砂岩预存损伤对其动态碎裂行为的影响机制研究

本研究通过热处理模拟砂岩预存损伤，利用改进的Split Hopkinson Pressure Bar（SHPB）装置开展动态拉伸实验，揭示了α-β石英相变温度（450°C）下强度拐点及负泊松比现象，发现拉伸载荷可形成局部孔隙率增加25%的膨胀带（dilation bands）及类赫兹接触裂纹（Hertzian fractures），为地震破裂、滑坡等近地表动态过程提供微观力学依据。

　　

在地球浅表层的动态地质过程中，如地震破裂、陨石撞击和滑坡，岩石的碎裂行为往往受到预存损伤的深刻影响。这些损伤可能源自构造变形、剥蚀或断层活动，表现为微裂缝网络或矿物学变化，显著改变岩石的力学响应。然而，传统研究多聚焦于静态条件或压缩载荷下的变形特征，对动态拉伸载荷下预存损伤如何调控碎裂机制的认识仍存在空白。尤其值得注意的是，膨胀带（dilation bands）——一种以孔隙扩张为特征的变形结构——因其在高压环境下的低保存率而鲜少被记录，但其在瞬态拉伸应力场（如地震波传播时）中的潜在重要性不容忽视。

针对这一科学问题，美国俄亥俄州立大学的研究团队选择Berea砂岩为研究对象，通过梯度热处理（250°C至850°C）人工引入预存损伤，模拟自然损伤状态。利用改进的Split Hopkinson Pressure Bar（SHPB）装置施加动态拉伸载荷（应变率10^-3-10² s^-1），结合光学显微镜和扫描电镜（SEM）分析，系统研究了损伤对动态碎裂行为的影响。该成果发表于《Journal of Structural Geology》，为理解近地表动态过程的微观力学机制提供了新视角。

关键技术方法包括：1）采用SHPB装置实现高应变率动态拉伸加载；2）通过热处理（250°C、450°C、650°C、850°C）诱导微裂缝和石英相变（α-β transition）；3）超声波测量P/S波速和泊松比；4）显微结构分析（光学/SEM）定量表征碎裂模式。

主要研究结果

1. 动态强度与损伤温度的非线性关系
   450°C热处理后砂岩拉伸强度达峰值（较未处理样品提升约20%），超过此温度后强度骤降。这一拐点与石英α-β相变温度（573°C）邻近，表明矿物相变弱化了颗粒结合力。

2. 负泊松比现象
   在>250°C热处理样品中，特定方向的泊松比转为负值，反映微裂缝定向排列导致的异常横向膨胀效应。

3. 碎裂模式转变
   ≤450°C时以颗粒间断裂（intergranular）为主；≥650°C时颗粒内断裂（intragranular）占比显著增加，SEM观察到源自颗粒接触点的放射状裂纹，其形态类似压缩载荷下的赫兹裂纹（Hertzian fractures），但缺乏颗粒边界扭曲特征。

4. 膨胀带形成机制
   动态拉伸下，永久应变通过三种途径实现：I型裂缝、膨胀带和孔隙扩张。局部孔隙率增幅可达25%，为瞬态拉伸应力场（如地震破裂前缘）的能量耗散提供新解释。

结论与意义
该研究首次系统揭示了预存损伤对砂岩动态拉伸碎裂的调控机制：1）提出“接触点张裂模型”，解释拉伸载荷下类赫兹裂纹的形成；2）证实膨胀带是动态拉伸的重要失效形式，弥补了该类结构在自然样本中识别困难的认知缺口；3）通过与美国圣安德烈斯断层和俄亥俄州Serpent Mound撞击坑天然样本的对比，发现动态拉伸可产生独特的碎裂组构（如无扭曲的放射状裂纹），为野外鉴别古地震或撞击事件提供微观标志。

这些发现对地质灾害预测具有深远意义：地震破裂传播模型需纳入损伤依赖的强度-应变率关系；滑坡动力学模拟应考虑孔隙率瞬变对流体压力的影响；陨石撞击研究则可借鉴实验中的碎裂模式来反演撞击应力场特征。研究团队特别指出，未来需结合原位观测验证膨胀带的动态形成条件，并探索多物理场耦合（如热-流-固）下的损伤演化规律。