巖石作為地球地殼的主要構(gòu)成物質(zhì)之一，其微觀結(jié)構(gòu)對于了解地質(zhì)過程、資源勘探以及工程建設具有重要意義。按照巖石的成因，可以把它們分為三類：巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。在地球表面，沉積巖占據(jù)75%的份額，而在地殼深度，則主要是巖漿巖和變質(zhì)巖所組成，大概占到地殼體積的95%。巖石的破壞失穩(wěn)過程本質(zhì)上是其在受力過程中微裂紋萌生、擴展和貫通的結(jié)果，是巖石微結(jié)構(gòu)累積的變形破壞的宏觀反映。巖石內(nèi)的初始微缺陷，如孔洞、微裂隙和顆粒邊界等雜亂無章地分布，導致其在受載時新生裂紋的隨機分布。初始微缺陷的尺寸在某種程度上對巖石的細觀裂紋擴展和宏觀破壞失穩(wěn)起到?jīng)Q定作用。

近年來，隨著掃描電鏡技術(shù)在巖石實驗中的運用，許多學者得以對巖石試樣進行細觀實驗研究，并取得了一定成果。本文使用澤攸科技ZEM系列臺式掃描電鏡，從三大類巖石中選出來了花崗巖、砂巖、片麻巖、泥巖等樣品，通過對不同種類的巖石在特定作用下的破壞特征進行表征，得到的不同的裂紋擴展表征照片后進行分析，旨在深入理解巖石破壞失穩(wěn)的微觀機理，為巖石工程和地質(zhì)災害防治提供理論支持和技術(shù)指導。

花崗巖是巖漿巖的一種，它們是由地下深處的巖漿在地殼中冷卻凝固形成的巖石。根據(jù)其固結(jié)位置和形成方式，巖漿巖可分為侵入巖和噴出巖兩類。

圖 巖漿巖的產(chǎn)狀

侵入巖是指巖漿在地下深入時，在地殼內(nèi)部冷卻凝固形成的巖石。巖漿沿著地殼薄弱帶上升，但尚未到達地表就已經(jīng)固結(jié)，這一過程稱為侵入活動。噴出巖則是指巖漿沿著地球構(gòu)造裂隙上升，通過火山通道噴出地表形成的巖石，也稱為火山巖。巖漿在地下凝固時，會形成不同的形態(tài)，如巖基、巖墻、巖床、巖盆、巖蓋、巖脈等產(chǎn)狀。火山巖的產(chǎn)狀與其噴發(fā)方式有關(guān)，包括中心式噴發(fā)、裂隙式噴發(fā)和熔透式噴發(fā)等形態(tài)。

圖 花崗巖表征圖

利用ZEM系列臺式掃描電鏡從微觀結(jié)構(gòu)來看，花崗巖主要分為石英顆粒的平坦狀形貌、鉀長石顆粒的層疊狀和臺階狀形貌。觀察到花崗巖樣品在受力過程中微裂紋的萌生、擴展和貫通過程，裂紋呈現(xiàn)出不規(guī)則的分布模式。其中，相比石英顆粒，鉀長石抗拉強度較低，屬于弱礦物顆粒，裂紋更多會在鉀長石顆粒中擴展，形成小尺度破裂，如果受力方向平行于層面則形成層疊狀的形貌，反之產(chǎn)生臺階狀的形貌。

圖 沉積層序

砂巖與泥巖是沉積巖的一種，它們是地表豐富的一類巖石，在常溫常壓條件下，由風化作用、生物作用和某些火山作用產(chǎn)生的碎屑物質(zhì)，經(jīng)過搬運、沉積和成巖等一系列地質(zhì)過程而形成的巖石。形成環(huán)境包括河流、湖泊和海洋，在水動力條件減弱的情況下，沉積下來，壓實成巖。

圖 不同顆粒砂巖的表征圖

上圖可以看出，砂巖微觀結(jié)構(gòu)主要呈顆粒狀，砂巖樣品的破壞特征主要表現(xiàn)為砂粒之間的斷裂和破碎，裂紋沿著砂粒邊界擴展。隨著顆粒粒徑的減小，顆粒的密實程度有所提高，粗粒砂巖顆粒之間的孔隙清晰可見，中粒砂巖的孔隙規(guī)模明顯減小，而細粒砂巖顆粒排列緊密、孔隙微小。

圖 含水泥巖與干燥泥巖表征圖

圖 泥巖注漿表征圖

含水泥巖樣品在受力過程中，水泥基質(zhì)和骨料之間的結(jié)合力發(fā)生破壞，裂紋沿著水泥基質(zhì)中的孔隙擴展。而干燥泥巖樣品的破壞特征主要表現(xiàn)為顆粒之間的剝離和分離，裂紋呈現(xiàn)出扭曲和交錯的形態(tài)。泥巖注漿樣品的破壞過程中，注漿物質(zhì)與泥巖基質(zhì)之間的結(jié)合發(fā)生破壞，裂紋呈現(xiàn)出沿著注漿界面擴展的特征。

圖 片麻巖

片麻巖是變質(zhì)巖的一種，地球上已經(jīng)形成的巖石，包括巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖，隨著地殼的不斷變化，其物理化學條件發(fā)生改變，導致巖石在固態(tài)的條件下發(fā)生礦物成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造上的變化，形成的巖石，稱為變質(zhì)巖。根據(jù)變質(zhì)作用的主要因素和地質(zhì)條件可分為動力變質(zhì)巖、接觸變質(zhì)巖、區(qū)域變質(zhì)巖和混合巖化等，片麻巖就屬于區(qū)域變質(zhì)巖。

圖 片麻巖表征圖

從片麻巖的微觀表征中可以看到，其在破壞過程中，礦物顆粒之間的界面發(fā)生分離和斷裂，裂紋呈現(xiàn)出交錯和網(wǎng)狀的特征，定向排列形成“片麻狀構(gòu)造”。與通常的花崗巖相比，巖體中礦物出現(xiàn)定向排列，并且部分顆粒有拉長現(xiàn)象，顯微花崗質(zhì)包體也有拉長現(xiàn)象，但是顆粒內(nèi)部沒有塑性變形，這可以與韌性變形相區(qū)別。

不難發(fā)現(xiàn)，不同種類巖石的初始損傷的程度和尺度都存在很大差別，這與巖石的組構(gòu)和成巖過程有關(guān)，巖石由于組構(gòu)不同造成的非均勻性，對其受載時的變形特征和破壞失穩(wěn)起決定作用。預置的大尺寸結(jié)構(gòu)對宏觀主裂紋的形成部位和擴展方向起控制作用。本研究通過觀察不同種類巖石在在特定作用下的破壞特征，揭示了微缺陷對巖石破壞失穩(wěn)的控制作用。ZEM系列臺式掃描電鏡在巖石微觀結(jié)構(gòu)研究中具有重要的應用價值，為巖石工程設計和地質(zhì)災害防治提供了理論支持和技術(shù)指導。

下一期我們將會借助ZEM系列臺式掃描電鏡并搭配EDS能譜儀進行巖石的元素成分分析，大家敬請期待哦~

參考文獻：

1.劉希靈, 劉周, 李夕兵, 韓夢思, 楊柳青. 劈裂荷載下的巖石聲發(fā)射及微觀破裂特性[J]. 工程科學學報, 2019, 41(11): 1422-1432. DOI: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.29.005

2.黃明利, 唐春安, 朱萬成. 巖石單軸壓縮下破壞失穩(wěn)過程 SEM 即時研究[J]. 東北大學學報 (自然科學版), 1999, 20(4): 724-728.

3.周麗云,王瑜.深部巖漿流動形成的巖石的特征及其與糜棱巖、片麻巖的比較——以華北北緣隆化地區(qū)古生代晚期大光頂巖體為例[J].地質(zhì)通報,2012,31(4):541-548