賈振楊，李剛，劉正宏，馮帆

吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061

0 引言

卸荷節(jié)理經(jīng)常出現(xiàn)于地表附近，因有上覆巖石重力而承受較大的壓力，它是由風(fēng)化、剝蝕作用使上覆巖層剝離，釋放了原來壓力，巖石體積產(chǎn)生膨脹，由體積膨脹產(chǎn)生的張應(yīng)力使巖石形成一種近于平行地表的節(jié)理，經(jīng)常發(fā)育在大型花崗巖巖體的頂部，也稱花崗巖層節(jié)理、花崗巖釋重節(jié)理。

圍壓卸載速率是影響卸荷節(jié)理形成的主要因素。圍壓卸載速率對巖石力學(xué)性質(zhì)影響的研究許多學(xué)者已有大量成果[1--3]，室內(nèi)巖石真三軸試驗發(fā)現(xiàn)，不同卸載速率，花崗巖試件巖爆后表面破裂特征有明顯差異，快速卸載會產(chǎn)生劇烈的顆粒彈射等動力學(xué)破壞現(xiàn)象，卸載速率降低會出現(xiàn)和緩的片狀、薄片狀等現(xiàn)象。室內(nèi)巖石三軸卸載試驗發(fā)現(xiàn)，卸載速率和初始圍壓越大，巖石的脆性及張性斷裂特征就越明顯[4]。巖爆試驗發(fā)現(xiàn)，巖爆與單軸、三軸破壞產(chǎn)生的巖石碎屑相比具有明顯的片狀特征[5]。

卸荷節(jié)理在地殼表面廣泛發(fā)育，其形成與地殼垂向運動具有直接關(guān)系，記錄了巖石從地殼深處抬升至地表過程中的重要信息，有助于分析和闡明地殼構(gòu)造的運動發(fā)展演化規(guī)律，對探討地殼構(gòu)造演化動力學(xué)機制具有重要地質(zhì)理論意義。其發(fā)育程度與分布規(guī)律不僅對評價大型工程地質(zhì)穩(wěn)定性具有重要影響[6--7]，同時也為流體運移和滲透提供通道、儲藏的空間，對石油、天然氣、地下水和熱液型礦產(chǎn)研究具有重要實際意義[8--11]。

由于卸荷節(jié)理的成因比較復(fù)雜，影響因素眾多，然而目前對于卸荷節(jié)理的成因鮮有研究，因此筆者擬采取數(shù)值模擬的手段以中國高放地質(zhì)處置庫的預(yù)選區(qū)北山花崗巖為研究對象，通過數(shù)值模擬結(jié)合巖石力學(xué)試驗資料，以期獲得圍壓卸載速率、溫度、風(fēng)化和剝蝕作用等因素對卸荷節(jié)理形成的影響。

1 影響卸荷節(jié)理形成因素的數(shù)值模擬

1.1 北山地質(zhì)背景

北山造山帶位于甘肅—內(nèi)蒙古—新疆交界處，大地構(gòu)造位置屬于華北板塊、塔里木板塊和西伯利亞板塊的交匯部位，其西側(cè)以星星峽左行走滑斷裂與天山造山帶相連，東側(cè)于弱水走滑斷裂被巴丹吉林沙漠掩蓋，南北位于敦煌地塊和蒙古增生造山帶之間[12--13]。北山造山帶由一系列的島弧、蛇綠混雜巖和微地塊等構(gòu)造單元組成，其從南至北通過柳園、紅柳河—洗腸井、石板井—小黃山和紅石山蛇綠巖可以劃分為石板山、雙鷹山、馬鬃山、旱山和雀兒山等地體[12]。

自然界中花崗巖卸荷節(jié)理特征及分布規(guī)律變化較大，延伸穩(wěn)定，這些近水平節(jié)理將塊狀花崗巖切割成不等厚層狀，從遠處看類似于沉積巖中層理構(gòu)造(圖1)。這些近水平卸荷節(jié)理間距在2～20 cm不等，在花崗巖上部卸荷節(jié)理密集，間距<5 cm，但是在下部間距為10～20 cm。在卸荷節(jié)理之間花崗巖呈層狀，破碎不強烈。除了水平卸荷節(jié)理外，還發(fā)育豎直卸荷節(jié)理，發(fā)育程度較弱，節(jié)理間距>50 cm，發(fā)育也不均勻。水平卸荷節(jié)理與豎直卸荷節(jié)理將花崗巖切割成不同大小長方體，經(jīng)地殼構(gòu)造抬升及地表剝蝕作用后，形成不同形態(tài)花崗巖地貌。

(a)豎直卸荷節(jié)理；(b)水平卸荷節(jié)理。圖1 花崗巖卸荷節(jié)理Fig.1 Unloading joints of granites

1.2 模型的建立

北山中粒黑云母二長花崗的礦物組成為石英30.7%，斜長石27.1%，黏土礦物1.3%。密度約2.6 g/cm3，泊松比0.27，彈性模量58.5 GPa，抗壓強度74 MPs，抗拉強度9.2 MPs，較完整致密，原生裂隙很少[3]。

由于該花崗巖致密性良好，因此認為它是均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的巖石，建立長、寬、高分別為60 mm×30 mm×150 mm的模型進行模擬，材料參數(shù)、初始模型見表1、圖2。

表1 材料參數(shù)[3]

圖2 試件初始模型Fig.2 Initial model of specimen

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

通過軟件自帶算法進行網(wǎng)格劃分，Ansys網(wǎng)格劃分方法有自由網(wǎng)格及映射網(wǎng)格，劃分類型有2D和3D兩種，2D結(jié)構(gòu)包括三角形網(wǎng)格及四邊形網(wǎng)格，3D結(jié)構(gòu)包括角椎體及六面體。當(dāng)模型結(jié)構(gòu)規(guī)則時可用映射網(wǎng)格，因所建模型為三維有限元規(guī)則體模型，因此采用映射網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分后共3 257個節(jié)點，608個單元(圖3)。

圖3 網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Diagram of mesh division

對于模型邊界條件的選擇主要考慮巖石從地下抬升至地表的真實過程，由于在此過程中巖石始終處于水平方向有側(cè)壓力，豎直方向上部有上覆巖體壓力，下部有支持力的狀態(tài)。因此對模型建立空間直角坐標(biāo)系，分別以σ1、σ2、σ3代表Z、Y、X方向壓力，將試件頂端施加豎向變荷載，X、Y軸方向施加水平變荷載，底部采取固定端約束，模擬北山花崗巖從地下500 m(σ1/σ2/σ3=14/13/9 MPa)、700 m(σ1/σ2/σ3=18.3/17.3/12.4 MPa)抬升至地表過程[5]。施加邊界條件后模型見圖4。

圖4 邊界條件圖Fig.4 Diagrams of boundary conditions

1.4 圍壓卸載速率及深度對卸荷節(jié)理的影響

由北山花崗巖巖爆真三軸試驗可以發(fā)現(xiàn)，隨著卸載速率的降低，巖爆臨界應(yīng)力值逐漸下降，對應(yīng)的巖爆臨界深度也逐漸減小，巖爆發(fā)生時的破壞現(xiàn)象也逐漸從大量碎屑彈射轉(zhuǎn)變?yōu)樯倭款w粒碎屑彈出，部分片狀碎屑剝落，出現(xiàn)動力學(xué)現(xiàn)象越來越弱的趨勢[3](表2)。 并且， 當(dāng)卸載速率很大為20 s/MPa時，巖爆出現(xiàn)大量塊狀顆粒彈射，最后伴隨有片狀碎屑彎折剝離，而卸載速率很小為0.025 s/MPa時，巖爆前期碎屑現(xiàn)象不明顯，主要是片狀、薄片狀碎屑的剝落。

表2 不同卸載速率下巖爆試驗測試結(jié)果[3]

由此可以證明，卸荷節(jié)理的出現(xiàn)與圍壓卸載速率有關(guān)，在地下深處由于高圍壓,巖石僅可能發(fā)生巖爆等動力學(xué)作用劇烈的現(xiàn)象，所以，卸荷節(jié)理一定發(fā)生在近地表，隨著圍壓的減弱及卸載速率的降低而出現(xiàn)。并且利用反映巖石內(nèi)部裂紋類型的聲發(fā)射方法[14--16]，依據(jù)試驗過程中聲發(fā)射多參數(shù)特征值分析發(fā)現(xiàn)，4例巖爆試驗產(chǎn)生的裂紋均為張剪復(fù)合型，并皆以張性為主，隨著卸載速率降低，裂紋總量變少，尤其剪裂紋明顯減少[3]。這也直接證明卸荷節(jié)理是在低卸載速率作用下發(fā)生的，并且主要發(fā)生張裂隙，這也與野外觀察現(xiàn)象相符。

模擬北山花崗巖從地下500 m(σ1，σ2，σ3=14/13/9 MPa)抬升至地表過程。對模型先進行分級加載，每級應(yīng)力為3 MPa，加載間隔5 min。加載至地下500 m初始圍壓狀態(tài)后，對圍壓分別采取0.025 s/MPa、0.05 s/MPa、0.1 s/MPa及20 s/MPa卸載，直至水平圍壓為0，上覆圍巖壓應(yīng)力為2 MPa(出露地表后上覆圍巖重力產(chǎn)生的壓應(yīng)力設(shè)定為2 MPa)。模擬結(jié)果如圖5所示。700 m(σ1，σ2，σ3=18.3/17.3/12.4 MPa)情況同理，模擬結(jié)果見表3。

a:0.025 s/MPa卸載水平變形云圖；b:0.025 s/MPa卸載豎直變形云圖；c:0.05 s、0.1 s、20 s/MPa卸載水平變形云圖；d: 0.05 s、0.1 s、20 s/MPa卸載豎直變形云圖。圖5 500 m至地表不同速率卸載結(jié)果云圖Fig.5 Cloud maps of unloading results at different speeds from 500 m to surface

表3 500 m及700 m不同速率圍壓卸載結(jié)果

由表3可見，不同的卸載速率的確會影響卸荷節(jié)理的形成。當(dāng)圍壓以0.025 s/MPa卸載時的水平變形>0.05 s/MPa、0.1 s/MPa及20 s/MPa的水平變形。因此可以推論出，圍壓卸載速率越快，巖石破碎程度越強烈，成層性越弱，越不易發(fā)育水平卸荷節(jié)理。豎直卸荷節(jié)理則恰恰相反，以 0.025 s/MPa速率卸載的豎直變形要小于其余卸載速率的豎直變形，并且最大變形與最小變形成負數(shù)關(guān)系。因此可以推論，豎直變形是由于巖石在成巖過程中隨著壓力的增大而出現(xiàn)微裂隙并在壓力釋放后又逐漸恢復(fù)，并且卸載越快,恢復(fù)的變形越大。

對地下500 m及700 m模擬結(jié)果(表3)進行對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著深度的加深，水平變形出現(xiàn)了極小的增長，豎直變形也出現(xiàn)了極小的降低，因此推斷，水平卸荷節(jié)理在地下更深處可能會出現(xiàn)。為了更加嚴謹，因此模擬地下900 m至地表情況，對900 m的變形進行討論，模擬結(jié)果(表4)表明900 m的水平變形與700 m相同，說明巖石在超過地下700 m后處于壓實狀態(tài)，并不會出現(xiàn)進一步的變形。然而，900 m時的豎直變形也變小。因此，花崗巖水平卸荷節(jié)理出現(xiàn)的起始點應(yīng)位于500～700 m。而由于900 m的豎直變形要<700 m，可以暫時推測豎直節(jié)理應(yīng)<900 m，所以，將進一步討論地下更淺處的情況。

表4 以0.025 s/MPa從不同深度抬升至地表變形

相比于700 m，在500 m時水平卸荷節(jié)理出現(xiàn)了變化，因此利用插值原理在此區(qū)間進行模擬發(fā)現(xiàn)地下550 m處水平變形與700 m相同，因此可以認為水平卸荷節(jié)理的起始點應(yīng)位于550～500 m。并且發(fā)現(xiàn)550 m的豎直變形>700 m且<500 m，所以推斷，豎直卸荷節(jié)理至少應(yīng)起始于700 m。為了進一步驗證上述推論，對200 m及300 m至地表進行驗證，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)無論水平變形還是豎直變形在距地表300 m以內(nèi)時變形都會逐漸變小，并且當(dāng)巖石抬升距地表300 m時，由于深度的變淺導(dǎo)致圍壓的降低以及巖石內(nèi)部膨脹力的減弱致使巖石內(nèi)部變形也在逐漸減小(表4)。因此巖石所處深度在550～300 m處，圍壓與巖石內(nèi)部膨脹作用導(dǎo)致巖石出現(xiàn)水平卸荷節(jié)理及豎直卸荷節(jié)理現(xiàn)象漸加強，當(dāng)巖石所處深度<300 m時，變形能力逐漸減弱。

無論水平卸荷節(jié)理還是豎直卸荷節(jié)理都形成于近地表，要發(fā)育成宏觀裂隙需要在出露地表或非常接近地表才有可能。并進一步推斷出，地表以下主要以水平卸荷節(jié)理發(fā)育，豎直卸荷節(jié)理發(fā)育不明顯，出露地表后豎直卸荷節(jié)理除受風(fēng)化作用還受自重作用影響。

通過北山花崗巖巖爆及單軸壓縮試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在2#試件圍壓較大的情況下會發(fā)生動力學(xué)作用劇烈、巖塊瞬間碎裂的現(xiàn)象，在比2#試件圍壓較小且深度較淺的5#試件中出現(xiàn)動力學(xué)作用減弱，巖塊出現(xiàn)薄碎片狀剝離及顆粒彈射現(xiàn)象，并由此可以證明，卸荷節(jié)理一定發(fā)生在圍壓較小且深度較淺的位置。25#單軸壓縮試驗可以證明，當(dāng)巖石出露地表后豎直卸荷節(jié)理發(fā)育受巖體自重影響明顯(表5)。

表5 試件極限應(yīng)力狀態(tài)及破壞特征(據(jù)文獻[5]修改)

所以，圍壓卸載快慢會影響卸荷節(jié)理的發(fā)生，當(dāng)圍壓以0.025 s/MPa的低速率卸載時更容易出現(xiàn)水平卸荷節(jié)理。巖石所處深度為700 m內(nèi)時會逐漸出現(xiàn)豎直卸荷節(jié)理，深度為550 m內(nèi)時水平卸荷節(jié)理開始出現(xiàn)。水平卸荷節(jié)理及豎直卸荷節(jié)理都是在近地表發(fā)生，豎直卸荷節(jié)理的形成也與出露地表后自重影響有極大關(guān)系。

1.5 圍壓及卸載速率對卸荷節(jié)理的影響

為了討論圍壓與卸載速率對卸荷節(jié)理形成的影響，進一步將圍壓分為水平圍壓及上覆圍巖壓力。模擬巖石分別以不同卸載速率自700 m抬升至500 m，同樣對模型采取分級加載，加載至700 m深的地應(yīng)力后將水平圍壓及上覆圍巖壓力分別以不同速率卸載進行討論。由于篇幅所限便不再列出所有模型，模擬結(jié)果見表6。

表6 不同圍壓卸載速率及上覆圍巖卸載速率模擬結(jié)果

試驗①②說明當(dāng)水平圍壓處于不變的極端狀態(tài)，上覆圍巖壓力分別以0.021 5 s/MPa及0.001 95 s/MPa卸載時，出現(xiàn)卸載速率越慢，水平變形越大，豎直變形越小的結(jié)果。即水平圍壓與上覆圍巖壓力卸載速率會影響裂縫發(fā)育，當(dāng)水平圍壓穩(wěn)定不變時，地殼抬升速率越快，巖石裂縫發(fā)育越快，越不易形成卸荷節(jié)理，反之則越容易形成卸荷節(jié)理。試驗③④說明當(dāng)上覆圍巖壓力處于另一種極端狀態(tài)，即上覆圍巖壓力不卸載的情況，出現(xiàn)無論水平圍壓以何種速率卸載，水平變形及豎直變形都不變的情況。因此，受上覆巖體影響，水平圍壓的作用要小于上覆巖體卸載的影響，即上覆巖體卸載起主要作用。

1.6 溫度對卸荷節(jié)理的影響

由于溫壓條件對巖石的發(fā)展變化也會有極大的影響。因此，對700 m深以0.025 s/MPa卸載的模型加入溫度條件(30℃/km)進行模擬，發(fā)現(xiàn)溫度條件對模型幾乎無影響。

對北山花崗巖進行不同溫度條件下試件蠕變破壞試驗并獲得相應(yīng)的應(yīng)變曲線(圍壓2 MPa)[17]?？芍S著溫度的增加，巖石蠕變破壞應(yīng)變有增大的趨勢，但影響極為有限。尤其在23℃～90℃時，花崗巖蠕變破壞最終應(yīng)變與室溫條件下基本一致(圖6)。

圖6 不同條件下試件蠕變破壞應(yīng)變(據(jù)文獻[17]修改)Fig.6 Creep failure strain of specimen under different conditions

因此，在本文研究主要深度700 m以內(nèi)，地溫處于23℃～90℃之間，北山花崗巖破壞與所處溫度無明顯關(guān)系。

2 風(fēng)化作用對卸荷節(jié)理的影響

在巖石出露地表后，風(fēng)化作用的影響便會成為主要因素，尤其是在北方地區(qū)日夜溫差較大會導(dǎo)致巖石抵抗凍融破壞的能力降低。當(dāng)巖石中含有水時，在凍結(jié)過程中，由于水結(jié)冰在巖石中產(chǎn)生巨大的凍脹力導(dǎo)致巖石破壞。實際上，巖石因反復(fù)凍融逐漸破壞的過程，一方面是由于巖石中不同礦物因溫度升降變化致使膨脹與收縮程度不同而導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)不斷破壞，另一方面是由于巖石中孔隙水在結(jié)冰時體積膨脹而產(chǎn)生的巨大凍脹力導(dǎo)致巖石破壞。并且通過鏡下觀察發(fā)現(xiàn)巖石有明顯的高嶺土化，說明巖石在出露地表后吸水膨脹能力增強。由于日復(fù)一日，年復(fù)一年的風(fēng)化作用從而影響卸荷節(jié)理的發(fā)育。水平卸荷節(jié)理在出露地表后主要受風(fēng)化作用影響，豎直卸荷節(jié)理除受風(fēng)化作用影響還主要與巖體自重有關(guān)，在接近地表時發(fā)育的垂直張性裂隙在自重應(yīng)力作用下，由于側(cè)向變形不受約束，所以有σ2=σ3=0，σ1=γz(γ為容重)而導(dǎo)致豎直卸荷節(jié)理發(fā)育。

巖石的凍融及剝蝕作用對卸荷節(jié)理的發(fā)育有極大的促進作用。根據(jù)三軸循環(huán)加、卸載條件下北山花崗巖典型應(yīng)力--應(yīng)變曲線(圖7)可以發(fā)現(xiàn)：巖石的擴容對低圍壓條件更敏感，這與地下工程圍巖狀態(tài)是吻合的，即隨著圍壓的變化，圍巖體積也在不斷變化，由于最后接近地表(相當(dāng)于工程開挖，單面圍壓突然消失)必將引起最大程度的體積膨脹，進而產(chǎn)生最大的位移矢量，并且從試驗結(jié)果來看，隨著深度的增加，圍壓逐漸增加，巖體膨脹量將大幅減小并最終消失[18]。

進一步證實，卸荷節(jié)理的發(fā)育可在并僅可在近地表產(chǎn)生。剝蝕作用產(chǎn)生的卸載回彈效應(yīng)使巖石產(chǎn)生卸載回彈裂隙以及風(fēng)化作用產(chǎn)生的巖石循環(huán)凍融作用進一步促進了卸荷節(jié)理的形成。

圖7 三軸循環(huán)加、卸載條件下北山花崗巖典型應(yīng)力--應(yīng)變曲線(據(jù)文獻[18]修改)Fig.7 Typical stress-strain curves of Beishan granites under triaxial cyclic loading-unloading conditions

3 討論

需要注意的是，本文是基于數(shù)值模擬及力學(xué)試驗進行的花崗巖卸荷節(jié)理形成條件研究，試驗僅是在小尺寸的巖石上進行的，與現(xiàn)場的復(fù)雜地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)及破壞現(xiàn)象都有較大差異，需要對模擬及試驗進行進一步的改進，以更好地反映花崗巖的卸荷節(jié)理現(xiàn)象。

本文對不同地球化學(xué)元素的花崗巖成因[19--22]、重大工程選址[23]及巖體開采[24]進行數(shù)值模擬也具有一定的參考價值。

4 結(jié)論

(1)花崗巖卸荷節(jié)理在地表以下主要由于上覆巖體卸荷產(chǎn)生，水平卸荷節(jié)理發(fā)生于地下550 m，豎直卸荷節(jié)理發(fā)生于700 m。

(2)在近地表，溫度對卸荷節(jié)理的形成幾乎無影響。

(3)當(dāng)花崗巖隨著剝蝕、抬升作用出露地表后風(fēng)化作用是影響節(jié)理發(fā)育的主要因素，豎直卸荷節(jié)理除受風(fēng)化作用還與自重因素有很大關(guān)系。