謝和平,高明忠，付成行，魯義強(qiáng),6，楊明慶，胡建軍，楊本高

(1.深圳大學(xué) 廣東省深地科學(xué)與地?zé)崮荛_發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060; 2.深圳大學(xué) 深地科學(xué)與綠色能源研究院，廣東 深圳 518060; 3.深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060; 4.深圳大學(xué) 深圳市深部工程科學(xué)與綠色能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060; 5.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065; 6.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

向地球深部要空間、要資源是大勢所趨，地球深部資源的開發(fā)與利用已成為世界各國爭先探索的科學(xué)制高點(diǎn)，其共性科學(xué)基礎(chǔ)即是深部巖石力學(xué)理論[1-6]。隨著能源資源開發(fā)由淺部走向深部，深部工程中的“高地應(yīng)力、高溫度、高滲透壓”的“三高”地質(zhì)環(huán)境導(dǎo)致巖石的組織結(jié)構(gòu)、基本力學(xué)特征和工程響應(yīng)發(fā)生變化，均是深部工程災(zāi)害頻發(fā)且不同于淺部災(zāi)害形式的主要原因[7-17]。不同賦存深度巖石力學(xué)行為的差異性主要體現(xiàn)在巖石變形、強(qiáng)度特征、破壞特征和脆延性轉(zhuǎn)化等方面[18-21]，其中，巖石的脆延性隨深度的演化規(guī)律是深部巖石力學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。

由于不同深度巖芯難以獲取，大多學(xué)者仍通過改變圍壓來近似模擬不同深度的地應(yīng)力賦存環(huán)境，進(jìn)而分析巖石脆延性狀態(tài)轉(zhuǎn)化方面的規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)隨著圍壓的增大巖石具有從脆性向延性轉(zhuǎn)化的趨勢[22-24]。筆者首創(chuàng)深部巖石原位保真取芯技術(shù)，旨在探索研究原位環(huán)境下深部巖石的物理力學(xué)差異性特征新規(guī)律、構(gòu)建深部原位巖石力學(xué)新理論體系[25-26]。VON KARMAN用大理巖進(jìn)行不同圍壓條件下的力學(xué)實(shí)驗(yàn)[27]，發(fā)現(xiàn)在圍壓約69 MPa下，大理巖發(fā)生了較大的塑性變形，軸向應(yīng)變的值達(dá)到8%左右時(shí)試樣還未發(fā)生宏觀破壞。PATERSON[28]在室溫下對Wombegan大理巖做了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大理巖的圍壓超過20 MPa后峰值應(yīng)變顯著增加，并且隨著圍壓的增大巖石的力學(xué)性質(zhì)有脆性向延性轉(zhuǎn)變的特性，PATERSON 把這種由低峰值應(yīng)變下的宏觀破裂到高峰值應(yīng)變下的沒有明顯破壞跡象的轉(zhuǎn)變稱脆延轉(zhuǎn)變。MARTIN和STIMPSON[29]基于大量實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了一個(gè)基于應(yīng)力和強(qiáng)度關(guān)系的脆延轉(zhuǎn)化條件。HANDIN[30]對鹽巖在室溫下的三軸壓縮試驗(yàn)中觀測到圍壓小于20 MPa時(shí)會(huì)發(fā)生脆性向延性轉(zhuǎn)變。MOGI[31]采用大理巖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出了類似的結(jié)果。CLEARY[32]認(rèn)為巖石的破壞過程在淺部表現(xiàn)為脆性或斷裂韌性控制，在深部表現(xiàn)為準(zhǔn)靜態(tài)或延性狀態(tài)。周宏偉等[33]從微細(xì)觀角度討論了巖石內(nèi)部微結(jié)構(gòu)在脆延轉(zhuǎn)變過程中的作用，認(rèn)為外部因素為溫度和壓力，內(nèi)部因素為內(nèi)部晶體的微結(jié)構(gòu)，深部巖石脆延轉(zhuǎn)變受到這兩類因素共同作用，且它們相互影響。盡管眾多學(xué)者對深部巖石的脆延轉(zhuǎn)換問題做了大量研究，但大多仍采用通過改變圍壓來近似模擬不同深度的地應(yīng)力賦存環(huán)境，且多數(shù)還集中在定性的討論階段[34-35]。

對巖石這種多孔介質(zhì)來講，孔隙度對巖石的脆延性轉(zhuǎn)變也有關(guān)鍵控制作用。脆性和延性之間的區(qū)別是宏觀的，這取決于巖石是否能夠承受較大的永久應(yīng)變而沒有宏觀的斷裂[36]。與巖石的宏觀脆性斷裂相關(guān)的變形機(jī)制主要包括晶粒間的微裂紋擴(kuò)展和摩擦滑動(dòng)，巖石在延性狀態(tài)下的非彈性變形機(jī)制主要包括晶體可塑性、晶體的轉(zhuǎn)移和分解[36-38]。學(xué)者普遍認(rèn)為，多孔巖石脆延性的轉(zhuǎn)變與初始孔隙度密切相關(guān)[36]。而BRACE[39]認(rèn)為當(dāng)巖石的孔隙度<5%時(shí)，可將其視為少孔巖石，反之則可視為多孔巖石，并將5%這一臨界值作為區(qū)分少孔巖石和多孔巖石的指標(biāo)，稱為截止孔隙度。基于此，BAUD等[40]研究了Solnhofen石灰?guī)r脆延性的變化，將截止孔隙度臨界值降低至3%。BAUD等發(fā)現(xiàn)以往關(guān)于多孔砂巖脆延性轉(zhuǎn)變的概念過于簡單化，巖石的脆延性轉(zhuǎn)變過程可能存在一種中間狀態(tài)，其破壞模式與壓實(shí)帶的局部發(fā)展有關(guān)[41-44]。

以上學(xué)者主要以1 000 m以淺的巖石為研究對象，很少考慮深度變化導(dǎo)致的巖石性質(zhì)的改變，以不同圍壓模擬深度的變化，導(dǎo)致利用淺部巖石獲得的規(guī)律不能適用于深部巖石。HERRMANN等[45]研究發(fā)現(xiàn)露頭頁巖和深部頁巖的力學(xué)性質(zhì)差異較大，這也驗(yàn)證了采用淺部巖石通過改變圍壓去模擬深部巖石的力學(xué)性質(zhì)會(huì)與深部巖石的真實(shí)力學(xué)性質(zhì)存在較大的差異。因此，研究不同深度巖石力學(xué)性質(zhì)的變化，有必要同時(shí)考慮不同深度巖石本身的差異性和不同深度環(huán)境應(yīng)力水平的差異性。筆者以松遼盆地1 000～6 400 m深度巖石為研究對象，充分考慮巖石原位應(yīng)力環(huán)境以及初始物性差異，初步探究了不同深度巖石脆延轉(zhuǎn)化力學(xué)行為特征。

1 基于松科二井原位巖芯的不同深度巖石三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1.1 松科二井不同深度試樣制備

松遼盆地作為中國陸相沉積地層最完整的區(qū)域，是研究不同深度巖石物理力學(xué)行為差異的最佳靶點(diǎn)。特別是松遼盆地有中國最深(完井深度7 018 m)的科探鉆井——松科二井，可以獲得用以科學(xué)探索的深部巖芯，本研究所取巖芯主要集中在4 800,5 100,5 600,6 400 m深度范圍。為了系統(tǒng)的研究松遼盆地不同賦存深度巖石的物理力學(xué)規(guī)律，建立大深度范圍的不同賦存深度規(guī)律研究，課題組在大慶油田取芯井(龍17、龍10-08、葡深1、臺602、茂61-檢89、大424)獲得的1 000～3 500 m深部范圍內(nèi)的巖芯，綜合松科二井樣品開展不同深度巖石的物理力學(xué)試驗(yàn)。大慶油田取芯井與松科科探鉆井的相對位置如圖1所示[46]，兩者均位于松遼盆地，且地質(zhì)條件相似，故在一定程度上可將兩者巖芯統(tǒng)一進(jìn)行研究。

實(shí)驗(yàn)采用10個(gè)深度的巖芯，賦存深度分別為1 000，1 300，1 600，1 850，2 600，3 500，4 800，5 100，5 600，6 400 m。其中1 000～4 800 m為砂巖，5 100～5 600 m為礫巖，6 400 m為安山巖。將取得的巖芯制作成直徑為(25±1) mm，高徑比為(2±0.2)的圓柱體試樣，試樣兩端面不平行度應(yīng)不大于0.01 mm;試樣上下端直徑偏差不應(yīng)大于0.1 mm;試件表面應(yīng)光滑，避免因不規(guī)則表面而產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)失真。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文考慮深度影響的巖石常規(guī)三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，1 000～3 500 m深度實(shí)驗(yàn)在四川大學(xué)MTS815巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上開展;4 800～6 400 m深度在重慶大學(xué)GCTS高溫高壓巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上開展。實(shí)驗(yàn)前采用標(biāo)準(zhǔn)鋁塊和完整砂巖驗(yàn)證了2臺實(shí)驗(yàn)機(jī)在測試中的誤差，確保實(shí)驗(yàn)機(jī)在測試中產(chǎn)生的誤差可以忽略。

為深入探索不同深度巖石脆延轉(zhuǎn)化力學(xué)行為規(guī)律，共設(shè)計(jì)3個(gè)試驗(yàn)方案:① 同一深度(Same depth)巖石不同應(yīng)力水平(Different stress)的常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)，簡稱SD;② 不同深度(Different depth)巖石同一應(yīng)力水平(Same stress)的常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)，簡稱DS;③ 不同深度(Different depth)巖石真實(shí)應(yīng)力水平(True stress)的常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)，簡稱DT。實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

2 不同深度巖石脆延特性評價(jià)方法

為了深入研究不同深度巖石的力學(xué)特性，充分分析松遼盆地不同深度巖石三軸壓縮下脆延性特征差異，采用MOGI[47]和RYBACKI E等[48-49]提出的定義典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾個(gè)特征力學(xué)參數(shù)的方法進(jìn)行表征，如圖2所示。

圖2中A點(diǎn)為應(yīng)力應(yīng)變曲線的屈服點(diǎn);B點(diǎn)為峰值應(yīng)力點(diǎn)(試樣破壞點(diǎn));OD代表試樣的延展性(延性)，定義為材料在無斷裂情況下經(jīng)受最大永久變形的能力。目前關(guān)于延性參數(shù)度量方法沒有統(tǒng)一，本文給出了一個(gè)簡單的確定方法，從應(yīng)力應(yīng)變曲線的起始點(diǎn)O，做直線(斜率為彈性模量E)，在該直線與應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值水平線交點(diǎn)處向下做垂線，垂線與應(yīng)力應(yīng)變曲線的相交點(diǎn)定義為應(yīng)力應(yīng)變曲線的屈服點(diǎn)A。屈服點(diǎn)之前的OA段巖石的變形為彈性變形(包括線彈性和非線彈性)。A點(diǎn)之后開始有塑性變形產(chǎn)生，巖石進(jìn)入屈服階段。然后定義巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的幾個(gè)參數(shù):E代表巖石的彈性模量，從初始線性部分的曲線斜率中獲得;泊松比μ由彈性階段的環(huán)向應(yīng)變與軸向應(yīng)變的比值獲得;H代表應(yīng)變硬化模量，由后屈服區(qū)曲線的斜率獲得。εini,εel,εinel,εmax,εfail分別為剪脹開始時(shí)的應(yīng)變，最大彈性應(yīng)變(屈服應(yīng)變)，非彈性應(yīng)變(延性應(yīng)變)，峰值應(yīng)力應(yīng)變和破壞應(yīng)變。根據(jù)圖2中定義的幾個(gè)參數(shù)的計(jì)算如式(1)所示:

圖1 松遼盆地取芯位置[46]Fig.1 Location of cores obtained[46]

表1 不同深度試驗(yàn)樣品信息Table 1 Sample information at different depths

圖2 三軸壓縮實(shí)驗(yàn)中巖石的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線[47-49]Fig.2 Typical stress-strain curve of rock in triaxial compression test[47-49]

(1)

式中，ΔσL為應(yīng)力應(yīng)變曲線直線段兩點(diǎn)之間的差值，MPa;ΔεL為直線段兩點(diǎn)對應(yīng)的軸向應(yīng)變;εd為側(cè)向應(yīng)變;εL為軸向應(yīng)變;σel和σmax分別為最大彈性應(yīng)力和峰值應(yīng)力;εel和εmax分別最大彈性應(yīng)變和峰值應(yīng)力應(yīng)變。

根據(jù)不同深度巖石不同階段應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的變化，定義了幾個(gè)可以表征不同深度巖石脆性特征的參數(shù)[48-52]，即

其中，BpreHarden，BiniStrain和BpreStrain均為基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征參數(shù)的巖石峰前脆性指標(biāo)。其中,BpreHarden通過應(yīng)變硬化模量與彈性模量的比值定義，綜合考慮了峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)力應(yīng)變、最大彈性應(yīng)力和最大彈性應(yīng)變，而BiniStrain和BpreStrain則分別考慮的是巖石發(fā)生剪脹時(shí)的應(yīng)變、峰值應(yīng)力應(yīng)變和最大彈性應(yīng)變、峰值應(yīng)力應(yīng)變。

不同深度巖石在常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)中的力學(xué)特性的差異不僅存在于彈性階段，非彈性段和峰后特性的差別也非常顯著。為了定量研究巖石在變形過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，考慮不同深度巖石常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)中的峰后特征，定義出能夠表示三軸條件下典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾個(gè)特征力學(xué)參數(shù)的量，如圖2所示。其中，峰前特征點(diǎn)的定義與上文相同。這里主要介紹峰后跌落模量M(Descendant modulus)，由應(yīng)力下降的斜率獲得，如式(3)所示。

(3)

式中,εres為殘余應(yīng)變；σres為相應(yīng)的偏應(yīng)力值。

從不同深度巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系中可以看出，在常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，不同深度巖石的脆性特征，特別是峰后脆性特征存在較大的差異。本文在定義峰前脆性特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)圖2中的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線定義能夠體現(xiàn)不同深度巖石峰后特性差異的峰后脆性特征指標(biāo)[49-53]，即

(4)

其中，BresStress，BresStrain和BresER均為基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征參數(shù)的巖石峰后脆性指標(biāo)。其中,BresStress通過應(yīng)力參數(shù)定義，考慮巖石的峰后殘余強(qiáng)度和破壞應(yīng)力;BresStrain通過應(yīng)變參數(shù)定義，考慮巖石的破壞應(yīng)變和殘余應(yīng)變;BresER通過彈性模量和峰后跌落模量比值定義，其本質(zhì)是耗散彈性能與可恢復(fù)彈性能間的比值，綜合考慮了巖石的峰值應(yīng)力、殘余強(qiáng)度、峰值應(yīng)力應(yīng)變、殘余應(yīng)變、最大彈性應(yīng)力和最大彈性應(yīng)變。BresER脆性評價(jià)指標(biāo)在[-1,0]巖石表現(xiàn)為脆性，BresER為+時(shí)巖石表現(xiàn)為完全塑性。巖石峰后脆性變化趨勢如圖3所示，其展示的是巖石由絕對脆性向延性轉(zhuǎn)換的過程:當(dāng)?shù)淠Ａ縈<0，且其絕對值大于彈性模量E時(shí)，BresER在[-1,0]，巖石表現(xiàn)出很強(qiáng)的脆性特征，其應(yīng)力應(yīng)變曲線峰后回彈，如圖3中Class Ⅱ所示，巖石峰后無法自穩(wěn);若E不變，M值由負(fù)無窮大轉(zhuǎn)為正無窮大(應(yīng)力應(yīng)變曲線峰后回彈逐漸減弱)后逐漸變小，BresER的值則會(huì)逐漸增大，巖石逐漸向延性轉(zhuǎn)換，當(dāng)巖石表現(xiàn)出延性特征時(shí)其應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后無明顯的強(qiáng)度跌落。

圖3 巖石峰后脆性變化趨勢示意[52]Fig.3 Schematic diagram of the trend of brittleness after the peak[52]

3 同一深度巖石不同應(yīng)力水平下脆延差異性特征分析

賦存深度的變化會(huì)導(dǎo)致初始應(yīng)力水平的改變，而巖石所處的初始應(yīng)力水平對其力學(xué)性質(zhì)具有顯著的影響。巖石材料在較低初始應(yīng)力水平下往往呈現(xiàn)出脆性破壞特征，而在高應(yīng)力水平下表現(xiàn)出逐漸向延性過渡的破壞特征，其強(qiáng)度隨應(yīng)力水平變化規(guī)律也會(huì)表現(xiàn)出非線性[24,28-31]。因此本節(jié)從不同深度巖石所處的應(yīng)力環(huán)境入手，研究圍壓對單一深度巖石力學(xué)性質(zhì)的影響，揭示不同初始應(yīng)力水平對巖石彈性模量、泊松比、強(qiáng)度、脆延性轉(zhuǎn)變等方面的影響。實(shí)驗(yàn)以1 600 m深度的砂巖為研究對象，其不同圍壓下的實(shí)際破壞形態(tài)如圖4所示，巖石受壓主破裂面示意如圖5所示，偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖4 1 600 m深度巖石在不同圍壓下的破壞形態(tài)Fig.4 Failure mode of rock at 1 600 m depth under different confining pressure

圖5 巖石受壓主破裂面示意Fig.5 Schematic diagram of the main fracture surface of rock under pressure

圖6 不同圍壓下1 600 m深度砂巖的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Deviatoric stress-strain curves of sandstone at a depth of 1 600 m under different confining pressures

由圖4,5可知，1 600 m深砂巖在三軸應(yīng)力作用下其破壞形態(tài)隨著圍壓的增大經(jīng)歷了低圍壓下的單剪破壞、較高圍壓下的雙剪破壞以及高圍壓下的無明顯裂紋面的漲鼓破壞3個(gè)階段。低圍壓下的單剪破壞:圍壓在13.74～34.14 MPa時(shí)，1 600 m深砂巖的破壞形式為典型的單剪破壞。當(dāng)試樣達(dá)到屈服應(yīng)力后，試樣的承載能力會(huì)較快達(dá)到峰值，并開始下降。在圍壓較小的三軸應(yīng)力作用下，由于受到側(cè)向應(yīng)力對裂紋張拉發(fā)展的抑制，巖石的破壞過程沿著主破裂面法線方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，剪切面法線方向并不總沿著最小主應(yīng)力方向。試樣微觀上以沿晶破壞為主，穿晶破壞為輔，晶體沒有產(chǎn)生大量的塑性變形從而形成單剪破壞面。較高圍壓下表現(xiàn)為典型雙剪破壞:當(dāng)圍壓升高至52.14～73.74 MPa時(shí)，巖石破壞形式表現(xiàn)為雙剪破壞。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在該圍壓范圍內(nèi)，試樣達(dá)到屈服點(diǎn)后其承載能力不會(huì)很快達(dá)到峰值，會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，之后試樣承載能力下降也較為緩慢。由于圍壓的增大，試樣的破壞過程產(chǎn)生大量的穿晶破壞，并且部分晶粒發(fā)生錯(cuò)位滑移和塑性變形進(jìn)而產(chǎn)生雙剪破壞。高圍壓下則在宏觀上無明顯裂紋面的漲鼓破壞:巖石受高圍壓作用時(shí)，特別是圍壓大于其單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)，沿最大能量釋放率發(fā)生方向的彈性應(yīng)變能小于剪切破壞能量，進(jìn)而發(fā)生膨脹破壞。試樣達(dá)到屈服點(diǎn)之后進(jìn)一步產(chǎn)生應(yīng)變需要更大的應(yīng)力，產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，并在此過程中產(chǎn)生大量的永久變形。試樣在微觀上以晶粒的塑性變形和錯(cuò)位滑移為主，導(dǎo)致試樣產(chǎn)生中部漲鼓的延性破壞特征[53]。

由圖6中的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以直接的觀察到:破壞前巖石的峰值應(yīng)變隨著圍壓的增大而增大;另外，隨著圍壓的增大，巖石的塑性也不斷的增大，具有脆性逐漸向延性轉(zhuǎn)化的趨勢。當(dāng)圍壓在13.74～34.14 MPa時(shí)，1 600 m深度砂巖偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)歷了標(biāo)準(zhǔn)的裂隙壓密階段、線彈性變形階段、裂紋起裂和穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂隙非穩(wěn)定發(fā)展階段、殘余強(qiáng)度階段5個(gè)階段。并且隨著圍壓的增大，巖石峰后的塑性越來越強(qiáng)，但是試樣整體上有一個(gè)峰值強(qiáng)度，破壞后承載迅速下降，表現(xiàn)出一定的脆性特征;當(dāng)圍壓升高至52.14～73.74 MPa時(shí)，巖石顯示出由脆性至延性的轉(zhuǎn)化過渡狀態(tài);當(dāng)圍壓升高至104.94 MPa時(shí)，巖石呈現(xiàn)塑性流動(dòng)狀態(tài)，表現(xiàn)出延性特征;當(dāng)圍壓升高至143.34 MPa時(shí)，試樣的偏應(yīng)力隨著圍壓的增大穩(wěn)定增長，出現(xiàn)應(yīng)變硬化的現(xiàn)象。上述結(jié)果表明對于1 600 m深度的砂巖，巖石脆延轉(zhuǎn)化并非一個(gè)定值，而是存在一個(gè)脆延性逐漸轉(zhuǎn)換的應(yīng)力區(qū)間。對于1 600 m深度砂巖，圍壓在50～70 MPa為其脆延性轉(zhuǎn)化區(qū)間，并且在圍壓為13.74～143.34 MPa范圍內(nèi)，隨著圍壓的增大，巖石的性質(zhì)出現(xiàn)了從脆性—延性—應(yīng)變硬化的轉(zhuǎn)變。

根據(jù)松遼盆地1 600 m深度砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，采用前文提出的不同深度巖石脆延特性評價(jià)計(jì)算方法，得到其在不同初始應(yīng)力水平下的典型力學(xué)參數(shù)，如圖7所示。在這里需要注意的是，試樣在104.94～143.34 MPa圍壓下表現(xiàn)出很強(qiáng)的延性特征，所以沒有殘余強(qiáng)度σres和相對應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)舝es，因此在計(jì)算峰后跌落模量M時(shí)，M=0，BresER=+∞。

由圖7可知，1 600 m深度砂巖的彈性模量隨著初始應(yīng)力水平的增大略有提高，但整體上升高幅度不大(圖7(a))，圍壓增大對彈性模量的影響有限。但1 600 m深度砂巖的泊松比隨著初始應(yīng)力水平的增大而呈現(xiàn)增大趨勢(圖7(b))，表明隨著初始應(yīng)力水平的增大，巖石的塑性逐漸增大。1 600 m深度砂巖的三軸相對強(qiáng)度隨著初始應(yīng)力水平的變化呈現(xiàn)明顯的對數(shù)增長趨勢(圖7(c))，也即隨著圍壓的升高，三軸相對強(qiáng)度的增長趨勢逐漸減弱并趨近于0。殘余強(qiáng)度隨著深度增大也逐漸增大，圍壓超過100 MPa后，1 600 m深度巖石的殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度基本相等(圖7(c))。應(yīng)變硬化模量隨著圍壓的增大規(guī)律性不強(qiáng)(圖7(d))。但峰后跌落模量隨著深度的增大呈現(xiàn)急劇減小趨勢。圍壓超過100 MPa后峰后跌落模量的值趨近于0，巖石峰后表現(xiàn)出塑性流動(dòng)特征(圖7(e))。

為了研究圍壓變化對巖石的彈塑性特征的影響，將1 600 m深度砂巖不同圍壓下的幾種脆性指標(biāo)的變化趨勢繪于圖8中。

圖7 1 600 m深度砂巖在不同圍壓下的三軸力學(xué)參數(shù)Fig.7 Triaxial mechanical parameters of sandstone at a depth of 1 600 m under different confining pressures

圖8 1 600 m深度巖石在不同圍壓下脆性評價(jià)指標(biāo)隨圍壓的變化規(guī)律Fig.8 Variation of brittleness evaluation index with confining pressure for 1 600 m deep rock under different confining pressures

由圖8(a)可知，1 600 m深度砂巖的峰前脆性指標(biāo)總體上都是隨著圍壓的增大的而減小。由圖8(a)可以看出，隨著圍壓的增大，巖石的非彈性段所占的比例逐漸增大;由圖8(b),(c)可以看出1 600 m深砂巖峰后脆性指標(biāo)BresStress和BresStrain隨著圍壓的增大而減小，BresER隨著圍壓的增大而增大，這都表明巖石的峰后塑性隨圍壓的增大逐漸增強(qiáng)，直到峰后表現(xiàn)為完全塑性。對于單一深度的巖石，其礦物組分是一致的，這種情況下圍壓是影響其脆性特征的主導(dǎo)因素，隨著圍壓的增大，巖石的脆性會(huì)逐漸減弱。

4 不同深度巖石同一應(yīng)力水平下脆延差異性特征分析

巖石的力學(xué)性質(zhì)受諸多因素的影響，如巖石物性、組分、圍壓、溫度、含水率等。其中巖石物性對巖石的物理力學(xué)行為會(huì)產(chǎn)生重要的影響，是起主導(dǎo)作用的關(guān)鍵因素之一。通常巖石在漫長的地質(zhì)作用下，其組分和礦物成分復(fù)雜。分析哪些礦物組分是影響巖石力學(xué)參數(shù)差異及脆延性轉(zhuǎn)化的主要礦物是研究不同深度巖石力學(xué)性質(zhì)差異性的重要內(nèi)容之一。本節(jié)著重研究不同深度巖石在僅考慮巖石物性差異時(shí)其力學(xué)行為的變化。

從上文單一深度巖石不同圍壓下的脆延性分析可以看出，圍壓對巖石的脆延性轉(zhuǎn)化有著直接的影響，并且1 600 m深度砂巖在50～70 MPa處于脆延轉(zhuǎn)化狀態(tài)。本節(jié)在研究巖石物性對巖石力學(xué)性質(zhì)影響時(shí)，采用該臨界范圍的圍壓52.14 MPa(對應(yīng)于2 600 m深度的初始應(yīng)力水平)，研究不同深度巖石的巖石物性對力學(xué)性質(zhì)的影響，得到偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨賦存深度的變化趨勢如圖9所示。

圖9 不同深度巖石在52.14 MPa圍壓下的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 Stress-strain curves of rocks at different depths under 52.14 MPa confining pressure

由圖9可以直接的觀察到:在同一圍壓下不同深度巖石的峰值偏應(yīng)力隨著深度的增大呈現(xiàn)增大趨勢;另外隨著深度的增加巖石的脆性不斷增強(qiáng)，延性不斷減弱。具體隨深度的變化過程為:淺部巖芯(1 000～1 850 m砂巖)在達(dá)到峰值荷載之后基本呈現(xiàn)彈塑性流動(dòng)狀態(tài)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的延性特征;2 600 m砂巖巖芯在保持一段塑性變形之后應(yīng)力水平才逐漸降低，然后進(jìn)入穩(wěn)定變形階段;深部巖芯(3 500～4 800 m砂巖、5 100～6 400 m礫巖以及6 400 m安山巖)在達(dá)到峰值荷載之后應(yīng)力水平迅速下降，表現(xiàn)出脆性特征。表明在52.14 MPa的相同圍壓下，不同深度巖石的力學(xué)性質(zhì)受其自身礦物組分的影響，巖石由淺至深表現(xiàn)出延性—脆延轉(zhuǎn)化—脆性的特征，其主要原因?yàn)殡S著深度的增大，中等相和硬相礦物含量的增加導(dǎo)致的。

同一圍壓(52.14 MPa)下不同深度巖石的三軸力學(xué)參數(shù)隨深度的變化趨勢如圖10所示。由圖10可知，在同一圍壓(52.14 MPa)下，不同深度砂巖和礫巖的彈性模量均隨著深度的增大呈現(xiàn)增大趨勢(圖10(a));泊松比隨著深度的變化離散性較大，但總體上呈現(xiàn)減小趨勢(圖10(b));不同深度下砂巖的三軸相對強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度基本上隨著深度的增大而增大，而礫巖則相反(圖10(c));不同深度巖石的應(yīng)變硬化模量隨著深度的增大呈現(xiàn)增大趨勢(圖10(d));峰后跌落模量隨著深度的增大變化趨勢差異較大(圖10(e))，在1 000～1 850 m深度范圍內(nèi)的砂巖峰后跌落很小，表明該范圍內(nèi)巖石的峰后處于延性階段。在2 600 m深砂巖的峰后模量略有增大，表明處于應(yīng)變軟化階段。3 500～4 800 m深砂巖和5 100～5 600 m深礫巖的峰后模量絕對值急劇增大，表明巖石峰后強(qiáng)度迅速跌落(其中4 800 m深砂巖的跌落模量為負(fù)值，表明該深度下巖石脆性很強(qiáng)，巖石峰后曲線回彈，屬于圖3中的II型曲線)。6 400 m深度下安山巖的峰后模量有所減小。在同一應(yīng)力水平下，不同深度巖石的脆性特征主要受其礦物組分影響。整體上，隨著深度的增大，由于巖石礦物組分的改變，脆性礦物的影響作用逐漸凸顯，巖石的脆性特征逐漸增強(qiáng)。

圖10 同一圍壓(52.14 MPa)下在不同深度巖石學(xué)參數(shù)隨深度變化規(guī)律Fig.10 Variation of petrological parameters with depth at different depths under the same confining pressure (52.14 MPa)

由圖9可以看出，同一圍壓(52.14 MPa)下不同深度巖石的脆性特征也存在較大的差異，根據(jù)前文定義的脆性指標(biāo)，同一圍壓(52.14 MPa)下不同深度巖石的脆性特征隨深度的變化趨勢如圖11所示。

圖11 同一圍壓(52.14 MPa)下不同深度巖石的脆性特征隨深度的變化趨勢Fig.11 Changing trend of brittleness characteristics of rocks at different depths with depth under the same confining pressure(52.14 MPa)

魯義強(qiáng)等[46,54]把巖石礦物成分分成硬相礦物、中等相礦物和弱相礦物(硬相礦物主要包括石英、長石和黃鐵礦;中等相礦物主要包括碳酸鹽類礦物，主要是方解石;弱相礦物主要包括云母、黏土礦物等)，并以松遼盆地1 000～6 400 m深度10個(gè)深度的巖石為研究對象研究了其力學(xué)行為與硬相礦物、中等相礦物和弱相礦物間的關(guān)系，研究結(jié)果表明:松遼盆地巖石隨著深度的增大，基本上呈現(xiàn)弱相礦物減少，中等相礦物增多，硬相礦物略有增大的趨勢;不同深度巖石的脆性隨著弱相礦物含量的增加而逐漸減小;不同深度巖石的脆性與中等相礦物和硬相礦物含量呈正相關(guān)關(guān)系。而由圖11(a)可知，在同一圍壓(52.14 MPa)下，1 000～4 800 m砂巖峰前脆性指標(biāo)整體上都是隨深度的增大而增大的，表明隨著深度的增大，巖石的脆性增大?？傮w上1 000～6 400 m內(nèi)巖石的峰前脆性指標(biāo)隨著深度的增加而增大，這表明在同一圍壓下，礦物組分是影響巖石脆性的主導(dǎo)因素，硬相和中等相礦物占比越大，巖石的脆性特征越強(qiáng)。不同深度巖石的峰后脆性指標(biāo)有一定的差異，由圖11中BresStrain和BresER變化趨勢可知，在同一圍壓下1 000～4 800 m深度砂巖以及5 100～5 600 m深度礫巖的峰后脆性隨著深度的增大呈現(xiàn)減小趨勢。

5 不同深度巖石真實(shí)應(yīng)力水平下脆延特征初探

根據(jù)測試結(jié)果[55]，把松遼盆地不同深度巖石典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系繪在同一個(gè)坐標(biāo)系中，如圖12所示，基本上巖石的三軸強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度都隨著深度的增大，圍壓的增加而增加。從圖12可以看出，不同深度不同巖性巖石的力學(xué)性質(zhì)并非隨著深度的增加，延性逐漸增加，也不是隨著深度的增加走向動(dòng)態(tài)脆性破壞，而是隨著深度的增加呈現(xiàn)3個(gè)階段的特征:峰后應(yīng)變軟化(1 000～3 500 m深砂巖)、峰后脆性(4 800 m深砂巖和5 100～5 600 m深礫巖)、峰后塑性流動(dòng)(6 400 m以深的安山巖)。其主要原因是巖石的力學(xué)特性受深度影響是綜合作用的結(jié)果，其中巖石的組分結(jié)構(gòu)和原位應(yīng)力狀態(tài)是2個(gè)主要因素。

圖12 不同深度巖石真實(shí)應(yīng)力下偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線[55]Fig.12 Stress-strain curves diagram of rock at different depths under real stress[55]

由圖12可以看出，初始應(yīng)力的變化主要對不同深度巖石常規(guī)三軸強(qiáng)度及峰后特性產(chǎn)生影響。從常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著深度的增加，初始應(yīng)力水平增大，偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率會(huì)明顯增大。由此可見，只有認(rèn)真的考慮初始應(yīng)力水平的影響，才能充分認(rèn)識不同深度巖石的力學(xué)性質(zhì)差異性規(guī)律。不同深度巖石在相應(yīng)深度地應(yīng)力條件下的常規(guī)三軸力學(xué)參數(shù)隨深度的變化趨勢如圖13所示。

圖13 松遼盆地不同深度巖石常規(guī)三軸力學(xué)參數(shù)的差異性[55]Fig.13 Differences inconventional triaxial mechanical parameters of rocks at different depths in the Songliao Basin[55]

由圖13可知，在常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)中，不同深度巖石的力學(xué)參數(shù)隨著深度的變化基本都呈現(xiàn)非線性趨勢。不同深度的砂巖和礫巖的彈性模量E均隨著深度的增加而增大(圖13(a))，顯然圍壓的變化對巖石的彈性變形產(chǎn)生了一定的影響;泊松比μ隨著深度的增大呈現(xiàn)增大趨勢(圖13(b))，這是由于圍壓的影響抑制了巖石的橫向變形，并且促進(jìn)巖石向塑性轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致泊松比的增大;三軸相對強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均隨著深度的增長而增大(圖13(c));應(yīng)變硬化模量總體上隨著深度的增加而增加(圖13(d));峰后跌落模量的非線性更強(qiáng)，對于1 000～4 800 m深度砂巖，其峰后跌落模量總體上隨深度的增加逐漸增大，5 100～5 600 m礫巖以及6 400 m深安山巖的跌落模量隨深度增加逐漸減小(圖13(e))。

根據(jù)式(2)和(4)中的脆性指標(biāo)計(jì)算方法，深部不同深度巖石常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)的脆性特征隨深度的變化如圖14所示。

由圖14(a)可知，不同深度巖石的3類峰前脆性指標(biāo)隨深度的變化趨勢同步性較高。1 000～4 800 m深度范圍內(nèi)砂巖3類峰前脆性指標(biāo)總體上隨著深度增加呈現(xiàn)先減后增的趨勢，3 500 m深處砂巖塑性最強(qiáng)，其原因推測為圍壓和礦物組分對砂巖脆延特性影響存在博弈現(xiàn)象。1 000～3 500 m圍壓對砂巖的脆延特性起主導(dǎo)作用，故隨著圍壓的增大該范圍內(nèi)砂巖的脆性逐漸降低。3 500～4 800 m深砂巖礦物組分對砂巖的脆延特性起主導(dǎo)作用，故隨著深度的增加，長石、碳酸鹽類礦物等硬相或中等相礦物含量占比增加，巖石的脆性特征增強(qiáng);5 100～5 600 m礫巖的峰前脆性指標(biāo)隨深度的增加而減小，其脆性特征減弱。由圖14(b)可知，不同深度巖石的峰后脆性指標(biāo)隨深度的變化趨勢各異。1 000～4 800 m砂巖的BresStress波動(dòng)較大，規(guī)律性不明顯。5 100～5 600 m礫巖的BresStress隨深度的增加而減小，6 400 m安山巖的BresStress最小，表現(xiàn)出峰后塑性流動(dòng)特征。

6 考慮應(yīng)力環(huán)境和賦存深度影響的巖石脆延特性對比

為更加直觀的分析不同深度應(yīng)力環(huán)境和礦物組分對巖石脆延特征的影響，探索深部巖石脆延性轉(zhuǎn)化機(jī)理，將同一深度巖石不同應(yīng)力水平下、不同深度巖石同一應(yīng)力水平下以及不同深度巖石真實(shí)應(yīng)力水平下巖石的脆性指標(biāo)進(jìn)行對比，如圖15所示。

圖14 不同深度巖石脆性評價(jià)指標(biāo)隨深度的變化規(guī)律[56]Fig.14 Variation of the brittleness evaluation index of different depth rocks with depth[56]

圖15 3種條件下巖石脆性指標(biāo)對比Fig.15 Comparison of rock brittleness indexes under three conditions

圖15中左縱軸圍壓與右縱軸深度一一對應(yīng)。SD為同一深度巖石(1 600 m砂巖)不同應(yīng)力水平下脆性指標(biāo)的演化曲線，對應(yīng)圍壓縱軸;DS為不同深度巖石同一應(yīng)力水平下(52.14 MPa)脆性指標(biāo)的演化曲線，對應(yīng)深度縱軸;DT為不同深度巖石真實(shí)應(yīng)力水平下脆性指標(biāo)的演化曲線，與圍壓縱軸和深度縱軸均對應(yīng)。由圖15可以看出，同一深度砂巖在不同應(yīng)力水平下，隨著圍壓的增大，其脆性整體上逐漸減小，在這種情況下圍壓對巖石的脆性起主導(dǎo)性作用，會(huì)抑制巖石的脆性;不同深度巖石在同一應(yīng)力水平下，隨深度的增加其脆性礦物占比增加，導(dǎo)致巖石脆性逐漸增大，在這種情況下巖石的礦物組分對其脆性起主導(dǎo)作用;不同深度巖石真實(shí)應(yīng)力水平下，其脆性呈現(xiàn)先增大后減小趨勢。在這種情況下圍壓與礦物組分均對巖石脆延特征有影響，且2者之間存在博弈現(xiàn)象。上述結(jié)果表明巖石的脆性受到多種因素的綜合影響，其中應(yīng)力環(huán)境和礦物組分是2個(gè)關(guān)鍵因素。通過對同一深度巖石不同應(yīng)力水平，不同深度巖石同一應(yīng)力水平，不同深度巖石真實(shí)應(yīng)力水平下的三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究，可以得出一個(gè)基本的結(jié)論:巖石礦物組分和初始應(yīng)力水平都是影響不同深度巖石力學(xué)性質(zhì)的重要因素。隨著深度的增加，長石、碳酸鹽類礦物等脆性礦物含量的增加會(huì)導(dǎo)致巖石的脆性增長，但是隨著深度增加，初始應(yīng)力水平的增加又會(huì)抑制巖石的脆性增長。這2種控制因素此消彼長，存在博弈現(xiàn)象，具體在哪種條件下，哪個(gè)因素起主導(dǎo)作用，還需要大量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。同時(shí)，在巖石脆延性轉(zhuǎn)化過程中，能量轉(zhuǎn)換機(jī)制的作用也不容忽視[57-59]。目前已經(jīng)有從很多能量角度表達(dá)脆性指數(shù)的指標(biāo)，下一步可以結(jié)合不同深度應(yīng)力條件，考慮從能量存儲(chǔ)-耗散轉(zhuǎn)換的角度，提出能科學(xué)表達(dá)巖石脆延轉(zhuǎn)化的新指標(biāo)。

7 結(jié) 論

(1)深部巖石脆延轉(zhuǎn)化并非瞬時(shí)的，而是存在一個(gè)脆延性逐漸轉(zhuǎn)換的應(yīng)力區(qū)間。對于松遼盆地1 600 m賦存深度的砂巖，實(shí)驗(yàn)表明50～70 MPa圍壓為其脆延性轉(zhuǎn)化區(qū)間。

(2)同一深度砂巖不同應(yīng)力水平下其脆性特征主要受圍壓影響。隨著圍壓的增大，砂巖性質(zhì)出現(xiàn)了從脆性—延性—應(yīng)變硬化的轉(zhuǎn)變，其峰后塑性逐漸增強(qiáng)，直到峰后呈現(xiàn)完全塑性。

(3)相同圍壓下巖石的脆延性特征主要受其本身礦物組分的影響。對于松遼盆地巖石樣品，其硬相和中等相礦物含量隨深度的增加而增大，導(dǎo)致其脆性增大，由淺至深表現(xiàn)出延性—脆延轉(zhuǎn)化—脆性的特征。

(4)不同深度巖石真實(shí)應(yīng)力水平下其峰后特性隨著深度的增加呈現(xiàn)出不同的特征:1 000～3 500 m深砂巖表現(xiàn)出峰后應(yīng)變軟化特征、4 800 m深砂巖和5 100～5 600 m深礫巖表現(xiàn)出峰后脆性特征、6 400 m以深的安山巖表現(xiàn)出峰后塑性流動(dòng)特征。

(5)深部巖石的脆性特征受諸多因素影響，其中巖石的礦物組分和應(yīng)力環(huán)境對巖石的脆性影響存在博弈現(xiàn)象，中等相、硬相礦物含量的增加會(huì)導(dǎo)致其脆性增長，而加載應(yīng)力水平的增加，又會(huì)抑制其脆性增長。

需要特別說明的是本文采用的不同深度巖石均從松遼盆地不同深度獲取，旨在更加真實(shí)的研究不同深度巖石脆延轉(zhuǎn)化力學(xué)行為規(guī)律。然而由于不同深度巖石并非同一巖性，故研究結(jié)果存在一定缺陷，后續(xù)還需結(jié)合圍壓和礦物組分對巖石脆延特性影響的單一變量實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步深入探索不同深度下巖石的脆延特性轉(zhuǎn)換機(jī)理。同時(shí)，由于現(xiàn)有技術(shù)與理論的限制，本文并沒有考慮深部巖石取芯過程中的主應(yīng)力轉(zhuǎn)化、加卸載條件變化等力學(xué)過程，以及溫度、濕度等因素對巖石力學(xué)特性的影響。針對這些影響因素后續(xù)還需深入探索研究，這也是未來深部原位巖石力學(xué)需要重點(diǎn)探索的方向。