基于微觀試驗的石英片巖區(qū)變質(zhì)巖力學特性影響因素機理分析

范雪凱

(河海大學 力學與材料學院 工程力學系， 江蘇 南京 210098)

0 前 言

變質(zhì)巖是在復雜地質(zhì)環(huán)境中經(jīng)歷多次構(gòu)造作用而形成的一種具有顯著各向異性的復雜地質(zhì)體，其物理力學性質(zhì)與諸多因素有關(guān)[1-3]，因此有必要對變質(zhì)巖力學特性影響因素進行系統(tǒng)研究。

目前有關(guān)變質(zhì)巖的研究主要集中于其組成成分、形成原因以及力學特性，如于津海等[4]采用鋯石U-Pb-Hf方法以及全巖成分分析對粵東北基底變質(zhì)巖的組成成分以及形成年代進行了研究。嵇少丞等[5]對不同靜水壓力下蘇魯—大別超高壓變質(zhì)巖P波與S波速度進行測量，建立了波速與靜水壓力間關(guān)系，并基于計算了不同不同靜水壓力下變質(zhì)巖巖樣彈性參數(shù)，并研究了其與巖體密度間關(guān)系。覃俊[6]采用多種試驗手段對不同風化程度變質(zhì)巖力學性質(zhì)進行研究，并基于統(tǒng)計手段對變質(zhì)巖隧道結(jié)構(gòu)面風化程度進行研究。綜上所述，目前針對變質(zhì)巖的研究主要從宏觀尺度出發(fā)，雖然得到了較多的規(guī)律與成果，但對于其形成機理并不夠明確，而從細觀尺度[7-11]對變質(zhì)巖進行研究能合理的解釋變質(zhì)巖的宏觀力學行為。本文采用單軸壓縮試驗和偏光顯微鏡對石英片巖區(qū)變質(zhì)巖的宏觀力學行為和細觀機理進行研究，分析了石英含量對石英片巖區(qū)變質(zhì)巖的影響。

1 單軸壓縮試驗

1.1 試樣制備

試驗用石英片巖區(qū)變質(zhì)巖巖樣取自山東5個地區(qū)，將取回變質(zhì)巖樣進行XRD試驗分析其礦物成分并按石英含量分別編號為R1、R2、R3、R4和R5，不同石英片巖區(qū)變質(zhì)巖礦物組成成分與百分含量如表1所示?？梢钥闯?，石英片巖區(qū)變質(zhì)巖主要由石英、透輝巖、云母和黑云母組成，其中不同地區(qū)石英片巖區(qū)變質(zhì)巖透輝巖和黑云母含量基本保持變，透輝巖含量約為15%，黑云母含量約為6%，而石英和云母含量差異較大，隨石英含量增大，云母含量逐漸減小，石英的含量變化范圍為42%～77%，云母的含量變化范圍為4%～35%。將取回巖樣加工成直徑×高=50 mm×100 mm圓柱形試樣，并MTS上進行單軸壓縮試驗，試驗軸向應(yīng)變?yōu)?.1 mm/min。

1.2 試樣結(jié)果與分析

圖1為不同石英含量石英片巖區(qū)變質(zhì)巖應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。

表1 石英片巖區(qū)變質(zhì)巖礦物組成(質(zhì)量分數(shù))/%

圖1 不同石英含量石英片巖區(qū)變質(zhì)巖應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖1可知：不同石英含量石英片巖區(qū)變質(zhì)巖均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，取峰值強度所對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)槠茐膽?yīng)變，可以看出隨石英含量增大，破壞應(yīng)變逐漸減小，說明試樣的脆性逐漸增強，分析其原因為石英含量較多時，試樣主要由石英構(gòu)成骨架，軟弱部分含量較少，壓縮過程中礦物顆粒變形較困難，試樣破壞主要是由于礦物間膠結(jié)破壞，而隨著石英含量減少，軟弱部分增多，壓縮過程中除膠結(jié)破壞外，軟弱部分也會由于受壓而產(chǎn)生變形，故隨石英含量增大，試樣脆性逐漸增強。

圖2為石英片巖區(qū)變質(zhì)巖抗壓強度與石英含量關(guān)系曲線。

圖2 石英片巖區(qū)變質(zhì)巖單軸抗壓強度與石英含量關(guān)系曲線

由圖2可知：隨石英含量增大，石英片巖區(qū)變質(zhì)巖抗壓強度逐漸增大，試驗石英含量下石英片巖區(qū)變質(zhì)巖抗壓強度與石英含量呈對數(shù)關(guān)系，這是由于試驗石英含量條件下，石英起骨架作用，而軟弱部分填充骨架中，共同抵抗外部荷載，石英含量越多，骨架作用越明顯，其抵抗外部荷載能力越強，隨著石英含量進一步增多，其隨石英含量增多，骨架作用增長逐漸趨于不明顯。試驗石英含量條件下，石英片巖區(qū)變質(zhì)巖抗壓強度與石英含量關(guān)系可寫為：

qu=Aln(fs)+B

式中，qu為石英片巖區(qū)變質(zhì)巖單軸抗壓強度，fs為石英含量，A和B為試驗系數(shù)，本次試驗A=5.8 MPa，B=-13.5 MPa，相關(guān)系數(shù)R2=0.99，說明擬合效果良好。

石英片巖區(qū)變質(zhì)巖割線彈性模量E50與石英含量關(guān)系曲線圖3所示。

圖3 石英片巖區(qū)變質(zhì)巖E50與石英含量關(guān)系曲線

由圖3可知：隨石英含量增大，E50逐漸增大，且E50與石英含量具有較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，這是因為，隨石英含量增大，石英所起到的骨架作用逐漸明顯，此外礦物間膠結(jié)方式逐步由環(huán)邊狀膠結(jié)向葉片狀膠結(jié)轉(zhuǎn)變，試樣抵抗變形能力逐漸增強。試驗石英含量條件下，石英片巖區(qū)變質(zhì)巖E50與石英含量關(guān)系可寫為：

E50=CeDfs

式中，C和D為試驗系數(shù)，本次試驗C=6.3 MPa，D=0.017 MPa，相關(guān)系數(shù)R2=0.99，說明擬合效果良好。

2 偏光顯微鏡試驗

2.1 試驗儀器與試樣制備

偏光顯微鏡(Polarizing microscope)是一種用于研究材料微細觀結(jié)構(gòu)和各向異性的光學儀器，在地質(zhì)學和巖土工程等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。對具有雙折射的材料偏光顯微鏡均能對其進行清楚的掃描觀察。本次試驗采用奧林巴斯CX31P-OC-1型偏光顯微鏡。儀器調(diào)焦量程為25 mm，微調(diào)行程為每圈0.2 mm，載物臺尺寸為尺寸為188 mm×134 mm。

試驗制備前先對試樣進行固化，首先用600號金剛砂在磨片機研磨，然后用金剛砂M20，細磨料在玻璃板上進行精磨，巖體磨片尺寸長×寬×高為30 mm×50 mm×10 mm，將精磨好巖片置于聚氨脂拋光模上用拋光液將光片進行拋光，拋光后巖片要求具有以下特點，巖片表面平坦、無由于組分或礦物顆粒脫落而形成的空洞，巖片基本無擦痕各種顯微組分界線清晰。

2.2 試驗結(jié)果與分析

采用偏光顯微鏡對石英片巖區(qū)變質(zhì)巖進行掃描觀測，掃描結(jié)果如圖4所示，可以看出石英片巖區(qū)變質(zhì)巖內(nèi)部并非均勻連續(xù)的，其內(nèi)部存在較多的缺陷和孔隙，石英片巖區(qū)變質(zhì)巖主要由石英等堅硬部分、云母等軟弱部分和孔隙缺陷3部分構(gòu)成，當石英含量較多時，石英顆粒結(jié)彼此接觸，試樣受力骨架主要由石英等堅硬部分構(gòu)成，而云母等軟弱部分填充于石英構(gòu)成的骨架中，顆粒間膠結(jié)的主要形式是環(huán)邊狀，云母以斑團狀存在為主，無定向排列，主要存在石英構(gòu)成骨架孔隙中，基本不承擔荷載，隨石英含量減小，石英顆粒間無法全部彼此接觸，石英與云母相互搭接共同構(gòu)成骨架，云母顆粒排列逐漸趨于緊密，顆粒間主要膠結(jié)形式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿~片狀膠結(jié)。

圖4 石英片巖區(qū)變質(zhì)巖偏光顯微鏡掃描結(jié)果

3 結(jié) 論

通過對5組不同的石英片巖區(qū)變質(zhì)巖進行單軸壓縮試驗和偏光顯微鏡試驗，分析了石英含量對石英片巖地區(qū)變質(zhì)巖力學行為的宏觀響應(yīng)規(guī)律，并對其宏觀力學行為從微觀上進行了解釋，主要結(jié)論如下：

1)不同石英含量石英片巖區(qū)變質(zhì)巖均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，隨石英含量增大，試樣的脆性逐漸增強；

2)隨石英含量增大，石英片巖區(qū)變質(zhì)巖單軸抗壓強度與E50均增大，其中單軸抗壓強度與石英含量呈對數(shù)關(guān)系，E50與石英含量呈指數(shù)關(guān)系；

3)石英片巖區(qū)變質(zhì)巖主要由石英等堅硬部分、云母等軟弱部分和孔隙缺陷3部分構(gòu)成，當石英含量較多時，試樣受力骨架主要由石英等堅硬部分構(gòu)成，隨石英含量減小，石英與云母相互搭接共同構(gòu)成骨架；

4)石英含量較多時，云母主要以斑團狀存在，隨石英含量減小，云母排列逐漸趨于緊密，礦物顆粒間的膠結(jié)形式逐漸由葉片狀膠結(jié)向環(huán)邊狀膠結(jié)轉(zhuǎn)變。