在单轴压缩作用下，膨胀作用主导了长白山火山玄武岩的破坏过程

火山岩力学行为及破坏机制研究，揭示膨胀主导型破坏特征及孔隙率影响规律。采用单轴压缩实验结合三维变形监测，发现体积应变局部化可作为宏观破坏预兆指标，强度与杨氏模量随孔隙率增加线性降低但峰值应变无关。为火山稳定性评估提供新依据。

　　

中国秦皇岛燕山大学土木工程与力学学院，邮编066004

摘要

了解火山岩的力学行为和破坏过程对于模拟和评估熔岩穹丘的崩塌至关重要；然而，它们的内部结构高度异质且复杂。本研究探讨了长白山玄武岩导致宏观破坏的变形演变规律，而这些岩石的力学性能和变形演变的系统实验数据一直较为缺乏。单轴压缩实验表明，膨胀作用主导了破坏机制，最终的宏观断裂发生在拉伸应变局部化区域内。压缩应变和剪切应变分量并不总是表现出局部化现象；而且，最终破坏并不对应于明显断层的形成。与压缩应变和剪切应变相比，体积应变膨胀显示出更明显的预兆加速趋势，成为预测灾难性破坏的更可靠指标。破坏过程涉及高度膨胀（局部化膨胀）区域的传播，这些区域的第一个主应变ε₁≥0.3%，而非低膨胀区域（0< />₁≤0.3%）。应变局部化区域的空间分布模式非常复杂。尽管破坏模式多种多样且复杂，但没有明显的断层形成。随着原始孔隙率的增加（从10.59%到22.99%），岩石的强度、杨氏模量、破坏时间和破坏应力呈线性减小。然而，峰值载荷或破坏时的应变并不依赖于原始孔隙率。这些发现有助于更好地理解长白山火山岩的力学和变形行为，并为火山结构的力学模型开发提供了支持。

引言

岩石向破坏方向的脆性变形和加载通常经历几个阶段，反映了微观结构损伤的演变（Rudnicki和Rice，1975）。然而，尽管岩石力学领域取得了显著进展，但预示宏观破坏开始的过程仍然难以捉摸。岩石破坏的复杂性源于损伤效应（包括裂纹、孔隙等）在多个尺度上的影响，这些效应产生了不可预测的非线性过程。识别这些演变中的介观或微观过程对于开发能够描述岩石破坏行为并预测其结果的模型至关重要。

格里菲斯断裂理论描述了单裂纹的扩展过程。然而，裂纹扩展通常涉及多种机制，如开口、剪切以及不同的混合模式，而完整岩石的宏观破坏往往不是由单裂纹扩展引起的。尽管这种类型的模型参数较少且在实际工程应用中易于使用，但它不适合描述复杂的破坏过程——尤其是在宏观破坏前的严重损伤局部化阶段。

玄武岩通常是多孔材料，其孔隙可以肉眼观察到。在多孔岩石中，压实变形可以相对均匀（Wong等人，1992；Wong等人，1997）；然而，它们的力学压实也可能发生局部化（Baud等人，2004；Heap等人，2015）。在低孔隙率岩石中，孔隙空间的膨胀很重要，屈服应力与压力呈正相关（Fischer和Paterson，1989）。相比之下，在高孔隙率岩石中，孔隙率可能在高围压下减小（Edmond和Paterson，1972）。剪切和压实带（Olsson，1999；Issen和Rudnicki，2000）是主导多孔砂岩破坏机制的主要变形现象。火山岩的孔隙分布比砂岩更加不均匀，孔隙的大小和形状也各不相同。例如，墨西哥Colima火山的安山岩微观结构比德国Bentheim砂岩更加异质（Heap等人，2020a；Heap和Violay，2021）。Colima安山岩包含圆形和椭圆形孔隙以及细裂纹，而Bentheim砂岩则主要由相对均匀的圆形孔隙构成（Heap等人，2020a；Heap和Violay，2021）。混合孔隙几何形状以及裂纹的存在导致安山岩的纹理异质性更强。

Heap和Violay（2021）对火山岩的力学行为和破坏模式进行了系统综述。他们得出结论，与花岗岩和多孔沉积岩相比，我们对火山岩的力学行为和破坏模式的理解还不够深入（Heap和Violay，2021）。火山岩中的孔隙空间从具有复杂几何形状的气孔到延伸裂纹或断裂网络不等（Herd和Pinkerton，1997；Schaefer等人，2015；Shields等人，2016；Colombier等人，2017）。火山岩复杂的内部微观结构包括多样的矿物组成和孔隙率，以及不同大小和形状的孔隙（Wright等人，2009；Shea等人，2010；Voltolini等人，2011；Colombier等人，2017；Cashman，2020），这导致它们的力学性能和破坏过程具有显著差异。此外，尽管火山岩的力学行为和破坏模式已经得到了广泛研究，但仍有许多未知之处。

已经开发出复杂的模型来分析熔岩穹丘的破坏机制（Sato等人，1992；Voight和Elsworth，2000；Elsworth等人，2004；Harnett等人，2018）。然而，要准确模拟穹丘崩塌并进行评估，需要合理估计两类参数：一类与内部穹丘结构、喷口几何形状和基底坡度有关，另一类与火山岩的物理和力学性能的准确表征有关。火山和熔岩穹丘的稳定性主要受火山岩的物理和力学性能控制。此外，如杨氏模量之类的力学性能对于建模岩脉和断裂停止/扩展至关重要（Gudmundsson，2002；Geshi等人，2012；Forbes Inskip等人，2020）。因此，弹性分析解和数值模型在火山学中广泛用于解释地表地面变形（Heap等人，2020b）。然而，深入理解火山岩的力学行为和破坏模式对于改进评估火山穹丘或侧翼稳定性的模型至关重要（Okubo，2004；Rodríguez-Losada等人，2009；Borselli等人，2011；Schaefer等人，2013；Heap等人，2021）。

火山岩的强度和力学性能在地热能开发方面也具有重要意义。例如，实验室观察变形和破坏行为对于理解火山岩的物理性能（如弹性波传播的各向异性、渗透率的变化及其演变）至关重要。已经开发了几种方法，包括声发射（AE）、原位X射线计算机断层扫描（CT）和数字图像相关（DIC）来测量变形岩石的变形和破坏演变。AE（Lockner，1993）是一种有效的技术，可用于监测裂纹的起始和扩展，并评估断裂事件的强度。它还可以帮助确定岩石样本中断裂事件的位置（Lockner，1993；Schubnel等人，2007；Goebel等人，2012）。然而，在实验中，只有能够产生超过特定阈值的AE信号的断裂事件才能被该技术识别。此外，AE方法无法检测准静态损伤增长。例如，Lockner（1993）估计，检测到的AE事件仅占花岗岩总损伤的不到1%。另外，尽管AE方法可以揭示断裂事件的发生，但它们无法完全揭示损伤演变对导致宏观破坏的变形模式的影响。X射线CT的空间分辨率高于AE，可以测量岩石样本中更小尺寸的局部损伤。利用这种方法，数字体积相关（Huang等人，2019；Renard等人，2019；Heap等人，2020a；Meng等人，2023）可以通过关联CT图像对来计算位移和应变场。然而，CT方法的一个主要限制是测试样本的尺寸较小。之前的实验室CT研究通常使用的岩石样本只有几十毫米大小（Huang等人，2019；Renard等人，2019；Heap等人，2020a；Cartwright-Taylor等人，2020；Meng等人，2023）。相比之下，火山岩通常包含厘米级或更大的孔隙，这表明需要将CT成像技术应用于更大的样本。

DIC方法（Peters和Ranson，1982；Sutton等人，1983；Pan等人，2009）广泛用于监测变形场的变化。尽管它不直接测量损伤，但该方法可以帮助跟踪被监测表面的位移和变形场时间序列。然而，使用DIC方法展示X射线CT方法测量的尺度上的变形信息具有挑战性。尽管如此，DIC可以揭示大样本整个表面的变形场，并且可以以比X射线CT方法更高的频率捕获和记录图像——也就是说，它可以提供更多关于接近宏观破坏的变形场时间演变的细节。

本研究重点关注了长白山火山玄武岩的变形行为和力学性能的变化，这些方面尚未得到系统研究。监测了两个垂直表面，以获得变形玄武岩样本的变形场时间序列的三维信息。在宏观破坏之前，这种类型的火山玄武岩中没有明显的断层、压实带或局部化剪切带。破坏主要由随机分布的膨胀局部化带主导，破坏轨迹并未形成某种类型的剪切断层，而是形状复杂。

地质背景

长白山（Paektu）火山（东经127°00′–129°00′，北纬41°20′–42°40′）（图1）位于中国和朝鲜民主主义人民共和国的边界，被认为是东北亚乃至全球最危险的火山之一（Wei等人，2013）。然而，长白山的火山活动仍不清楚。长白山是一个大型的板内层状复合火山（Liu等人，2015；Sun等人，2018），发生过多次大规模喷发。

具有不同孔隙率的样品的应力、应变、强度和破坏模式

从长白山火山同一地点采集的样品在强度、应变和破坏时间上表现出差异（图8）。样品的介观结构异质性导致了它们特定的力学性能、变形和破坏行为。单轴压缩强度（峰值压缩应力）（图8a）和杨氏模量（图8b）随着样品孔隙率的增加而线性减小，这意味着玄武岩的强度

孔隙率对玄武岩力学行为和破坏的影响

火山岩中不同类型的孔隙空间导致穹丘岩石和熔岩的力学行为多样性（Heap等人，2016；Coats等人，2018；Heap等人，2019；Heap和Violay，2021）。目前的实验结果表明，不同样品中的不同孔隙率是导致单轴压缩强度和杨氏模量异质性的内在原因。

结论

由于孔隙率和复杂的微观结构，长白山火山玄武岩在力学参数、变形场演变和破坏时间方面表现出明显的样品特异性。玄武岩的强度、杨氏模量、密度和破坏时间随着孔隙率的增加而减小。然而，总体平均压缩应变——特别是破坏时的总体体积应变——并不依赖于孔隙率。因此，应变及其演变

CRediT作者贡献声明

彭崔：撰写——初稿，数据整理。郝胜旺：撰写——审稿与编辑，资金获取，概念构思。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：12472083）的支持。

未引用的参考文献

Eberhardt，2014

Harnett等人，2019

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。