·1430 工程科学学报.第41卷，第11期 1.2 (d) 2.2 (e) 0.9 1.8 0.7 Ca 1.3 Ca 0.5 0.2 Mg Au 0.4 OSi 0 0 Au 1 2 345678 4681012141618 能量keV 能量keV 困9大理岩劈裂面电镜扫描形貌图.(a)白云石颗粒光滑多面体状形貌图，(b)方解石聚片双品结构形貌图：(c)图(a)黑圈区域高分辨率下的形 貌图，(d)白云石颗粒能谱图：(e)方解石颗粒能谐图 Fig.9 SEM photos of the fracture surfaces of marble in the Brazilian split test:(a)"smooth polyhedrals"morphology of dolomite;(b)"polycrystalline" morphology of calcite.(c)high-magnification morphology of the black square in (a).(d)energy spectrum diagram of dolomite.(e)energy spectrum diagram of calcite 形成图8(c)所示的形貌.Zang等2四在对砂岩的加 见的聚片双晶结构 压实验中认为，砂岩的微观破裂取决于弱矿物颗 钾长石颗粒内部的破裂无论呈图8b)所示的 粒的数量和分布，也就是说岩样受力后更容易在 层叠状或呈图8（©）所示的台阶状，都是小尺度破 弱矿物颗粒中发生断裂.对于本次实验的花岗岩 裂，释放高频低幅值信号.按照震源频率-尺度的 来说，钾长石就属于典型的弱矿物颗粒，岩样受劈 缩放关系，峰值频率分布中占比最多的400~499kHz 裂荷载后内部的微观破裂更容易发生在钾长石 之间的信号应主要来自于钾长石矿物颗粒内部的 中，这也是在电镜试验中常见图8(b)~(c)形貌的 破裂.对于8(a)所示大尺度石英颗粒内部的破裂. 原因.相比于钾长石，石英矿物颗粒较完整，但其 无论是界面的摩擦滑移还是张拉分离，都会释放 中也存在明显的不连续面，岩样在劈裂荷载的作 较低频信号，而由于石英颗粒抗拉强度远大于钾 用下，石英矿物颗粒会沿着其内部的不连续面或 长石弱矿物颗粒，所以在加载后期才会有较多大 者其边界破裂，这些破裂面通常较平坦且光滑（如 尺度破裂信号产生，致使花岗岩声发射比率突然 图8(a)所示)，是石英断口形貌的典型特征，同 降低.因此，推断100~199kHz区间的信号应主要 时，由于石英是花岗岩的主要矿物成分，破裂面经 来自于石英矿物颗粒内部的破裂：对于大理岩而 过石英矿物颗粒的机会较大，因此，电镜实验中 言，正如图9所示的光滑多面体形状，形貌单一， 图8(a)所示的形貌也较常见；对于大理岩而言，一 主要沿着矿物颗粒边界分离持续产生高频信号， 般具有典型的粒状变晶结构，如图1(b)所示，岩石 这也说明大理岩在加载过程中高频信号变化稳 主要由白云石和方解石组成，白云石和方解石颗 定，致使其声发射比率持续增加 粒之间成紧密镶嵌结构.图9(a)~(b)的形貌分别 4结论 源自白云石和方解石，由于白云石和方解石有着 相似的晶体结构，晶形为菱面体，多呈块状或粒状 (1)劈裂荷载下，岩样虽然都以拉伸破坏为主， 集聚，因此图9(a)~(b)的形貌也相似，主要沿着矿 产生低RA值、高AF值的声发射信号，但在裂纹 物颗粒边界破裂.并且，由于白云石和方解石在变 萌生、扩展过程中，随着内部损伤的加剧，微裂隙 质作用后紧密镶嵌，无论是矿物颗粒之间还是矿 界面彼此相互移动，由于裂纹具有弯曲和非对称 物颗粒内部品粒间界的破裂，在形貌图中都常见 性特点，微裂隙界面间会发生摩擦，裂纹形式由拉 光滑的晶界面.此外，形貌图b中也出现方解石常 伸裂纹变为剪切裂纹或复合裂纹，致使RA值逐渐形成图 8(c) 所示的形貌. Zang 等[29] 在对砂岩的加 压实验中认为，砂岩的微观破裂取决于弱矿物颗 粒的数量和分布，也就是说岩样受力后更容易在 弱矿物颗粒中发生断裂. 对于本次实验的花岗岩 来说，钾长石就属于典型的弱矿物颗粒，岩样受劈 裂荷载后内部的微观破裂更容易发生在钾长石 中，这也是在电镜试验中常见图 8(b)～(c) 形貌的 原因. 相比于钾长石，石英矿物颗粒较完整，但其 中也存在明显的不连续面，岩样在劈裂荷载的作 用下，石英矿物颗粒会沿着其内部的不连续面或 者其边界破裂，这些破裂面通常较平坦且光滑（如 图 8(a) 所示），是石英断口形貌的典型特征[15] ，同 时，由于石英是花岗岩的主要矿物成分，破裂面经 过石英矿物颗粒的机会较大，因此，电镜实验中 图 8(a) 所示的形貌也较常见；对于大理岩而言，一 般具有典型的粒状变晶结构，如图 1(b) 所示，岩石 主要由白云石和方解石组成，白云石和方解石颗 粒之间成紧密镶嵌结构. 图 9(a)～(b) 的形貌分别 源自白云石和方解石，由于白云石和方解石有着 相似的晶体结构，晶形为菱面体，多呈块状或粒状 集聚，因此图 9(a)～(b) 的形貌也相似，主要沿着矿 物颗粒边界破裂. 并且，由于白云石和方解石在变 质作用后紧密镶嵌，无论是矿物颗粒之间还是矿 物颗粒内部晶粒间界的破裂，在形貌图中都常见 光滑的晶界面. 此外，形貌图 b 中也出现方解石常 见的聚片双晶结构. 钾长石颗粒内部的破裂无论呈图 8(b) 所示的 层叠状或呈图 8(c) 所示的台阶状，都是小尺度破 裂，释放高频低幅值信号. 按照震源频率−尺度的 缩放关系，峰值频率分布中占比最多的 400～499 kHz 之间的信号应主要来自于钾长石矿物颗粒内部的 破裂. 对于 8(a) 所示大尺度石英颗粒内部的破裂， 无论是界面的摩擦滑移还是张拉分离，都会释放 较低频信号，而由于石英颗粒抗拉强度远大于钾 长石弱矿物颗粒，所以在加载后期才会有较多大 尺度破裂信号产生，致使花岗岩声发射比率突然 降低. 因此，推断 100～199 kHz 区间的信号应主要 来自于石英矿物颗粒内部的破裂；对于大理岩而 言，正如图 9 所示的光滑多面体形状，形貌单一， 主要沿着矿物颗粒边界分离持续产生高频信号， 这也说明大理岩在加载过程中高频信号变化稳 定，致使其声发射比率持续增加. 4    结论 (1) 劈裂荷载下，岩样虽然都以拉伸破坏为主， 产生低 RA 值、高 AF 值的声发射信号，但在裂纹 萌生、扩展过程中，随着内部损伤的加剧，微裂隙 界面彼此相互移动，由于裂纹具有弯曲和非对称 性特点，微裂隙界面间会发生摩擦，裂纹形式由拉 伸裂纹变为剪切裂纹或复合裂纹，致使 RA 值逐渐 IG IG IG IG HV 20.00 kV mag 500× WD 34.7 mm det ETD spot 4.5 mode SE 200 μm FEI Quanta-200 CSU (a) 1.2 (d) Au Ca Au Ca OC Mg 0.9 0.7 0.5 0.2 1 2 3 4 5 6 7 8 0 IG IG IG HV 20.00 kV mag 1000× WD 34.7 mm det ETD spot 4.5 mode SE 100 μm FEI Quanta-200 CSU (c) HV 20.00 kV mag 500× WD 34.6 mm det ETD spot 4.5 mode SE 200 μm FEI Quanta-200 CSU (b) 相对强度 聚片双晶 能量/keV (e) 2.2 O Si C 1.8 1.3 0.9 0.4 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 相对强度 能量/keV 图 9    大理岩劈裂面电镜扫描形貌图. （a）白云石颗粒光滑多面体状形貌图; （b）方解石聚片双晶结构形貌图; （c）图（a）黑圈区域高分辨率下的形 貌图; （d）白云石颗粒能谱图; （e）方解石颗粒能谱图 Fig.9    SEM photos of the fracture surfaces of marble in the Brazilian split test: (a) “smooth polyhedrals” morphology of dolomite; (b) “polycrystalline” morphology  of  calcite;  (c)  high-magnification  morphology  of  the  black  square  in  (a);  (d)  energy  spectrum  diagram  of  dolomite;  (e)  energy  spectrum diagram of calcite · 1430 · 工程科学学报，第 41 卷，第 11 期