金刚石线切割机 Fig. 2 Mini-type diamond wire cutting machine for specimen preparation

由于本次试验采用的SEM原位拉伸装置加载端是卡槽式的,为了有效连接试样与试验机加载端,设计并加工了与试验机加载端形状和尺寸相适应的夹具(图 3)。通过强力胶将带切槽的弧形试样与夹具黏接起来,为避免扭转力的影响,黏接时要确保带切槽的弧形试样底边与夹具拉伸加载方向平行。然后,将试样和夹具一起进行喷金处理,喷金完成后即可开始原位拉伸与观测试验。

图 3 SEM下原位拉伸夹具 Fig. 3 Fixtures for in-situ tension loading under SEM

1.2 SEM下的拉伸加载与原位观测方法

采用SEM下的伺服控制原位疲劳试验系统(SEM-Servopulser)开展试验。采用镊子将喷金后的试样和夹具一起放入SEM原位拉伸装置加载端的卡槽中(图 4),采用手动方式施加初始拉伸载荷,将试样和夹具一起推入SEM仓内,抽真空后,调整试样位置使得SEM聚焦观察预制切槽端部,适度放大观测倍数(一般×100~200倍左右)。采用伺服控制位移的方式进行加载,加载速率为1×10-6 m·s-1

图 4 SEM下的拉伸加载装置 Fig. 4 Installations for in-situ tension under SEM

由于岩石材料呈现出很强的脆性特征,在力学作用下往往发生快速的脆性失稳破裂,因而极难在SEM下捕捉到雁列式断续破裂裂纹的图像。这种情况下,本文采用的带切槽的弧形试样的优势得以凸显,在该试样左右两侧直边施加拉伸载荷,弧形边界在切槽尖端诱导产生挤压效应,在一定程度上抑制切槽尖端部位的快速脆性起裂与扩展,有助于成功观察到预制切槽端部雁列式断续裂纹。此外,为了成功观察并捕捉微纳观雁列式断续裂纹,需要在加载过程中时刻注意观察载荷-位移曲线的变化趋势,一旦载荷达到峰值并出现屈服或下降趋势时,立即暂停加载。此时切槽端部微裂纹刚刚起裂,放大倍数沿着裂纹扩展轨迹观察,重点观察裂纹尖端部位,观察到雁列式断续裂纹时,及时拍照。随后多次重复加载和暂停,不断观察雁列式断续裂纹并拍照记录,直至宏观主裂纹完全贯通。值得注意的是:在SEM下移动试样观察位置时,幅度不宜过大,否则,移动过程中的惯性扰动作用可能导致微纳观雁列式断续裂纹扩展与贯通,不利于成功观察断续裂纹动态演化过程。

2 微纳观雁列式断续裂纹成因与演化
2.1 形成与萌生

基于SEM下原位观察可知,微纳观尺度雁列式断续裂纹可能出现在不同的页岩试样中(图 5),也可能出现在裂纹起裂、扩展、尖端止裂等不同部位(图 5),这表明:微纳观雁列式断续破裂现象可以被多次重复观察到,代表着一种特定的破裂规律。但是,雁列式断续破裂在有些试样或有些阶段不会出现,而是在某种特定的裂尖局部应力条件下才可能出现,特别是很可能出现在裂纹尖端或前缘扩展阻力较大且易发生转向的部位。这是因为:这些部位拉张应力和剪切应力共存,应力积聚效应明显,剪切变形与拉伸变形动态协调并相互作用,复杂的应力状态和矿物非均质性共同诱导了微纳观雁列式断续裂纹的形成。需要指出的是:在主裂纹扩展路径上,微纳观雁列式断续裂纹可能不是以循序渐进的方式形成的,而是一次性形成的一串雁列式断续裂纹序列,这可能与裂尖扩展过程中诱导的应力波效应有关。

图 5 SEM下原位观察到的微纳观尺度雁列式断续裂纹 Fig. 5 Observed en echelon intermittent cracks in micro-nano scale a. H试样切槽端部裂纹起裂阶段的断续裂纹;b. P试样主裂纹扩展过程中的断续裂纹;c. M试样裂纹尖端止裂部位的断续裂纹

2.2 展布与连接

图 6展示了一个典型的微纳观右行雁列式裂纹序列,呈现出明显的规律性展布特征:它由若干个独立的裂纹组成,每一个独立裂纹主要由中间的拉张裂纹和两端的翼裂纹两部分组成。中间的拉张裂纹较宽,相邻的拉张裂纹近平行雁列展布,且其展布方向均与最大拉张应力方向近似垂直。而两端的翼裂纹较窄,且都发生了近似反对称的转向,上端的翼裂纹均一致偏转指向主裂纹扩展方向,下端的翼裂纹则向反方向偏转,形成反“S”形(图 5b)或“S”形(图 6)微纳观断续裂纹。也就是说,相邻翼裂纹的连接过程是朝彼此相向扩展的,而不是某个翼裂纹朝另一个翼裂纹单向贯通。

图 6 I试样微纳观右行雁列式断续裂纹展布特征 Fig. 6 The en echelon intermittent cracks in micro-nano scale in a right lateral arrangement for specimen I

翼裂纹形成与转向扩展的原因在于:在中间的拉张裂纹扩展过程中,受裂尖拉张应力与剪切应力的共同影响,裂尖部位出现局部主应力场偏转,裂纹转向平行于裂尖最大剪切应力方向扩展,形成两端近似平行扩展的翼裂纹。此外,据原位观察可知,这些微纳观雁列式断续裂纹的尺寸、密度及局部展布方向式不均匀和非线性分布的,在有的部位较为相近(图 6),而在有的部位却有显著差异(图 7),这取决于裂纹尖端局部应力场和矿物非均质性。

图 7 J试样微纳观雁列式断续裂纹的多尺度层级结构 Fig. 7 A hierarchical structure among some en echelon intermittent cracks in micro-nano scale for specimen J

翼裂纹扩展将穿越微岩桥段,最终与两侧相邻的裂纹连接、贯通,形成与拉张应力方向呈一定角度的微纳观变形剪切带,直至主裂纹贯通形成自由破裂面。但是,微纳观雁列式断续裂纹代表着主裂纹路径形成过程中某时段的剪切变形状态或某个中间扩展阶段,一旦主裂纹完全贯通形成自由破裂面后,微纳观雁列式断续裂纹便会消失。因此,在试样被拉张破裂成两部分后,就观察不到雁列式断续裂纹了。

2.3 多尺度层级结构

图 7展示了微纳观雁列式断续裂纹的多尺度层级结构特征。断续裂纹1、断续裂纹2和断续裂纹3代表着相对较大尺度的断裂裂纹,这3条断续裂纹呈雁列式展布,中间被两个不同尺度的微岩桥隔开。而这3条较大尺度的雁列式断续裂纹内部又由多个更小尺度的次级雁列式断续裂纹组成。这表明:雁列式断续裂纹在微米至纳米尺度上具有多尺度分层级结构特征。这些不同尺度的雁列式断续裂纹在某裂纹扩展的某个阶段是可以同时并存的,在局部应力场扰动下相互作用,并在各自的尺度上随应力增加而不断扩展和演化,直至贯通成宏观尺度主裂纹。此外,这些雁列式断续裂纹在微岩桥区会发生转向,相邻断续微纳观裂纹倾向于互相靠拢和连接(图 7),这是由相邻微纳观裂纹间的相互作用诱发局部应力场偏转导致的。

3 结论

采用带切槽的弧形试样,在SEM下开展了原位拉伸与微纳观裂纹观测试验,成功地观察到了微纳观雁列式断续裂纹,并分析了其成因、展布特征、扩展与演化过程等。得到以下几点结论:

(1) 在SEM下原位拉伸试验中,能够多次重复观察到微纳观尺度雁列式断续破裂现象,裂尖前缘拉张应力和剪切应力联合作用形成的局部复杂应力场和矿物非均质性是微纳观雁列式断续裂纹产生的主要诱因。

(2) 尽管微纳观雁列式断续裂纹的尺寸、密度及局部展布方向存在一定的差异,但其总体展布特征和扩展、演化过程是有规律可循的。微纳观雁列式断续裂纹序列中,各个相邻微裂纹近似平行展布,中间的拉张裂纹近似平行于最大拉张应力方向,而两端翼裂纹转向朝着最大剪切应力(或裂纹扩展阻力)方向扩展,形成反“S”形或“S”形微纳观断续裂纹。微岩桥两侧相邻翼裂纹朝彼此靠拢、相向扩展与贯通,直至多个微岩桥段完全贯通,最终形成主裂纹的自由破裂面。

(3) 微纳观雁列式断续裂纹并不会一直存在于裂纹扩展全过程,它们只是裂尖断裂过程区剪切变形带演化过程的某个中间扩展阶段,代表着主裂纹路径形成过程中某时段暂时的剪切变形状态。当主裂纹完全贯后,微纳观雁列式断续裂纹将会消失。

(4) 雁列式断续裂纹在微米至纳米尺度上具有多尺度分层级结构特征。即:相对较大尺度的断续裂纹呈雁列式展布,而其中每一条单个裂纹又包含更小尺度的次级雁列式断续裂纹,且不同尺度的雁列式断续裂纹可以同时共存,在相互作用下各自扩展。

当然,微纳观尺度的雁列式断续裂纹展布与宏观尺度雁列式断续破裂现象存在很多相似之处,也有一些差异,微纳观尺度的观察结果可以为宏观尺度的研究提供重要的补充。但这不是本文讨论的重点,我们将在后续的论文中专门对比讨论微纳观与宏观尺度雁列式断续破裂现象。

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