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【前沿报道】Geology:岩石亚临界裂缝参数与侵蚀速率
2018-12-06 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  岩体风化对地貌演化、石质文物长期保护以及岩石工程的长期稳定性等有着重要的影响,是地质地貌学、建筑学、工程地质学、矿物学、土壤学和岩石力学等各领域的重要研究内容。利用宇成核素Be测量岩体风化速率是目前一种相对成熟的有效方法,但因其测量的是长时间尺度的地表侵蚀速率,对于短时间尺度的地表侵蚀速率变化不敏感,导致无法准确预测岩体的未来风化速率Perron2017)。越来越多的研究认为,岩石亚临界裂缝的敏感性是驱动和限制岩石侵蚀的主要因素,即岩石亚临界裂缝控制着岩石的物理损伤累积,从而控制岩石的侵蚀速率(图1)。 

  近期,美国北卡罗纳大学学者M. C. Eppes等在Geology上发表了最新研究成果对该理论进行了验证,并第一次获取了可直接测试的数据。他们利用在弗吉尼亚州(美国)蓝岭山脉北部山脊处的采取的岩样,进行Be衍生侵蚀速率、抗压强度Q、裂缝特征和3个亚临界裂缝参数(亚临界裂缝指数n、查尔斯定律速度常数A和断裂韧度KIC)的测定。通过统计分析发现,3个亚临界裂缝参数与岩石的侵蚀速率之间具有很好的拟合关系,相反,岩石的抗压强度与侵蚀速率之间并没有明显的相关性,从而推断亚临界裂缝参数与侵蚀速率密切相关。 

 

1 亚临界裂隙扩展概念图Eppes and Keanini,2017

  露头数据和岩样来自雪兰多国家公园(SNP)山脊线上的20个自然露头,露头具有相似的气候、构造和地貌历史,可以避免这些变量因素对整体侵蚀速率和亚临界裂缝的复杂影响。研究过程如下:(1)首先进行宇成核素Be的同位素测量,估算岩体的风化侵蚀速率,得到平均风化侵蚀速率;(2)进行斯密特锤试验,得到每种岩样的单轴抗压强度Q,并进行双扭转试验,利用试验数据计算出应力强度因子KI、亚临界裂缝的扩展速度V和断裂韧度KIC,利用KIV值画出KV曲线,进行幂指函数拟合,通过公式推导得到nA这两个相关参数值;(3)运用加权最小二乘回归的方法,分析QnAKIC和岩体风化速率之间的关系(图2)。 

  分析结果表明:较低的n值、KIC值和较高的A值均导致亚临界裂缝的快速扩展,且与较高的侵蚀速率相关,Q与侵蚀速率无关;n值与裂缝尖端直接断裂的速率密切相关,因此可以推断n值与侵蚀速率最具相关性;相比之下,可能更受单个样品的特性的影响,QKICA在岩体裂缝的扩展中只起到部分作用。因此,n的测量值可能比其他参数更能代表历史中所有风化裂缝的变化。 

2 亚临界裂缝参数nKICA和岩石抗压强度Q与侵蚀速率的关系(Eppes et al.2018 

  如果这种方法能有效预测岩体风化速率,将对地质灾害的预测及地貌演化提供更加准确的数据支持。 

    

  相关参考文献 

  1. Eppes M C, Keanini R. Mechanical weathering and rock erosion by climatedependent subcritical cracking[J]. Reviews of Geophysics, 2017, 55(2): 470-508.原文链接 
  2. Eppes M C, Hancock G S, Chen X, et al. Rates of subcritical cracking and long-term rock erosion[J]. Geology, 2018, 46(11): 951-954.原文链接 
  3. Perron J T. Climate and the pace of erosional landscape evolution[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2017, 45561-591.原文链接 

    

  (撰稿: 李丽慧崔振东/页岩气与地质工程室)

 
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