水化学效应对宏观破裂砂岩中次生裂纹演化及脆性蠕变的影响

《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》：Hydrochemical effects on secondary crack evolution and brittle creep in macrofractured sandstone

　　

•水化学条件改变了次级裂纹的演化和蠕变稳定性。
•主裂缝定向角（θ）识别主导破坏模式。
•临界 θ = 0° 边界区分了高和低蠕变爆裂倾向。
•次级裂纹合并从向左横向剪切转变为向右横向剪切。
•雁列裂纹促进渐进且稳定的裂缝扩展。

引言
岩石的时变变形和破裂在控制地球上部地壳 [1] 的长期稳定性以及包括地下开挖 [2]、能源储层 [3]、钻孔 [4] 和地质储存设施 [5] 在内的广泛地下工程系统中起着关键作用。在此类条件下，岩体通常是在亚临界应力条件下经过长时间逐渐变形，而不是瞬间破坏。这种行为的一个关键表现是脆性蠕变，即在远低于其短期强度的持续应力下，岩石发生渐进变形并最终延迟破坏 [1]。脆性蠕变被广泛认为受微裂纹的萌生、扩展和合并控制，并受到环境因素的强烈影响，特别是水溶液的存在 [1]。在各种岩石类型中都观察到了脆性蠕变，包括砂岩 [6]、花岗岩 [7]、石灰岩 [8]、页岩 [9] 和玄武岩 [10]。岩石中的脆性蠕变，以及塑性域下砂岩中的压实蠕变 [11]，被认为是由亚临界裂纹扩展过程驱动的，其中应力腐蚀可能是最重要的 [1], [12]；尽管诸如压溶作用等机制在石灰岩中可能很重要 [13]。

对完整岩石的大量研究表明，脆性蠕变主要受应力腐蚀驱动的亚临界裂纹扩展控制，并显著受应力水平 [1]、围压 [6]、饱和度 [14]、温度 [15] 和流体化学性质，特别是依赖 pH 的水 - 岩相互作用 [16], [17] 的影响。在化学活性环境中，依赖 pH 的裂纹尖端反应促进了持续加载下的缓慢裂纹扩展和延迟破坏 [1], [18]。这些过程也可能影响裂纹轨迹、相互作用和合并行为。然而，尽管这些研究确立了完整岩石脆性蠕变的微机械基础 [19], [20]，但它们在裂隙岩体系统中的适用性仍然有限，在这些系统中变形和破坏强烈受预先存在的不连续面和局部裂纹相互作用控制。

在自然和工程环境中，岩体通常包含预先存在的宏观裂缝，这从根本上改变了变形和破坏过程 [21], [22], [23]。在此类系统中，变形高度局部化，破坏主要由源自裂缝尖端的裂纹相互作用、扩展和合并控制。与完整岩石相比，宏观裂隙岩石表现出更复杂的裂纹演化路径和对应力重新分布的更大敏感性 [24], [25]。以往关于宏观裂隙岩石中裂纹扩展的研究主要集中在准静态加载条件下，此时破坏通常发生在短时间内（分钟或几十分钟量级 [26]）。这些研究主要调查初级（翼状）裂纹和次级裂纹的发展（见综述文章 [25], [27], [28]）。在宏观裂隙岩石的背景下，初级和次级裂纹是根据其形成顺序和机械特性区分的。初级裂纹，通常表现为翼状裂纹，一般在加载早期形成，主要是张性（I 型）断裂。它们通常沿稳定的曲线路径向最大主应力方向扩展。次级裂纹随后形成，表现出更复杂的扩展路径和混合模式或以剪切为主的特性 [25]。与初级裂纹，特别是常研究的翼状裂纹相比，次级裂纹的演化和机械作用受到的关注相对较少 [29]。

相比之下，在蠕变加载条件下的相应研究仍然相对有限，特别是对于含有预先存在宏观裂缝的岩石。现有对裂隙岩石的研究表明，蠕变变形和破坏强烈受缺陷倾角、应力水平和环境条件的影响 [30], [31], [32]，并且破坏机制可能从岩体基质主导转变为裂缝控制行为 [30], [33]。此外，渐进性损伤积累、裂纹相互作用和裂缝合并已被认为是控制裂隙岩体系统时变破坏的关键过程 [34], [35]。然而，这些研究大多数主要关注宏观蠕变响应和破坏特性，而裂纹萌生、相互作用和合并的详细机制——尤其是次级裂纹的结构演化——仍然理解不足。这一局限性很重要，因为次级裂纹通常构成裂缝合并的主要路径，并最终控制裂隙岩石中的蠕变不稳定性 和宏观破坏。

使用数字图像相关法（DIC），薛等人 [24] 调查了干燥宏观裂隙砂岩的时变开裂和脆性蠕变行为，揭示次级裂纹由两个不同的部分组成：一个相对笔直的主裂缝和一个弯曲的尾部裂缝（图 1a-b）。主裂缝，也称为剪切带或剪切节理 [36], [37]，容纳剪切位移，可分类为向左横向和向右横向剪切模式 [38]。尾部裂缝，可能表现出翼状、折角状或分叉状几何形态 [39], [40], [41], [42], [43], [44]，通常以相对于主裂缝的张性开启和曲率为特征。基于沿主裂缝的剪切位移，次级裂纹可分类为向左横向和向右横向剪切类型 [24]，这可以从主裂缝两侧的相对位移或尾部裂缝的偏转方向识别出来：尾部裂缝逆时针偏转表示向左横向剪切，而顺时针偏转对应向右横向剪切 [38]。在本研究采用的术语中，主裂缝和尾部裂缝被视为次级裂纹的两个不同形态组成部分。

重要的是，实验观察表明，主裂缝既不沿预先存在缺陷的方向扩展，尾部裂缝也不沿主裂缝的方向扩展。相反，两者都表现出突然的方向偏转（折角）[24], [38], [39]，如图 1c-d 所示。相邻裂缝段之间的角度定义为折角 [41], [45]，包括主裂缝相对于预先存在缺陷的 k1 和尾部裂缝相对于主裂缝的 k2，如图 1e 所示。相邻裂缝段之间的交点称为折点。这些结构特征建立了裂缝几何形状与宏观破坏模式之间的直接联系，为解释裂隙岩石中的裂纹相互作用和合并提供了机制框架。

尽管有上述进展，水化学环境对宏观裂隙岩石中次级裂纹演化和脆性蠕变的影响仍然知之甚少。在地下环境中，孔隙流体很少是化学中性的；地下水和矿井水由于溶解气体（如 CO?）或硫化物氧化通常呈酸性 [46], [47]，而地热储层通常包含 pH 值较低的高盐度热液卤水 [48]。此类环境会影响应力腐蚀和亚临界裂纹扩展 [49]，从而改变变形行为和裂缝演化。虽然水环境在完整岩石蠕变中的作用已被广泛认可，但它们在宏观裂隙岩石中对次级裂纹扩展、主裂缝发育、裂纹合并和蠕变不稳定性的影响基本上仍未被探索。特别是，尚不清楚水化学条件如何影响次级裂纹的几何形状和运动学，它们是否改变主导破坏模式，以及是否可以建立定量参数来联系次级裂纹演化与蠕变不稳定性。此外，尚未有研究建立定量准则来联系水化学条件下次级裂纹几何形状和演化与蠕变爆裂倾向。

为了解决这些突出问题，本研究调查了不同水化学条件下宏观裂隙砂岩的时变开裂和脆性蠕变行为。基于我们之前关于干燥条件下宏观裂隙砂岩脆性蠕变的工作 [24]，本研究引入了受控 pH 环境来检查它们对变形和破坏过程的影响。对具有不同倾角预先存在缺陷的砂岩试样进行了单轴阶梯应力蠕变试验。本研究的目标是：（1）表征水化学条件对脆性蠕变变形和不稳定性特征的影响；（2）阐明时变破坏期间次级裂纹的演化及其合并行为；（3）建立主裂缝几何形状、蠕变不稳定性和破坏模式转变之间的定量关系；（4）揭示水化学环境调节宏观裂隙砂岩中裂缝扩展和脆性蠕变行为的机制。

结果提供了新的见解，了解水化学环境如何通过它们与裂缝几何形状的相互作用来调节次级裂纹演化、裂缝合并和脆性蠕变不稳定性。通过引入主裂缝定向角作为次级裂纹演化和破坏行为的定量描述符，本研究建立了一个机制框架，联系宏观裂隙岩石中的水化学效应、蠕变爆裂倾向和破坏模式转变。这些发现有助于更全面地理解裂隙岩体系统中的化 - 力耦合，并对评估暴露于化学活性地下水的地下结构的长期稳定性具有重要意义。

片段
岩石试样
本研究使用的岩石材料是来自中国泸州市的细粒（50–300 μm）黄砂岩，非常适合在受控实验室条件下研究裂缝和变形行为 [24]。所研究砂岩的矿物成分主要是石英（42.9%）和斜长石（35.8%），并有少量方解石、粘土矿物、钾长石和无水石膏 [24]。砂岩的连通孔隙率为 11.3 ± 0.75% [24]。

长方体试样

不同 pH 条件下的脆性蠕变行为
图 3 展示了具有不同缺陷倾角（β）的裂隙砂岩试样在 pH 1.82 和 pH 5.6 条件下的轴向和侧向（径向）蠕变响应，以及广义泊松比的演化。在阶梯应力加载期间，所有试样在破坏前均表现出减速蠕变随后是加速蠕变，无论 pH 条件如何。虽然在两种水环境下的总体蠕变响应相似，但存在明显差异

pH 和缺陷倾角对脆性蠕变变形和不稳定性的耦合效应
实验结果表明，宏观裂隙砂岩的脆性蠕变行为受水化学条件和缺陷倾角（β）的耦合效应控制。如图 3 所示，蠕变曲线在阶梯应力加载下表现出从减速蠕变到加速蠕变的特征转变，这与传统蠕变试验中观察到的自相似蠕变行为一致 [6]。这表明时变变形仍然由脆性蠕变主导

结论
宏观裂隙砂岩的脆性蠕变行为由水化学条件和缺陷倾角共同控制。虽然在不同 pH 条件下测试的试样表现出大致相当 的最终蠕变应变，但水化学环境显著影响蠕变变形稳定性和裂缝演化。它们的影响主要通过裂纹扩展和合并行为的变化表现出来，而不是通过蠕变变形的最终大小。

CRediT 作者贡献声明
薛彦超：撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，调查，概念化。
徐涛：撰写 – 审查和编辑，监督，项目管理，资金获取。
迈克尔·J·希普：撰写 – 审查和编辑，监督。
孙文彬：撰写 – 审查和编辑，项目管理。
阿列克谢·A·霍雷肖克：监督，资源，项目管理。
刘子辰：方法论，形式分析，数据管理。
刘永开：方法论，形式分析，数据

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，可能会影响本论文报道的工作。

致谢
这项工作得到了国家重点研发计划（2025YFE0112900）；山东省自然科学基金（ZR2026MS0800）；以及山东省高等学校青年创新团队科技支撑计划（2024KJH068）的支持。M. Heap 感谢法国大学学院（IUF）的支持。这是跨学科主题研究所 GeoT 的工作，作为大学 ITI 2021–2028 计划的一部分

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