深部不同深度巖石脆延轉化力學行為研究

謝和平,高明忠，付成行，魯義強,6，楊明慶，胡建軍，楊本高

(1.深圳大學 廣東省深地科學與地熱能開發利用重點實驗室，廣東 深圳 518060; 2.深圳大學 深地科學與綠色能源研究院，廣東 深圳 518060; 3.深圳大學 土木與交通工程學院，廣東 深圳 518060; 4.深圳大學 深圳市深部工程科學與綠色能源重點實驗室，廣東 深圳 518060; 5.四川大學 水利水電學院，四川 成都 610065; 6.中鐵工程裝備集團有限公司，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與利用已成為世界各國爭先探索的科學制高點，其共性科學基礎即是深部巖石力學理論[1-6]。隨著能源資源開發由淺部走向深部，深部工程中的“高地應力、高溫度、高滲透壓”的“三高”地質環境導致巖石的組織結構、基本力學特征和工程響應發生變化，均是深部工程災害頻發且不同于淺部災害形式的主要原因[7-17]。不同賦存深度巖石力學行為的差異性主要體現在巖石變形、強度特征、破壞特征和脆延性轉化等方面[18-21]，其中，巖石的脆延性隨深度的演化規律是深部巖石力學研究的重要內容之一。

由于不同深度巖芯難以獲取，大多學者仍通過改變圍壓來近似模擬不同深度的地應力賦存環境，進而分析巖石脆延性狀態轉化方面的規律，并發現隨著圍壓的增大巖石具有從脆性向延性轉化的趨勢[22-24]。筆者首創深部巖石原位保真取芯技術，旨在探索研究原位環境下深部巖石的物理力學差異性特征新規律、構建深部原位巖石力學新理論體系[25-26]。VON KARMAN用大理巖進行不同圍壓條件下的力學實驗[27]，發現在圍壓約69 MPa下，大理巖發生了較大的塑性變形，軸向應變的值達到8%左右時試樣還未發生宏觀破壞。PATERSON[28]在室溫下對Wombegan大理巖做了試驗，發現大理巖的圍壓超過20 MPa后峰值應變顯著增加，并且隨著圍壓的增大巖石的力學性質有脆性向延性轉變的特性，PATERSON 把這種由低峰值應變下的宏觀破裂到高峰值應變下的沒有明顯破壞跡象的轉變稱脆延轉變。MARTIN和STIMPSON[29]基于大量實驗，總結出了一個基于應力和強度關系的脆延轉化條件。HANDIN[30]對鹽巖在室溫下的三軸壓縮試驗中觀測到圍壓小于20 MPa時會發生脆性向延性轉變。MOGI[31]采用大理巖進行實驗得出了類似的結果。CLEARY[32]認為巖石的破壞過程在淺部表現為脆性或斷裂韌性控制，在深部表現為準靜態或延性狀態。周宏偉等[33]從微細觀角度討論了巖石內部微結構在脆延轉變過程中的作用，認為外部因素為溫度和壓力，內部因素為內部晶體的微結構，深部巖石脆延轉變受到這兩類因素共同作用，且它們相互影響。盡管眾多學者對深部巖石的脆延轉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力賦存環境，且多數還集中在定性的討論階段[34-35]。

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

以上學者主要以1 000 m以淺的巖石為研究對象，很少考慮深度變化導致的巖石性質的改變，以不同圍壓模擬深度的變化，導致利用淺部巖石獲得的規律不能適用于深部巖石。HERRMANN等[45]研究發現露頭頁巖和深部頁巖的力學性質差異較大，這也驗證了采用淺部巖石通過改變圍壓去模擬深部巖石的力學性質會與深部巖石的真實力學性質存在較大的差異。因此，研究不同深度巖石力學性質的變化，有必要同時考慮不同深度巖石本身的差異性和不同深度環境應力水平的差異性。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力環境以及初始物性差異，初步探究了不同深度巖石脆延轉化力學行為特征。

1 基于松科二井原位巖芯的不同深度巖石三軸力學實驗

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域，是研究不同深度巖石物理力學行為差異的最佳靶點。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。為了系統的研究松遼盆地不同賦存深度巖石的物理力學規律，建立大深度范圍的不同賦存深度規律研究，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深部范圍內的巖芯，綜合松科二井樣品開展不同深度巖石的物理力學試驗。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，且地質條件相似，故在一定程度上可將兩者巖芯統一進行研究。

實驗采用10個深度的巖芯，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不大于0.01 mm;試樣上下端直徑偏差不應大于0.1 mm;試件表面應光滑，避免因不規則表面而產生的應力集中現象導致試驗數據失真。

1.2 實驗設備及試驗方案設計

本文考慮深度影響的巖石常規三軸力學實驗中，1 000～3 500 m深度實驗在四川大學MTS815巖石力學實驗機上開展;4 800～6 400 m深度在重慶大學GCTS高溫高壓巖石力學實驗機上開展。實驗前采用標準鋁塊和完整砂巖驗證了2臺實驗機在測試中的誤差，確保實驗機在測試中產生的誤差可以忽略。

為深入探索不同深度巖石脆延轉化力學行為規律，共設計3個試驗方案:① 同一深度(Same depth)巖石不同應力水平(Different stress)的常規三軸實驗，簡稱SD;② 不同深度(Different depth)巖石同一應力水平(Same stress)的常規三軸實驗，簡稱DS;③ 不同深度(Different depth)巖石真實應力水平(True stress)的常規三軸實驗，簡稱DT。實驗參數見表1。

2 不同深度巖石脆延特性評價方法

為了深入研究不同深度巖石的力學特性，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]提出的定義典型應力-應變曲線幾個特征力學參數的方法進行表征，如圖2所示。

圖2中A點為應力應變曲線的屈服點;B點為峰值應力點(試樣破壞點);OD代表試樣的延展性(延性)，定義為材料在無斷裂情況下經受最大永久變形的能力。目前關于延性參數度量方法沒有統一，本文給出了一個簡單的確定方法，從應力應變曲線的起始點O，做直線(斜率為彈性模量E)，在該直線與應力應變曲線峰值水平線交點處向下做垂線，垂線與應力應變曲線的相交點定義為應力應變曲線的屈服點A。屈服點之前的OA段巖石的變形為彈性變形(包括線彈性和非線彈性)。A點之后開始有塑性變形產生，巖石進入屈服階段。然后定義巖石應力應變關系的幾個參數: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由彈性階段的環向應變與軸向應變的比值獲得;H代表應變硬化模量，由后屈服區曲線的斜率獲得。εini,εel,εinel,εmax,εfail分別為剪脹開始時的應變，最大彈性應變(屈服應變)，非彈性應變(延性應變)，峰值應力應變和破壞應變。根據圖2中定義的幾個參數的計算如式(1)所示:

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

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

圖2 三軸壓縮實驗中巖石的典型應力-應變曲線[47-49]Fig.2 Typical stress-strain curve of rock in triaxial compression test[47-49]

(1)

式中，ΔσL為應力應變曲線直線段兩點之間的差值，MPa;ΔεL為直線段兩點對應的軸向應變;εd為側向應變;εL為軸向應變;σel和σmax分別為最大彈性應力和峰值應力;εel和εmax分別最大彈性應變和峰值應力應變。

根據不同深度巖石不同階段應力應變關系的變化，定義了幾個可以表征不同深度巖石脆性特征的參數[48-52]，即

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

不同深度巖石在常規三軸壓縮實驗中的力學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力-應變關系，考慮不同深度巖石常規三軸壓縮試驗中的峰后特征，定義出能夠表示三軸條件下典型的應力-應變曲線幾個特征力學參數的量，如圖2所示。其中，峰前特征點的定義與上文相同。這里主要介紹峰后跌落模量M(Descendant modulus)，由應力下降的斜率獲得，如式(3)所示。

(3)

式中,εres為殘余應變；σres為相應的偏應力值。

從不同深度巖石的應力應變關系中可以看出，在常規三軸壓縮實驗中，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上，根據圖2中的典型應力應變曲線定義能夠體現不同深度巖石峰后特性差異的峰后脆性特征指標[49-53]，即

(4)

其中，BresStress，BresStrain和BresER均為基于應力-應變曲線特征參數的巖石峰后脆性指標。其中,BresStress通過應力參數定義，考慮巖石的峰后殘余強度和破壞應力;BresStrain通過應變參數定義，考慮巖石的破壞應變和殘余應變;BresER通過彈性模量和峰后跌落模量比值定義，其本質是耗散彈性能與可恢復彈性能間的比值，綜合考慮了巖石的峰值應力、殘余強度、峰值應力應變、殘余應變、最大彈性應力和最大彈性應變。BresER脆性評價指標在[-1,0]巖石表現為脆性，BresER為+時巖石表現為完全塑性。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換的過程:當跌落模量M<0，且其絕對值大于彈性模量E時，BresER在[-1,0]，巖石表現出很強的脆性特征，其應力應變曲線峰后回彈，如圖3中Class Ⅱ所示，巖石峰后無法自穩;若E不變，M值由負無窮大轉為正無窮大(應力應變曲線峰后回彈逐漸減弱)后逐漸變小，BresER的值則會逐漸增大，巖石逐漸向延性轉換，當巖石表現出延性特征時其應力-應變曲線峰后無明顯的強度跌落。

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力水平下脆延差異性特征分析

賦存深度的變化會導致初始應力水平的改變，而巖石所處的初始應力水平對其力學性質具有顯著的影響。巖石材料在較低初始應力水平下往往呈現出脆性破壞特征，而在高應力水平下表現出逐漸向延性過渡的破壞特征，其強度隨應力水平變化規律也會表現出非線性[24,28-31]。因此本節從不同深度巖石所處的應力環境入手，研究圍壓對單一深度巖石力學性質的影響，揭示不同初始應力水平對巖石彈性模量、泊松比、強度、脆延性轉變等方面的影響。實驗以1 600 m深度的砂巖為研究對象，其不同圍壓下的實際破壞形態如圖4所示，巖石受壓主破裂面示意如圖5所示，偏應力-應變曲線如圖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深度砂巖的偏應力-應變曲線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深砂巖在三軸應力作用下其破壞形態隨著圍壓的增大經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個階段。低圍壓下的單剪破壞:圍壓在13.74～34.14 MPa時，1 600 m深砂巖的破壞形式為典型的單剪破壞。當試樣達到屈服應力后，試樣的承載能力會較快達到峰值，并開始下降。在圍壓較小的三軸應力作用下，由于受到側向應力對裂紋張拉發展的抑制，巖石的破壞過程沿著主破裂面法線方向發生偏轉，剪切面法線方向并不總沿著最小主應力方向。試樣微觀上以沿晶破壞為主，穿晶破壞為輔，晶體沒有產生大量的塑性變形從而形成單剪破壞面。較高圍壓下表現為典型雙剪破壞:當圍壓升高至52.14～73.74 MPa時，巖石破壞形式表現為雙剪破壞。產生這種現象的原因是在該圍壓范圍內，試樣達到屈服點后其承載能力不會很快達到峰值，會產生一定的塑性變形，之后試樣承載能力下降也較為緩慢。由于圍壓的增大，試樣的破壞過程產生大量的穿晶破壞，并且部分晶粒發生錯位滑移和塑性變形進而產生雙剪破壞。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，特別是圍壓大于其單軸抗壓強度時，沿最大能量釋放率發生方向的彈性應變能小于剪切破壞能量，進而發生膨脹破壞。試樣達到屈服點之后進一步產生應變需要更大的應力，產生硬化現象，并在此過程中產生大量的永久變形。試樣在微觀上以晶粒的塑性變形和錯位滑移為主，導致試樣產生中部漲鼓的延性破壞特征[53]。

由圖6中的偏應力-應變曲線可以直接的觀察到:破壞前巖石的峰值應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化的趨勢。當圍壓在13.74～34.14 MPa時，1 600 m深度砂巖偏應力-應變曲線經歷了標準的裂隙壓密階段、線彈性變形階段、裂紋起裂和穩定擴展階段、裂隙非穩定發展階段、殘余強度階段5個階段。并且隨著圍壓的增大，巖石峰后的塑性越來越強，但是試樣整體上有一個峰值強度，破壞后承載迅速下降，表現出一定的脆性特征;當圍壓升高至52.14～73.74 MPa時，巖石顯示出由脆性至延性的轉化過渡狀態;當圍壓升高至104.94 MPa時，巖石呈現塑性流動狀態，表現出延性特征;當圍壓升高至143.34 MPa時，試樣的偏應力隨著圍壓的增大穩定增長，出現應變硬化的現象。上述結果表明對于1 600 m深度的砂巖，巖石脆延轉化并非一個定值，而是存在一個脆延性逐漸轉換的應力區間。對于1 600 m深度砂巖，圍壓在50～70 MPa為其脆延性轉化區間，并且在圍壓為13.74～143.34 MPa范圍內，隨著圍壓的增大，巖石的性質出現了從脆性—延性—應變硬化的轉變。

根據松遼盆地1 600 m深度砂巖的應力-應變關系，采用前文提出的不同深度巖石脆延特性評價計算方法，得到其在不同初始應力水平下的典型力學參數，如圖7所示。在這里需要注意的是，試樣在104.94～143.34 MPa圍壓下表現出很強的延性特征，所以沒有殘余強度σres和相對應的應變εres，因此在計算峰后跌落模量M時，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力水平的增大而呈現增大趨勢(圖7(b))，表明隨著初始應力水平的增大，巖石的塑性逐漸增大。1 600 m深度砂巖的三軸相對強度隨著初始應力水平的變化呈現明顯的對數增長趨勢(圖7(c))，也即隨著圍壓的升高，三軸相對強度的增長趨勢逐漸減弱并趨近于0。殘余強度隨著深度增大也逐漸增大，圍壓超過100 MPa后，1 600 m深度巖石的殘余強度與峰值強度基本相等(圖7(c))。應變硬化模量隨著圍壓的增大規律性不強(圖7(d))。但峰后跌落模量隨著深度的增大呈現急劇減小趨勢。圍壓超過100 MPa后峰后跌落模量的值趨近于0，巖石峰后表現出塑性流動特征(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參數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指標隨圍壓的變化規律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，直到峰后表現為完全塑性。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因素，隨著圍壓的增大，巖石的脆性會逐漸減弱。

4 不同深度巖石同一應力水平下脆延差異性特征分析

巖石的力學性質受諸多因素的影響，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行為會產生重要的影響，是起主導作用的關鍵因素之一。通常巖石在漫長的地質作用下，其組分和礦物成分復雜。分析哪些礦物組分是影響巖石力學參數差異及脆延性轉化的主要礦物是研究不同深度巖石力學性質差異性的重要內容之一。本節著重研究不同深度巖石在僅考慮巖石物性差異時其力學行為的變化。

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處于脆延轉化狀態。本節在研究巖石物性對巖石力學性質影響時，采用該臨界范圍的圍壓52.14 MPa(對應于2 600 m深度的初始應力水平)，研究不同深度巖石的巖石物性對力學性質的影響，得到偏應力-應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圍壓下的偏應力-應變曲線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力隨著深度的增大呈現增大趨勢;另外隨著深度的增加巖石的脆性不斷增強，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)在達到峰值荷載之后基本呈現彈塑性流動狀態，表現出很強的延性特征;2 600 m砂巖巖芯在保持一段塑性變形之后應力水平才逐漸降低，然后進入穩定變形階段;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)在達到峰值荷載之后應力水平迅速下降，表現出脆性特征。表明在52.14 MPa的相同圍壓下，不同深度巖石的力學性質受其自身礦物組分的影響，巖石由淺至深表現出延性—脆延轉化—脆性的特征，其主要原因為隨著深度的增大，中等相和硬相礦物含量的增加導致的。

同一圍壓(52.14 MPa)下不同深度巖石的三軸力學參數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，但總體上呈現減小趨勢(圖10(b));不同深度下砂巖的三軸相對強度和殘余強度基本上隨著深度的增大而增大，而礫巖則相反(圖10(c));不同深度巖石的應變硬化模量隨著深度的增大呈現增大趨勢(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深度范圍內的砂巖峰后跌落很小，表明該范圍內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，表明巖石峰后強度迅速跌落(其中4 800 m深砂巖的跌落模量為負值，表明該深度下巖石脆性很強，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。

圖10 同一圍壓(52.14 MPa)下在不同深度巖石學參數隨深度變化規律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，根據前文定義的脆性指標，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個深度的巖石為研究對象研究了其力學行為與硬相礦物、中等相礦物和弱相礦物間的關系，研究結果表明:松遼盆地巖石隨著深度的增大，基本上呈現弱相礦物減少，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關系。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。總體上1 000～6 400 m內巖石的峰前脆性指標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因素，硬相和中等相礦物占比越大，巖石的脆性特征越強。不同深度巖石的峰后脆性指標有一定的差異，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減小趨勢。

5 不同深度巖石真實應力水平下脆延特征初探

根據測試結果[55]，把松遼盆地不同深度巖石典型應力-應變曲線關系繪在同一個坐標系中，如圖12所示，基本上巖石的三軸強度和殘余強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性質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態脆性破壞，而是隨著深度的增加呈現3個階段的特征:峰后應變軟化(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(6 400 m以深的安山巖)。其主要原因是巖石的力學特性受深度影響是綜合作用的結果，其中巖石的組分結構和原位應力狀態是2個主要因素。

圖12 不同深度巖石真實應力下偏應力-應變曲線[55]Fig.12 Stress-strain curves diagram of rock at different depths under real stress[55]

由圖12可以看出，初始應力的變化主要對不同深度巖石常規三軸強度及峰后特性產生影響。從常規三軸壓縮試驗結果可以看出，隨著深度的增加，初始應力水平增大，偏應力-應變曲線的斜率會明顯增大。由此可見，只有認真的考慮初始應力水平的影響，才能充分認識不同深度巖石的力學性質差異性規律。不同深度巖石在相應深度地應力條件下的常規三軸力學參數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三軸力學參數的差異性[55]Fig.13 Differences inconventional triaxial mechanical parameters of rocks at different depths in the Songliao Basin[55]

由圖13可知，在常規三軸壓縮試驗中，不同深度巖石的力學參數隨著深度的變化基本都呈現非線性趨勢。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生了一定的影響;泊松比μ隨著深度的增大呈現增大趨勢(圖13(b))，這是由于圍壓的影響抑制了巖石的橫向變形，并且促進巖石向塑性轉化，從而導致泊松比的增大;三軸相對強度和殘余強度均隨著深度的增長而增大(圖13(c));應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，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))。

根據式(2)和(4)中的脆性指標計算方法，深部不同深度巖石常規三軸壓縮試驗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類峰前脆性指標隨深度的變化趨勢同步性較高。1 000～4 800 m深度范圍內砂巖3類峰前脆性指標總體上隨著深度增加呈現先減后增的趨勢，3 500 m深處砂巖塑性最強，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象。1 000～3 500 m圍壓對砂巖的脆延特性起主導作用，故隨著圍壓的增大該范圍內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;5 100～5 600 m礫巖的峰前脆性指標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隨深度的變化趨勢各異。1 000～4 800 m砂巖的BresStress波動較大，規律性不明顯。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，表現出峰后塑性流動特征。

6 考慮應力環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力環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化機理，將同一深度巖石不同應力水平下、不同深度巖石同一應力水平下以及不同深度巖石真實應力水平下巖石的脆性指標進行對比，如圖15所示。

圖14 不同深度巖石脆性評價指標隨深度的變化規律[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。SD為同一深度巖石(1 600 m砂巖)不同應力水平下脆性指標的演化曲線，對應圍壓縱軸;DS為不同深度巖石同一應力水平下(52.14 MPa)脆性指標的演化曲線，對應深度縱軸;DT為不同深度巖石真實應力水平下脆性指標的演化曲線，與圍壓縱軸和深度縱軸均對應。由圖15可以看出，同一深度砂巖在不同應力水平下，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性作用，會抑制巖石的脆性;不同深度巖石在同一應力水平下，隨深度的增加其脆性礦物占比增加，導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作用;不同深度巖石真實應力水平下，其脆性呈現先增大后減小趨勢。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者之間存在博弈現象。上述結果表明巖石的脆性受到多種因素的綜合影響，其中應力環境和礦物組分是2個關鍵因素。通過對同一深度巖石不同應力水平，不同深度巖石同一應力水平，不同深度巖石真實應力水平下的三軸力學實驗的研究，可以得出一個基本的結論:巖石礦物組分和初始應力水平都是影響不同深度巖石力學性質的重要因素。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導致巖石的脆性增長，但是隨著深度增加，初始應力水平的增加又會抑制巖石的脆性增長。這2種控制因素此消彼長，存在博弈現象，具體在哪種條件下，哪個因素起主導作用，還需要大量的數據驗證。同時，在巖石脆延性轉化過程中，能量轉換機制的作用也不容忽視[57-59]。目前已經有從很多能量角度表達脆性指數的指標，下一步可以結合不同深度應力條件，考慮從能量存儲-耗散轉換的角度，提出能科學表達巖石脆延轉化的新指標。

7 結 論

(1)深部巖石脆延轉化并非瞬時的，而是存在一個脆延性逐漸轉換的應力區間。對于松遼盆地1 600 m賦存深度的砂巖，實驗表明50～70 MPa圍壓為其脆延性轉化區間。

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

(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，導致其脆性增大，由淺至深表現出延性—脆延轉化—脆性的特征。

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

(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力環境對巖石的脆性影響存在博弈現象，中等相、硬相礦物含量的增加會導致其脆性增長，而加載應力水平的增加，又會抑制其脆性增長。

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，旨在更加真實的研究不同深度巖石脆延轉化力學行為規律。然而由于不同深度巖石并非同一巖性，故研究結果存在一定缺陷，后續還需結合圍壓和礦物組分對巖石脆延特性影響的單一變量實驗，進一步深入探索不同深度下巖石的脆延特性轉換機理。同時，由于現有技術與理論的限制，本文并沒有考慮深部巖石取芯過程中的主應力轉化、加卸載條件變化等力學過程，以及溫度、濕度等因素對巖石力學特性的影響。針對這些影響因素后續還需深入探索研究，這也是未來深部原位巖石力學需要重點探索的方向。