刘希灵等：劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 1429 10 4000(a) 1400- (b) 3500 1200 8 3000 <100 kHz <100 kHz 100-199kHz 1000- 100-199kHz 2500 400-499kHz 400-499kHz 6 声发射比率 800 一声发射比率 2000 600 1500- 400 1000 200 0 0.4 0.6 0.8 应力水平 应力水平 图7不同应力水平下的峰值颜率变化.()花岗岩，(b)大理岩 Fig.7 AE peak frequencies at different stress levels:(a)granite;(b)marble 3劈裂面断口形貌特征 发现，花岗岩断口形貌主要有三种类型（如图8(a)~ 扫描电镜(SEM)采用聚焦电子束在试样表面 (©)，通过能谱可以得到各形貌的矿物成分（如 逐点扫描成像，本试验选用的设备型号为FEI 图8(d)~(①)，其中图8b)~(c)的形貌源自钾长石 Quanta-200.加载试验完成后，对试样劈裂面进行 矿物颗粒，图8(a)的形貌源自石英矿物颗粒，图中 超声波清洗及喷金处理，之后将试件放入电镜中 IG表示沿晶破裂，TG表示穿品破裂；大理岩断口 进行观测 形貌主要有两种类型（如图9b)~(C),通过能谱 通过对两种岩石岩样破裂面进行全面扫描后 可以得到各形貌的矿物成分（如图9(d)~(e) 9.4 (d) 3.5 (e) 4.7 (① 7.5 Au 2.8 3.8 Au 5.6 2.8 Si 14 1.9 Au K 0.7 Au Au o a Fe 0 o Fe Fe 0 2468101214161820 2468101214161820 24681012141618 能量keV 能量eV 能量keV 图8花岗岩劈裂面电镜扫描形貌图.()石英颗粒层平坦状形貌图：(b)钾长石台阶状形貌图；(c)钾长石颗粒叠状形貌图；(d)石英颗粒能谱图： ()台阶状钾长石颗粒能谱图：(f)层叠状钾长石颗粒能谱图 Fig.8 SEM images of the splitting surfaces of granite:(a)"smooth planar"morphology of quartz;(b)"sidestep"morphology of k-feldspar,(c)"stack- up"morphology of k-feldspar,(d)energy spectrum diagram of quartz(e)energy spectrum diagram of"sidestep"morphology of k-feldspar,(f)energy spectrum diagram of"stack-up"morphology of k-feldspar 从图1中可知花岗岩主要由石英、钾长石、斜 较好，而钾长石则呈层状破碎结构，且钾长石层间 长石以及少量的黑云母组成，并且可以明显的看 由钾离子键相对较弱的库仑力吸引连接例，这些 出多种矿物颗粒之间耦合，以及单一矿物颗粒内 都很大程度上降低了钾长石的强度，在外力作用下， 部的缺陷、空隙等，这些都是决定岩石宏观物理力 当钾长石的层面平行于受力方向时会形成图8(b) 学特性的重要因素.其中，石英、斜长石的完整性 所示的形貌，当钾长石的层面垂直于受力方向会3    劈裂面断口形貌特征 扫描电镜（SEM）采用聚焦电子束在试样表面 逐点扫描成像 ，本试验选用的设备型号 为 FEI Quanta-200. 加载试验完成后，对试样劈裂面进行 超声波清洗及喷金处理，之后将试件放入电镜中 进行观测. 通过对两种岩石岩样破裂面进行全面扫描后 发现，花岗岩断口形貌主要有三种类型（如图 8(a)～ (c)），通过能谱可以得到各形貌的矿物成分（如 图 8(d)～(f)），其中图 8(b)～(c) 的形貌源自钾长石 矿物颗粒，图 8(a) 的形貌源自石英矿物颗粒，图中 IG 表示沿晶破裂，TG 表示穿晶破裂；大理岩断口 形貌主要有两种类型（如图 9(b)～(c)），通过能谱 可以得到各形貌的矿物成分（如图 9(d)～(e)）. 从图 1 中可知花岗岩主要由石英、钾长石、斜 长石以及少量的黑云母组成，并且可以明显的看 出多种矿物颗粒之间耦合，以及单一矿物颗粒内 部的缺陷、空隙等，这些都是决定岩石宏观物理力 学特性的重要因素. 其中，石英、斜长石的完整性 较好，而钾长石则呈层状破碎结构，且钾长石层间 由钾离子键相对较弱的库仑力吸引连接[28] ，这些 都很大程度上降低了钾长石的强度，在外力作用下， 当钾长石的层面平行于受力方向时会形成图 8(b) 所示的形貌，当钾长石的层面垂直于受力方向会 4000 3500 2500 3000 (a) 2000 1500 1000 500 0 0.6 0.8 <100 kHz 100~199 kHz 400~499 kHz 0.2 0.4 1.0 应力水平 波击数 8 10 6 4 2 0 声发射比率 声发射比率 1400 1200 800 1000 (b) 600 400 200 0 0.6 0.8 <100 kHz 100~199 kHz 400~499 kHz 0.2 0.4 1.0 应力水平 波击数 8 10 6 4 2 0 声发射比率 声发射比率 图 7    不同应力水平下的峰值频率变化. （a）花岗岩; （b）大理岩 Fig.7    AE peak frequencies at different stress levels: (a) granite; (b) marble IG IG IG IG HV 20.00 kV mag 1000× WD 28.3 mm det ETD spot 4.5 mode SE 100 μm FEI Quanta-200 CSU IG (a) (d) 9.4 Au Au Si Al O K Fe Ca 7.5 5.6 3.8 1.9 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 IG IG TG TG HV 20.00 kV mag 1000× WD 30.8 mm det ETD spot 4.5 mode SE 100 μm FEI Quanta-200 CSU (c) TG TG TG HV 20.00 kV mag 1000× WD 31.2 mm det ETD spot 4.5 mode SE 100 μm FEI Quanta-200 CSU (b) 相对强度 能量/keV (e) 3.5 Au Au Si Al O K Fe 2.8 2.1 1.4 0.7 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 相对强度 能量/keV (f) 4.7 Au Au Si Al O K Fe 3.8 2.8 1.5 0.9 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 相对强度 能量/keV 图 8    花岗岩劈裂面电镜扫描形貌图. （a）石英颗粒层平坦状形貌图; （b）钾长石台阶状形貌图; （c）钾长石颗粒叠状形貌图; （d）石英颗粒能谱图; （e）台阶状钾长石颗粒能谱图; （f）层叠状钾长石颗粒能谱图 Fig.8    SEM images of the splitting surfaces of granite: (a) “smooth planar” morphology of quartz; (b) “sidestep” morphology of k-feldspar; (c) “stack￾up” morphology of k-feldspar; (d) energy spectrum diagram of quartz; (e) energy spectrum diagram of “sidestep” morphology of k-feldspar; (f) energy spectrum diagram of “stack-up” morphology of k-feldspar 刘希灵等： 劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 · 1429 ·