天然巖石單軸壓裂過程磁組構響應實驗研究

何耀宇,宋選民,李 斌,李自紅,劉力強

(1.太原理工大學 采礦工藝研究所,太原 030024;2.山西省地震局,太原 030021;3.中國地震局地質研究所 地震動力學國家重點實驗室,北京 100029)

天然巖石單軸壓裂過程磁組構響應實驗研究

何耀宇1,宋選民1,李 斌2,李自紅2,劉力強3

(1.太原理工大學 采礦工藝研究所,太原 030024;2.山西省地震局,太原 030021;3.中國地震局地質研究所 地震動力學國家重點實驗室,北京 100029)

首次以天然巖石樣品為研究對象,對不同壓力下巖石磁組構的變化特征及其與應力應變的關系進行了實驗研究,監測了試件在壓力不斷增強的過程中內部微破裂事件及變形破壞過程。試驗結果表明,以磁鐵礦為主要載磁礦物的巖體(火成巖)樣品,巖石磁組構對應力應變的響應較為明顯,主要表現為在壓力不斷增強的過程中,磁化率各向異性度PJ的微弱增強,形狀因子T值明顯升高,磁化率主軸的快速旋轉。本結果與前人利用人工合成的磁鐵礦為載磁礦物的樣品得出的研究結論基本一致。本研究結果可為天然巖石磁組構變化與應力應變關系的深入研究及磁組構構造意義的解釋提供理論依據。

巖石磁學;單軸壓裂;磁組構；天然巖石

絕大多數的巖石中均含有一定量的磁性礦物。由于種種原因,如沉積過程中沉積環境的影響、后期構造變形的改變等,使得這些磁性礦物顆粒或晶格往往呈現出定向分布排列的特征,表現為巖石磁化率各向異性(AMS)、非磁滯剩磁各向異性(AAR)或等溫剩磁各向異性(AIR)等磁各向異性,這種現象通常被稱為磁組構(magnetic fabric)[1]。其中，磁化率各向異性的應用較為普遍。自Graham[2]將磁組構作為一種快速、經濟、無損性測量巖石組構的測量方法以來,磁組構已被廣泛用于構造學、沉積地質學、巖漿巖石學，以及水文、環境、石油地質等領域,尤其在構造地質學領域發展較快。以往的研究認為,巖石的磁各向異性程度與其變形程度有一定的關系,巖石磁化率量值橢球體與巖石構造應變橢球體之間有對應關系,它們的三個主軸相互平行并一一對應(共軸性),大小也具有一定的比例關系。因此，可用磁化率橢球體形態和空間定向來分析和反推巖石所經歷的構造歷程、構造變形的性質及應力作用的方式、方向[3-12]，即巖石磁組構與應力應變之間的關系是利用磁組構研究構造變形的基礎。

近幾十年來,研究者從不同的角度探索磁組構與應力應變之間的(定量或半定量)關系,歸納起來主要有三類:

一是基于理論進行數學建模。截至到目前,主要提出了4種理論模型,即被動模型(Passive model)、線/面模型(Line/plane model)、粘性模型(Viscous model)和韌性模型(Ductile model)[3-5]。盡管這些理論模型發展較早,但幾乎沒有文獻報道過這些理論模型與實驗數據是否具有一致性或可比性，導致這種情況的主要原因是:1) 這些理論模型僅僅是數學抽象而被懷疑其不符合復雜的構造變形機制;2) 這些數學模型僅僅被概括性地提出來,而沒有對具體細節進行詳細的研究,導致后人對其進行重建或二次開發較為困難;3) 這些理論模型沒有合適的圖形來表示磁組構與應變二者之間的關系,給地質學家應用這些理論模型帶來困難[3-5]。

第二類工作是前人通過研究已知應變的自然界巖石的磁組構,嘗試建立二者之間的經驗關系[5-8]。因為影響巖石磁組構的因素較多,基于這樣的研究得出的經驗關系往往停留在定性的層面,即認為巖石的磁組構與應力應變存在一定的對應關系,而無法給出量化的結論。

三是在實驗室通過對巖石進行加壓、加溫,模擬巖石變形,用實驗的方法來研究磁組構與應力應變之間的關系。Borradaile和Alford將磁鐵礦顆粒與含石英-長石的沙子和水泥按照一定的比例混合,人工合成巖石樣品,在實驗室進行了樣品磁化率與應力應變之間關系的研究，實驗結果顯示,壓力可使磁化率主軸發生快速旋轉,且樣品磁化率各向異性度的變化與樣品總的應變比率存在一定的關系[9-10]。近期，Till等人利用人工合成的磁鐵礦-方解石樣品在實驗室進行了樣品的剪切實驗與磁組構分析，通過對樣品進行分步加壓和加溫,促使樣品產生塑性變形和重結晶，研究表明,樣品在缺乏較強的初始磁組構情況下,磁組構的強度隨著應變線性增加；若樣品的后期變形疊加了較強的初始磁組構,在較低的應變階段樣品的初始磁各向異性出現明顯的降低,然后隨著應力應變的增加,磁組構快速增強,認為樣品的初始磁組構在判定變形組構特征上可扮演重要角色[11]。

上述實驗室的研究工作,豐富了人們對磁組構的認識，但為了簡化試驗條件,以往所有的實驗均以人工合成的樣品作為實驗對象,至今尚無利用天然巖石樣品作為研究對象，進行磁組構實驗室研究的報道。自然界中的巖石,歷經了漫長的地質演化,其復雜性遠非人工合成的單一樣品可比,天然巖石的磁組構能否如實、準確地反映構造應力作用的方式與方向，及研究區域的構造演化歷程,尚有待于進一步驗證。筆者試圖通過在實驗室對天然巖石樣本進行分步加壓與磁組構監測,探討平均磁化率、磁化率各向異性度、磁化率橢球體的形狀與主軸的方向等磁組構因素與應力應變之間的關系,尋求磁組構對應力應變的響應與變化規律,以驗證、發展和豐富巖石磁組構相關理論。

1 采樣區地質概況及樣品采集加工

本實驗的巖石樣品采自于山西水峪貫地區的西冶巖體(37.683° N,111.917° E)。水峪貫地區位于山西呂梁山東麓,是太原西山向斜西翼的一個次級褶皺區。區內煤、鐵、鉛鋅等礦產資源豐富,且構造發育,記錄了山西臺地隆起、斷陷盆地的形成過程,并與礦產資源的分布、勘探及開采密切相關[13]。水峪貫地區也是山西省巖漿巖廣泛分布的區域之一,采樣點西冶巖體位于水峪貫地區西冶村西約2 km處,出露面積約6 km2,巖體形態呈蘑菇狀,中心部分較厚,邊緣呈舌狀向圍巖—中奧陶統石灰巖斜插[14]。巖性主要為二長巖,根據結構、構造和暗色礦物含量不同,又可分為等粒狀透輝二長巖、似斑狀二長巖、斑狀二長巖和等粒狀閃輝二長巖。

由于野外精確鉆取巖芯較為困難,此次樣品采集工作采用了野外采取塊樣，實驗室鉆取巖芯相結合的方法。在選取的采樣剖面上,清除表面覆蓋物，采用磁性羅盤進行野外定向，用地質錘等工具從新鮮剖面挖出塊樣,一共采集了10塊大樣。

樣品的實驗室加工包括描繪塊樣的傾向線，根據塊樣傾角用水平儀取平巖芯鉆取面，固定塊樣并用YBZS-200型自動取芯機取芯，切割巖芯并用磨床打磨端面至誤差在允許范圍內(±0.01 mm)。加工后的樣品為直徑2.2 cm，高2.2 cm的圓柱形樣品。總計加工了24個巖石樣品用于礦物鑒定、樣品加壓與磁組構測試,每個巖石樣品均完好無缺陷、表面光滑、上下表面平行。

2 樣品礦物鑒定

巖石中磁性礦物的種類對磁各向異性有重要的控制作用，而巖石中的非磁性礦物在巖石變形過程中,也會影響磁性礦物的定向排列或重組,進而影響磁各向異性。因此,對巖石樣品中磁性礦物與非磁性礦物的鑒別,是本次研究的基礎。

2.1 巖石磁學測試與結果

為準確確定巖石樣品中主要載磁礦物的種類與組合類型,對采集的樣品進行了詳細的巖石磁學分析,包括熱磁曲線(χz-t曲線)、等溫剩磁(IRM)獲得曲線和磁滯回線。所有測試均在中科院地質與地球物理研究所古地磁與年代學實驗室完成。χz-t曲線使用捷克Agico公司生產的MFK1-FA測量,頻率為976 Hz,溫度控制系統為CS-3；為防止樣品在加熱過程中發生氧化,樣品在氬氣環境中加熱；為了減少空管子背景值的干擾,每次加熱樣品前先燒一次空管子。磁滯回線和磁滯參數(包括飽和剩磁Mrs,飽和磁化強度Ms(A/m),矯頑力Bc和剩磁矯頑力Bcr)、IRM 獲得曲線，及其反向場退磁曲線在室溫下采用美國普林斯頓儀器公司生產的MicroMag3900型振動樣品磁力儀測量。實驗共選取了6塊樣品,分別進行了巖石磁學測量，選取其中具有代表性測量結果的實驗樣品測量值如圖1所示。

圖1-a為典型樣品的χz-t曲線。所有樣品的磁化率在加熱溫度達到580 ℃左右時都急劇降低,并接近于零,顯示了磁鐵礦的居里溫度。所有樣品的冷卻曲線都顯示出磁鐵礦的熱磁特征，并伴隨磁化率值升高,表明樣品中的磁性礦物主要為磁鐵礦。圖1-b為上述典型樣品的IRM獲得曲線及其反向場退磁曲線。IRM獲得曲線在100 mT時接近飽和,S-ratio接近1,表明樣品中低矯頑力的磁性礦物占主導。磁滯回線分析結果顯示,大多數樣品的磁滯回線較“瘦”,“細腰”特征不是特別明顯(圖1-c)。根據得到的磁滯回線參數繪制出的反映磁性礦物磁疇類型的Day-圖如圖2顯示,樣品中絕大多數磁性礦物都是以多磁疇形態(MD)存在。

圖1 典型樣品的巖石磁學測量結果:a-χz-t曲線;b-IRM獲得曲線及其反向場退磁曲線;c-磁滯回線

圖2 樣品Day-圖

綜上分析認為,采集的巖石樣品中主要的載磁礦物為磁鐵礦,他們主要以多磁疇形態存在。

2.2 顯微鏡下巖礦鑒定結果

巖石樣品中非磁性礦物類別與賦存形態的鑒定,采用的是樣品磨片與顯微鏡下巖礦鑒定。圖3為典型樣品的顯微鏡下圖像,樣品中的斑晶主要為斜長石,次為正長石,可見少量角閃石斑晶,斑晶約占巖石總質量的35%～40%;基質為細粒結構,主要為正長石、斜長石、角閃石,可見極少量石英。副礦物為磷灰石、榍石、鋯石、磁鐵礦等,含量甚少。該巖石樣品可命名為二長斑巖。

圖3 典型樣品磨片后的顯微鏡下圖像

斜長石斑晶為半自形板狀,粒度介于0.71～2.14 mm之間,多數因發生絹云母化表面呈不均勻的土狀,但仍清晰可見其發育聚片雙晶、卡鈉復合雙晶,有的具有環帶結構,均勻分布;正長石斑晶為半自形狀,粒度與斜長石斑晶相近,多數無色,個別因發生輕微高嶺土化而表面略帶不均勻的土狀,發育卡氏雙晶;角閃石斑晶為半自形柱狀,粒度介于0.71～1.42 mm之間,具綠-淡黃綠色的明顯多色性,斜消光,含量甚少。基質中正長石為半自形到它形狀,粒度介于0.07～0.26 mm,均已發生強烈的高嶺土化,呈土狀,淡褐色,但仍清晰可見其發育卡氏雙晶;斜長石粒度與正長石相近,半自形-它形狀,多數發生了輕微的絹云母化或高嶺土化,發育聚片雙晶。角閃石為半自形狀,粒度介于0.08～0.32 mm之間。石英含量甚少,為它形狀,粒度介于0.01～0.10 mm,無色,低正突起,一級灰白干涉色。副礦物磷灰石為自形柱狀,無色,中正突起;鋯石為細小的雙錐狀,極高正突起,二級鮮艷干涉色;榍石為它形狀,淡褐色,極高正突起,高級白干涉色;磁鐵礦黑色不透明,它形狀。副礦物多數分布于基質中,個別被包裹于斑晶之中,角閃石斑晶中常含有磁鐵礦包裹體。

3 加壓實驗及磁組構分析

3.1 加壓實驗

本實驗的設計方案為:在每個樣品加壓前,首先測量其初始(零壓力)磁組構,然后確定加壓的步長與加載速率,對樣品進行分步加壓;對于每一步加壓實驗,當壓力達到目標載荷時,保持載荷穩定,并持續加壓300 s后卸載,卸載后立即測量其磁組構;重復上述加壓過程,直至達到屈服強度。

加壓實驗是在中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室進行的,加載設備為WAW-1000微機電液伺服控制萬能材料試驗機,該試驗機采用高性能伺服閥控制,加載速率均勻,并配備高精度壓強傳感器和位移傳感器,測量精度高,完全能夠滿足單軸巖石加壓測試的要求。加壓實驗的加載速率和每一步的目標荷載,是根據所選巖石樣品的單軸抗壓實驗結果確定的，其加載速率為0.1 kN/s,共分10步進行加壓,每一步的目標載荷分別為20,40,50,60,70,75,80,85,90,95 kN。將不同目標載荷下的加壓實驗后的樣品,進行磁組構的測量與分析。

3.2 磁組構測量結果與分析

樣品的磁組構測量是在中科院地質與地球物理研究所古地磁與年代學實驗室完成的，測試儀器是捷克AGICO公司生產的MFK1-FA,所用磁場強度為300 A/m,磁化率測量精度為2×10-8國際單位。樣品測量結果如圖4-圖8所示。

3.2.1 平均磁化率Km

第二，農村環境治理的當期系數與滯后系數均為負數，其取值分別為-0.7152、-0.5286，且均在10%的顯著性水平下通過了檢驗，這說明農村環境治理對我國農業綠色發展具有負向影響，與本文的預期影響一致。原因在于環境污染治理投資總額占財政支出比重越大，表明該地區環境污染較為嚴重，土壤、氣候、水資源等農村環境條件較為惡劣，阻礙了農業綠色發展水平的提升。

樣品的平均磁化率

Km=(Kmax+Kint+Kmin) /3 .

Kmax、Kint與Kmin分別為磁化率橢球體最大軸、中間軸與最小軸磁化率值。該式反映了樣品中礦物磁化率的綜合特征,與磁性礦物類型、含量、分布等密切相關。圖4-a為樣品平均磁化率Km隨壓力不斷增強的變化曲線。實驗結果顯示,所選樣品的平均磁化率Km在12 000～25 000范圍內變化；隨著壓力與應變的不斷增強,平均磁化率Km基本保持穩定,未表現出顯著的變化趨勢。圖4-b為樣品平均磁化率Km隨壓力不斷增強的相對磁化率ΔKm變化曲線,結果顯示較小的壓力即能引起巖石平均磁化率Km的升高,隨著壓力的不斷升高,表現出微弱的增強趨勢；但這種變化相對樣品平均磁化率Km的絕對值來講非常小,直至巖石樣品破裂,ΔKm的最大變化值仍小于3%。

圖4 樣品平均磁化率Km隨壓力不斷增強的變化曲線

3.2.2 磁化率各向異性度PJ值

磁化率各向異性度即磁化率各向異性的大小[15-16],從磁化率的角度反映巖石形成時以及形成后所受外界條件的影響。自Jelinek提出矯正磁化率各向異性度(PJ)(Corrected Anisotropy Degree)的概念后,樣品的磁化率各向異性度普遍用PJ來表述,即

圖5-a為樣品磁化率各向異性度PJ隨壓力不斷增強的變化曲線。實驗結果顯示,所選樣品的磁化率各向異性度PJ總體不高,PJ值在1.029～1.041之間變化。隨著壓力的不斷增強,PJ值表現出一定的增強趨勢。圖5-b為樣品磁化率各向異性度PJ隨壓力不斷增強的相對各項異性度ΔPJ變化曲線,雖然PJ值的變化幅度不大,但ΔPJ值隨著壓力不斷增強而逐漸升高的趨勢仍然比較明顯。

圖5 樣品磁化率各向異性隨壓力不斷增強的變化曲線

3.2.3 形狀因子T值

式中：T>0,‘扁球型’;T<0,‘鉛筆型’。圖6-a為樣品形狀因子T值隨壓力不斷增強的變化曲線。實驗結果顯示,僅有兩個樣品的初始值T<0,其余樣品的初始值T>0,表明初始磁組構以扁圓型為主。隨著壓力的不斷增強,所有樣品的T值均表現出明顯的升高趨勢。圖6-b為樣品形狀因子T值隨壓力不斷增強的相對形狀因子ΔT的變化曲線,ΔT值亦隨著壓力的不斷增大而明顯升高,表明在壓力不斷增強的過程中,磁化率橢球體逐漸向‘扁球型’發展。

圖6 樣品形狀因子T值隨壓力不斷增強的變化曲線

3.2.4PJ-T與Flinn圖解

磁化率各向異性的PJ-T圖解,常用來分析巖石磁組構的類型以及和磁化率各向異性度PJ之間的關系。圖7-a為樣品形狀因子T與磁化率各向異性度PJ隨著壓力不斷增強的變化曲線。顯示出在壓力不斷增大的過程中,PJ和T值均明顯升高,與Pares，Hrouda等總結的PJ-T曲線吻合[16-19],即樣品變形的強度顯著控制著磁化率各向異性度的大小、橢球體的形狀和主軸的方向。巖石磁組構類型也常用Flinn圖解來表示(圖7-a)。以L(Lineation,L=Kmax/Kint)為縱坐標,F(Foliation,F=Kint/Kmin)為橫坐標,將數據投影于該坐標系中；以E=1為界(E=L/F)，將坐標系劃分為兩個區域:E>1,表明磁化率橢球體為‘鉛筆型’,巖石中磁線理發育;E<1,磁化率橢球體為‘扁球型’,巖石中磁面理較磁線理發育。Flinn 圖解清楚顯示,隨著壓力的不斷增大,樣品中磁面理越來越發育。

3.2.5 磁化率橢球主軸方位

圖8為代表性樣品磁化率橢球體三個主軸的下半球等面積投影圖。磁化率橢球體主軸的投影方位及變動軌跡顯示，代表性樣品磁化率橢球體為“扁球型”，這與PJ-T與Flinn圖解結論一致。圖中箭頭表示隨著壓力的不斷增強,磁化率主軸方位的變化趨勢。如圖所示,在壓力不斷增強的過程中,磁化率最小軸K3基本保持不變；而磁化率最大軸K1與中間軸K2則有明顯的變化趨勢,它們沿著K3軸快速的旋轉,表現為最大軸K1投影沿約N 210°方位逐漸趨于投影中心,而K2趨于遠離投影中心。

圖8 不同壓力下代表性樣品磁化率橢球體三個主軸的下半球等面積投影圖

4 結果與結論

與以往磁組構實驗研究不同的是,本實驗首次以天然巖石樣品為研究對象進行磁組構與應力應變的實驗室測試,取得了與Borradaile和Alford利用人工合成的、以磁鐵礦為載磁礦物樣品基本一致的結論,即樣品磁化率各向異性度的變化與樣品總的應變比率存在一定的關系,且壓力可使得磁化率主軸發生快速的旋轉。筆者認為，此次實驗之所以能得到與人工樣品類似的結論,主要因為所采集天然樣品的巖礦成分相對簡單。樣品的巖石磁學測試結果表明，載磁礦物基本單一(磁鐵礦為主),顯微鏡下巖礦鑒定結果亦顯示非磁性礦物也以長石為主,礦物不均勻致密、顆粒間存在一定的空隙,使得在壓力增強的過程中磁性礦物更容易變形和活動。

然而，基于本次試驗,磁組構變化與巖石應力應變之間定量化的嘗試未取得預期效果。其主要原因可能是：影響巖石磁化率各向異性的因素涉及形狀各向異性、磁晶各向異性、分布各向異性以及應力引起的各向異性等諸多方面,巖石磁組構變化與巖石應力應變之間是否存在一個普適的定量化關系尚待進一步的研究。例如,以往較多的研究表明[3,5-10],磁性礦物對磁組構有重要的控制作用,抗磁性和順磁性礦物的AMS張量與鐵磁性礦物的AMS張量不一致。

此外,本次試驗亦采集了砂巖(細砂巖和粗砂巖)與泥巖樣品進行了同樣的分步加壓和磁組構測量,但結果并未顯示出類似的規律性。這也再次印證了磁組構的復雜性,即雖然磁化率各向異性(AMS)與應力應變強度有關,但不同巖石的應力響應模式并不相同,磁組構變化往往與應力應變作用沒有嚴格的對應關系。在應用磁組構研究區域構造變形與構造應力時,要充分考慮到這一點。

通過上述對自然界巖石樣品的實驗室測試與分析,主要得到以下幾點認識:

1) 以磁鐵礦為主要載磁礦物的山西水峪貫西冶巖體(火成巖)樣品,其巖石磁組構對應力應變有明顯的響應。即在單軸加壓過程中,其磁化率各向異性度PJ出現增大趨勢;外部壓力對磁化率橢球的形狀改變影響更為明顯,表現為磁化率形狀因子T值的明顯升高與磁化率主軸的快速旋轉,這與Borradaile和Alford利用人工合成的、以磁鐵礦為載磁礦物樣品得出的結論基本一致。

2) 嘗試對砂巖(細砂巖、粗砂巖)和泥巖做了同樣的實驗室測試,可能由于其固結性差、鐵磁性礦物含量少等原因,并未發現類似規律性的變化特征,該工作尚需進一步探討。此外,巖石中的磁性礦物對磁化率各向異性(AMS)有重要的控制作用,天然樣品的形成演化較為復雜,當巖石磁性載體不止一種磁性礦物類型時,對磁組構構造意義的解釋應該慎重。

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(編輯：龐富祥)

A Laboratory Research on Magnetic Fabric Response of Natural RockSamples in the Process of Uniaxial Compression to Rupture

HE Yaoyu1,SONG Xuanmin1,LI Bin2,LI Zihong2,LIU Liqiang3

(1.InstituteofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.ShanxiEarthquakeAdministration,Taiyuan030021,China;3.StateKeyLaboratoryofEarthquakeDynamics(InstituteofGeology,ChinaEarthquakeAdministration),Beijing100029,China)

In this paper,the authors select natural rock samples as research objects,test and analyze the variation of rock magnetic fabrics at different pressures and its relationship with stress-strain in laboratory.Meanwhile,acoustic emission experiments are carried out to monitor the internal micro-fracture events and deformation process of samples as the pressure increases.The results show that the response of magnetic fabrics on stress-strain is obvious for igneous rock samples from Xiye rock mass,in which magnetite is the main magnetic mineral.The responses mainly exhibit the slight enhancement of the degrees of anisotropy of magnetic susceptibilityPJ,significant increase of the shape factorT-value and rapid rotation of susceptibility spindle,which are essentially in agreement with the conclusions drawn from synthetic samples with magnetite as the main magnetic mineral.The results can provide reference and theoretical basis for the further study of the relationship between the magnetic structure and the stress-strain in the rock and the interpretation of the magnetic structure.

rock magnetism;uniaxial compression;magnetic fabrics;natural rock

1007-9432(2015)06-0672-08

2015-05-05

地震動力學國家重點實驗室開放基金資助項目:不同溫度與壓力下巖石磁組構變化特征研究(LED2011B05);山西省自然科學青年基金資助項目:山西太谷斷裂帶構造應力的初步定量化研究(2010021005)

何耀宇(1974-),男,山西霍州人,博士生,主要從事巖石力學研究工作,(E-mail)heyaoyu@tyut.edu.cn,(Tel)13934239486

宋選民(1963-),男,教授,博導,主要從事巖石力學研究,(E-mail)xminsong@ 163.com,(Tel)0351-6047867

P584

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.008