巖石作為地球地殼的主要構(gòu)成物質(zhì)之一，其微觀結(jié)構(gòu)對于了解地質(zhì)過程、資源勘探以及工程建設(shè)具有重要意義。按照巖石的成因，可以把它們分為三類：巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。在地球表面，沉積巖占據(jù)75%的份額，而在地殼深度，則主要是巖漿巖和變質(zhì)巖所組成，大概占到地殼體積的95%。巖石的破壞失穩(wěn)過程本質(zhì)上是其在受力過程中微裂紋萌生、擴(kuò)展和貫通的結(jié)果，是巖石微結(jié)構(gòu)累積的變形破壞的宏觀反映。巖石內(nèi)的初始微缺陷，如孔洞、微裂隙和顆粒邊界等雜亂無章地分布，導(dǎo)致其在受載時新生裂紋的隨機(jī)分布。初始微缺陷的尺寸在某種程度上對巖石的細(xì)觀裂紋擴(kuò)展和宏觀破壞失穩(wěn)起到?jīng)Q定作用。

近年來，隨著掃描電鏡技術(shù)在巖石實驗中的運用，許多學(xué)者得以對巖石試樣進(jìn)行細(xì)觀實驗研究，并取得了一定成果。本文使用澤攸科技ZEM系列臺式掃描電鏡，從三大類巖石中選出來了花崗巖、砂巖、片麻巖、泥巖等樣品，通過對不同種類的巖石在特定作用下的破壞特征進(jìn)行表征，得到的不同的裂紋擴(kuò)展表征照片后進(jìn)行分析，旨在深入理解巖石破壞失穩(wěn)的微觀機(jī)理，為巖石工程和地質(zhì)災(zāi)害防治提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

花崗巖是巖漿巖的一種，它們是由地下深處的巖漿在地殼中冷卻凝固形成的巖石。根據(jù)其固結(jié)位置和形成方式，巖漿巖可分為侵入巖和噴出巖兩類。

圖 巖漿巖的產(chǎn)狀

侵入巖是指巖漿在地下深入時，在地殼內(nèi)部冷卻凝固形成的巖石。巖漿沿著地殼薄弱帶上升，但尚未到達(dá)地表就已經(jīng)固結(jié)，這一過程稱為侵入活動。噴出巖則是指巖漿沿著地球構(gòu)造裂隙上升，通過火山通道噴出地表形成的巖石，也稱為火山巖。巖漿在地下凝固時，會形成不同的形態(tài)，如巖基、巖墻、巖床、巖盆、巖蓋、巖脈等產(chǎn)狀。火山巖的產(chǎn)狀與其噴發(fā)方式有關(guān)，包括中心式噴發(fā)、裂隙式噴發(fā)和熔透式噴發(fā)等形態(tài)。

圖 花崗巖表征圖

利用ZEM系列臺式掃描電鏡從微觀結(jié)構(gòu)來看，花崗巖主要分為石英顆粒的平坦?fàn)钚蚊病⑩涢L石顆粒的層疊狀和臺階狀形貌。觀察到花崗巖樣品在受力過程中微裂紋的萌生、擴(kuò)展和貫通過程，裂紋呈現(xiàn)出不規(guī)則的分布模式。其中，相比石英顆粒，鉀長石抗拉強(qiáng)度較低，屬于弱礦物顆粒，裂紋更多會在鉀長石顆粒中擴(kuò)展，形成小尺度破裂，如果受力方向平行于層面則形成層疊狀的形貌，反之產(chǎn)生臺階狀的形貌。

圖 沉積層序

砂巖與泥巖是沉積巖的一種，它們是地表豐富的一類巖石，在常溫常壓條件下，由風(fēng)化作用、生物作用和某些火山作用產(chǎn)生的碎屑物質(zhì)，經(jīng)過搬運、沉積和成巖等一系列地質(zhì)過程而形成的巖石。形成環(huán)境包括河流、湖泊和海洋，在水動力條件減弱的情況下，沉積下來，壓實成巖。

圖 不同顆粒砂巖的表征圖

上圖可以看出，砂巖微觀結(jié)構(gòu)主要呈顆粒狀，砂巖樣品的破壞特征主要表現(xiàn)為砂粒之間的斷裂和破碎，裂紋沿著砂粒邊界擴(kuò)展。隨著顆粒粒徑的減小，顆粒的密實程度有所提高，粗粒砂巖顆粒之間的孔隙清晰可見，中粒砂巖的孔隙規(guī)模明顯減小，而細(xì)粒砂巖顆粒排列緊密、孔隙微小。

圖 含水泥巖與干燥泥巖表征圖

圖 泥巖注漿表征圖

含水泥巖樣品在受力過程中，水泥基質(zhì)和骨料之間的結(jié)合力發(fā)生破壞，裂紋沿著水泥基質(zhì)中的孔隙擴(kuò)展。而干燥泥巖樣品的破壞特征主要表現(xiàn)為顆粒之間的剝離和分離，裂紋呈現(xiàn)出扭曲和交錯的形態(tài)。泥巖注漿樣品的破壞過程中，注漿物質(zhì)與泥巖基質(zhì)之間的結(jié)合發(fā)生破壞，裂紋呈現(xiàn)出沿著注漿界面擴(kuò)展的特征。

圖 片麻巖

片麻巖是變質(zhì)巖的一種，地球上已經(jīng)形成的巖石，包括巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖，隨著地殼的不斷變化，其物理化學(xué)條件發(fā)生改變，導(dǎo)致巖石在固態(tài)的條件下發(fā)生礦物成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上的變化，形成的巖石，稱為變質(zhì)巖。根據(jù)變質(zhì)作用的主要因素和地質(zhì)條件可分為動力變質(zhì)巖、接觸變質(zhì)巖、區(qū)域變質(zhì)巖和混合巖化等，片麻巖就屬于區(qū)域變質(zhì)巖。

圖 片麻巖表征圖

從片麻巖的微觀表征中可以看到，其在破壞過程中，礦物顆粒之間的界面發(fā)生分離和斷裂，裂紋呈現(xiàn)出交錯和網(wǎng)狀的特征，定向排列形成“片麻狀構(gòu)造”。與通常的花崗巖相比，巖體中礦物出現(xiàn)定向排列，并且部分顆粒有拉長現(xiàn)象，顯微花崗質(zhì)包體也有拉長現(xiàn)象，但是顆粒內(nèi)部沒有塑性變形，這可以與韌性變形相區(qū)別。

不難發(fā)現(xiàn)，不同種類巖石的初始損傷的程度和尺度都存在很大差別，這與巖石的組構(gòu)和成巖過程有關(guān)，巖石由于組構(gòu)不同造成的非均勻性，對其受載時的變形特征和破壞失穩(wěn)起決定作用。預(yù)置的大尺寸結(jié)構(gòu)對宏觀主裂紋的形成部位和擴(kuò)展方向起控制作用。本研究通過觀察不同種類巖石在在特定作用下的破壞特征，揭示了微缺陷對巖石破壞失穩(wěn)的控制作用。ZEM系列臺式掃描電鏡在巖石微觀結(jié)構(gòu)研究中具有重要的應(yīng)用價值，為巖石工程設(shè)計和地質(zhì)災(zāi)害防治提供了理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

下一期我們將會借助ZEM系列臺式掃描電鏡并搭配EDS能譜儀進(jìn)行巖石的元素成分分析，大家敬請期待哦~

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