顆粒狀地球介質(zhì)破壞演化的數(shù)值研究.pdf

1、作為地球的主要成分，巖石與地球的各種活動(dòng)有關(guān)。特別是地殼巖石更與人類(lèi)息息相關(guān)，它是發(fā)生地震、滑坡等自然災(zāi)害的主體。若干年來(lái)，關(guān)于低孔隙結(jié)晶巖石(CrystallineRock)的研究為人類(lèi)認(rèn)識(shí)地球及其相關(guān)活動(dòng)提供了寶貴的資料。 與低孔隙結(jié)晶巖石相對(duì)應(yīng)，高孔隙巖石(PorousRocks)是地表和上地殼的主要組成部分，同時(shí)又是石油、礦物等資源的主要載體，最直接影響人類(lèi)生存環(huán)境。加上高孔隙巖石具有許多與低孔隙結(jié)晶巖石不同的性質(zhì)，使它

2、也成為巖石物理學(xué)研究的一個(gè)重要方向。特別是壓實(shí)帶(CompactionBands，Mollema&Atone11ini(1996))的發(fā)現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的關(guān)于局部化變形方向的認(rèn)識(shí)。同時(shí)由于壓實(shí)帶相對(duì)周?chē)鷰r石具有較低的孔隙度，使其可能成為流體流動(dòng)的障礙。因而在水利、石油等方面都可能存在一些潛在的應(yīng)用。同時(shí)由于壓實(shí)帶的發(fā)生方向垂直于最大主應(yīng)力并可能與剪切帶伴生，這對(duì)確定場(chǎng)地應(yīng)力、和地震發(fā)生過(guò)程的研究均有一些指導(dǎo)意義。由于壓實(shí)帶的重要性，2002

3、年在意大利舉行的GordonConference對(duì)此進(jìn)行了專(zhuān)題討論。壓實(shí)帶發(fā)現(xiàn)之后，一些研究人員便進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和理論研究。但是對(duì)于壓實(shí)帶形成的微觀機(jī)制尚無(wú)定論。為此，本文利用數(shù)值模擬的方法來(lái)探討壓實(shí)帶形成和演化的微觀機(jī)制。 高孔隙巖石是由大量礦物經(jīng)過(guò)比較單薄的膠結(jié)組成，這比較接近通常意義上的顆粒狀介質(zhì)。為研究高孔隙巖石等地球中普遍存在的顆粒狀介質(zhì)的變形特征，本文首先從一般的顆粒狀介質(zhì)出發(fā)，探討其中作用力分布和破壞演化。

4、這不儀為隨后從顆粒狀介質(zhì)角度研究高孔隙巖石提供一些基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)于其他顆粒狀介質(zhì)而言這些研究也具有普適性。 作為基礎(chǔ)，本文在回顧了相關(guān)一些研究和進(jìn)展之后，便介紹所采用數(shù)值方法(獨(dú)立單元法)的基本原理及相關(guān)改進(jìn)。與經(jīng)典的獨(dú)立單元法不同，本文還考慮了在不同接觸本構(gòu)關(guān)系的情況下，單元顆粒的破碎。這包括顆粒破碎的臨界條件，顆粒破碎之后單元的處理。將顆粒破碎機(jī)制和獨(dú)立單元法有機(jī)結(jié)合，使模型更接近真實(shí)情況，而具有更廣泛的應(yīng)用范圍。 本

5、文采用傳統(tǒng)非線性接觸的離散模型研究了作用力的強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分布特征、力作用的方向性、力鏈的空間分布、以及這些特征隨加載過(guò)程的變化。根據(jù)研究，本文還得出：顆粒狀介質(zhì)中作用力分布在加載過(guò)程中的變化與介質(zhì)中顆粒尺寸分布有關(guān)。單一尺寸的顆粒中，力分布始終保持指數(shù)特征，而多顆粒尺度的樣品中則出現(xiàn)從指數(shù)到高斯分布的轉(zhuǎn)變。 本文除了研究無(wú)顆粒破碎介質(zhì)在單軸加載過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變化，還考慮了顆粒破碎對(duì)結(jié)構(gòu)變化的影響，以及顆粒破碎在介質(zhì)中的演化過(guò)程。結(jié)果顯

6、示：由于作用力在不同尺寸顆粒中分布不同，破碎通常會(huì)首先發(fā)生在較大的顆粒中；而且單一顆粒尺寸樣品中，破碎局部化強(qiáng)于多尺度顆粒。 本文利用同時(shí)考慮顆粒破碎和顆粒間接觸鍵的樣品很好地模擬巖石在脆性和脆一延性轉(zhuǎn)換階段的宏觀本構(gòu)關(guān)系、聲發(fā)射和微觀結(jié)構(gòu)變化等特征。 本文最后詳細(xì)討論了壓實(shí)帶的形成和發(fā)展過(guò)程，得出：不同顆粒尺寸分布的介質(zhì)中會(huì)形成不同形態(tài)的壓實(shí)帶；壓實(shí)帶在顆粒狀巖石中并非連續(xù)演化，而是跳躍發(fā)展的。研究結(jié)果從一個(gè)側(cè)面證實(shí)了

7、，壓實(shí)帶容易發(fā)生在顆粒尺寸均勻的巖石中的推測(cè)。另外壓實(shí)帶并非巖石特有的現(xiàn)象，在蜂窩狀材料、陶瓷等介質(zhì)中均觀測(cè)到類(lèi)似的現(xiàn)象。本文的研究結(jié)果對(duì)這些材料的研究也具有一定的參考價(jià)值。 復(fù)雜的宏觀現(xiàn)象可能是簡(jiǎn)單微觀現(xiàn)象的平均結(jié)果。根據(jù)本文的研究，依據(jù)顆粒狀介質(zhì)建立的模型能很好地重現(xiàn)高孔隙巖石不同變形階段一些顯著的特征?？梢酝茢喑烁呖紫稁r石外，顆粒狀介質(zhì)模型對(duì)淺層地殼的其他介質(zhì)(如未固結(jié)沉積物等)也是適合的。在淺層問(wèn)題日益受到關(guān)注的現(xiàn)今，