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地质地球所提出岩石圈液压致裂的新动力学理论

作者:  来源: 发布时间:2016-03-20

关键词: 压力, 岩石, 液压, 破裂, 应力, ┊阅读:次┊

  液压致裂是弹性岩石圈中岩浆迁移与侵位的构造基础,也是变质流体迁移与脉状-网脉状矿体形成的构造基础。液压破裂形成机制的研究包括形成动力来源与破裂机制两方面。目前,关于液压致裂的动力来源有许多力学模型,例如浮力、岩石熔融过程产生的体积压力、温度升高导致的扩容、钾交代作用、沸腾产生的内压与岩浆超压。但是,有些模型只适用于特定的地质条件与背景。关于液压致裂的力学准则,目前有两个模型:(1)当流体压力大于岩石中最小挤压应力与抗张强度之和时岩石破裂;(2)Hubbert-Willis' 模型或水压致裂模型,其采用加载边缘应力的无限平板中心含内压空洞的力学模型。然而,经研究发现这两个模型其并没有完全模拟真实的情况。此外,岩浆超压的成因也不是很清楚。为此,需要研究与寻找新的普适性的动力起源。

  针对岩石圈液压致裂机制研究存在的问题,中科院地质地球所固体矿产资源研究室徐兴旺研究员与合作者在国家基金重大项目、院创新项目与国家科技支撑计划项目资助下,基于流体力学、弹性力学与材料力学的基本理论并结合长期的野外观察与研究积累,指出岩石圈中圈闭流体具有承受围岩的压力并获得压力、传递压力、将压力反作用于围岩并产生正向的压应力与环向的张应力等重要的力学行为属性,提出了新的液压致裂动力学理论。

  他们新提出的液压致裂动力学理论指出弹性岩石圈中的圈闭液体具有传递最大加载挤压应力的属性。圈闭流体承受围岩中与最大挤压应力等值的最大压力,该压力在液体中传递并反作用于围岩,在岩石-液体的内接触面将该压力被转换为正向的挤压应力与环向的张应力,进而形成有效正向压应力与有效环向张应力。当有效环向张应力值大于岩石抗张强度时,岩石破裂。初始液压致裂发育于最大挤压应力加载点,并沿垂直于最小有效张性环向应力与最小主应力方向生长。估算结果显示,在重力体制下由球状圈闭液体所产生破裂的最小深度为2-6km,而半圆柱状末端(如岩墙)往上扩展的破裂可到达近地表的位置。

  新的液压致裂动力学理论指出当两个岩浆房被岩墙相连,岩浆与压力将从高压力的岩浆房向低压力的岩浆房迁移与传递。停滞的、可能已结晶分异的中间岩浆房岩浆可从深部源区岩浆房获得新的压力与岩浆补给,进而产生新的破裂并推动岩浆往上运移与侵位。构造应力可改变应力场的状态,同时也改变有效环向张应力的状态与液压破裂的产状。

  新提出的液压致裂动力学理论对于认识岩石圈演化、岩浆运移动力学、破裂机制与成矿机理、解释一些重要而普遍的地质现象等方面具重要的科学意义,是流体构造动力学与地质力学研究的重要进展。

  图1 圈闭液体对弹性应力传递与转换的力学模型

图2 岩浆房间压力传递与岩浆搬运的力学模型

  该研究成果近期发表在国际构造地质学领域权威期刊Tectonophysics上(Xu et al. Elastic stress transmission and transformation (ESTT) by confined liquid: A new mechanics for fracture in elastic lithosphere of the earth. Tectonophysics, 2016, 672-673: 129-138)。

  (地质地球所供稿)

 
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