宏观破裂前的微裂隙称为亚临界裂隙,控制其生长的主要因素是应力强度因子(K)。应力强度因子是对给定几何形态和载荷条件下裂隙末端应力场的度量,当裂隙末端的局部应力超过岩石的临界应力强度因子(Kc)时,裂隙就开始扩展。岩石破裂强度取决于单个裂隙的性质、应力集中的初始密度、分布及化学和热环境。
一般情况下,在应力强度因子(K)<临界应力强度因子(Kc)时,亚临界裂隙生长表现为缓慢的、依时间而变化的裂隙生长过程,而当K >Kc时,裂隙加速扩展。促进亚临界裂隙生长的机制可能有以下几种:
(1)弹性应变能积累,是与快速破裂扩展有关的主要机制。当裂隙末端出现应力集中,随之发生弹性应变能积累,弹性应变能控制着裂隙扩展。破裂的发育有追踪岩石中软弱部位的趋势,或者穿切颗粒并追随劈理方位,或者沿粒间而利用粒间边界。现存的表面裂隙、裂痕、颗粒边界空隙和孔隙的频率、方位、形态和分布都可能影响着由于突发破裂扩展而破坏之前所积累的应变量。弹性应变能积累是与快速破裂扩展(脆性破坏)有关的主要机制。
(2)晶质塑性作用,致密位错缠结或高密度双晶发育,从而限制晶质塑性引起的进一步变形,并且有可能导致破裂的急速加工硬化,这时晶质塑性可能有助于破裂作用。此外,在多晶集合体中,不同晶体因其结晶方位和滑移系不同,导致相邻颗粒之间出现应变不协和性,从而诱发颗粒边界裂隙。
(3)扩散作用,在张开的颗粒边界或三节点处,点缺陷和空位集中,空位扩散作用可导致空隙的发育,从而引起破坏。此外,杂质向颗粒边界的扩散也可能导致颗粒边界的脆化和破裂。
(4)相转变和化学反应,通过产生具不同体积的产物到反应物中,诱发集合体内的应力集中,应力集中可能引起空隙的形成,从而导致破坏。
以上四种机制归为第一类亚临界裂隙生长机制。这类机制可能是在不同应变率条件和没有流体参与的变形期间发生的。图中箭头指示破裂线位置随温度和压力增大而变化的方向。
(5)水压破裂,是由于流体作用的存在诱发破裂的出现。当有效应力大于岩石强度时,流体压力引起水压破裂或破裂扩展。流体化学对破裂扩展的控制在于,它通过裂隙末端发生化学腐蚀和反应,导致亚临界裂隙生长,从而引起破裂扩展。
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