科普 | 岩石介质

运用岩石破裂过程分析RFPA2D系统，通过对岩石试样中预置的倾斜裂纹扩展过程的数值模拟，研究了材料非均匀性对岩石介质中裂纹扩展模式的影响。数值模拟再现了受压试样在裂纹扩展过程中逐步演变的应力场和应变场，以及与岩石非均匀性有关的声发射和断裂扩展模式的“岩桥”现象。模拟结果说明，岩石的非均匀性对含裂纹试样的变形、破裂过程及其破坏模式有很大的影响。

岩石层是一种包含强度和相对稳定性的力学概念，然而人们又将岩石层这一术语用于界面热边界层（TBL）和浅部富集地球化学储层，其性质与强度毫无关系。

大量的观测事实表明，岩石层存在明显变形(尤其是板块边界)，并在地质时间尺度表现出复杂的流变性。这种变形除了与驱动力有关外，还与介质的力学性质及其强度有关。岩石层介质的形变机制主要有以下4类：弹性变形、脆性破裂、摩擦滑动及蠕变。

岩石介质的非均匀性与其力学行为的非线性众所周知，岩石是一种非均匀材料，其微观介质（单元）参数（如强度）是不均匀的。这种不均匀性使得岩石在承载过程中不断经历单元体的破坏，微（细）观单元体的连续破坏便造成宏观介质的不断损伤，从而形成宏观的非线性变形现象。因此，在一个统一的变形场中，微破裂不断产生的原因除了荷载不均、形态不够光滑等结构因素形成应力集中之外，更主要的是单元体强度的不均匀性。例如，微观介质强度分布较为均匀的材料，其宏观表现一定是以线性性质为主的材料；反之则一定表现出明显的非线性行为。

对完全均质的材料，如玻璃，无论采取何种加载方式，其力学行为一定是线性的。

由上述分析知，岩石介质的非均匀性是其力学行为非线性的物质根源。

岩石介质的自组织临界性压密阶段虽然压缩变形具非线性特征，但在该区域加载和卸载，岩石结构和性质并不产生不可逆变化，这是一种平衡态。

弹性阶段系统内部没有宏观不可逆过程，处于一种均匀的变形状态，这亦是一种平衡态。耗散结构理论已指出：处于平衡态的系统一般具有空间均匀的结构，即无序结构。

稳定破裂阶段超过弹性极限后，岩体进入非线性变形阶段，体内微破裂开始出现且随应力差的增大而发展，当应力保持不变时，破裂也停止发展。

此阶段变形开始出现不可逆过程，但这种过程容易被控制。如在此阶段停止加载，经过一定时间后，系统将可能达到一个宏观上不随时间变化的恒定状态，即定态。

非稳定破裂阶段进入本阶段后，微破裂的发展出现了质的变化，体应变由压缩转为膨胀。由于破裂过程中所造成的应力集中效应显著，即使工作应力不变，破裂仍会不断地累进性发展，使薄弱环节依次破坏。

在此阶段，微破裂在空间的分布出现应变局部化，即已从无序向有序转化。由于微破裂的扩展是一个自发的动态过程，系统远离平衡，一方面从外界吸收能量，另一方面又因微破裂发展释放能量（以声能或热能形式等），系统的宏观状态也将随时间变化（变形速率增大、膨胀），这是一种远离平衡的非平衡态。

在远离平衡的非平衡态时，由于非线性的作用，岩石变形破坏呈现出自组织行为。当自组织过程发展到峰值强度点时，出现临界行为。换句话说，岩石失稳发生前，必须出现自组织过程。自组织是“因”，失稳是“果”。

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