一种互层岩体层理微结构非协调变形多尺度测定方法与流程

本发明涉及层状岩体变形技术领域，具体涉及一种互层岩体层理微结构非协调变形多尺度测定方法。

背景技术：

层状岩体因层理上下两种岩体结构及物性差异，往往是导致地下岩体工程损伤破坏的重要因素。以层状岩体中的层状盐岩为例：层状盐岩自身结构特征及沉积构造特征是决定其力学行为的基础，从微观方面分析岩体起裂规律为宏观分析提供依据。对于单一盐岩层，国内外学者开展的研究成果很多，通过研究发现，盐岩这类岩体的变形机制主要由多晶结构所致，如位错滑移、多晶化、晶界迁移、压溶以及在低围压下的晶界微破裂等。泥岩或石膏岩体易受水软化，应力作用时易分层破坏。CT扫描技术、电镜和压汞法可以测试层状盐岩中盐岩与泥岩夹杂的细观结构及孔隙率，但无法同时分析两种岩体之间的差异性变形。

泥岩和盐岩力学特性上的不匹配导致二者界面附近泥岩体等效受到横向拉伸应力作用。岩性差异使得岩层层理破坏表现不同特征，盐岩与夹层间存在的力学特性差异及变形不协调，盐岩和夹层的蠕变率相差近2个量级，这使得含夹层盐岩体的破坏过程相当复杂，影响储库安全性。

本发明的发明人经过研究发现，层状岩体的力学属性受到组分、沉积环境、地质演化等诸多因素影响，层理面的强度也是有强有弱，研究要点在层状盐岩整体，而忽略了层理本身的相关物理力学特性。采取合适的手段系统研究互层岩体层理微结构特性、产状构造规律等物性及变形破坏规律，将有利于有效分析地下储库的稳定性和密闭性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的对层状岩体的研究要点在层状岩体整体，而忽略了层理本身相关物理力学特性的技术问题，本发明提供一种互层岩体层理微结构非协调变形多尺度测定方法，该方法采取合适的手段系统地研究互层岩体层理微结构特性、产状构造规律等物性及变形破坏规律，有利于有效分析地下储库的稳定性和密闭性。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种互层岩体层理微结构非协调变形多尺度测定方法，所述测定方法包括如下步骤：

S1、微观尺度层理位错分析：利用电镜用原位拉压加载仪结合电子显微镜分析层理的微观结构形变，再利用聚焦离子束切割技术分析岩体晶粒、夹层及层理界面微观裂纹形貌特征，揭示微裂纹起裂规律；

S2、细观尺度层理形变量化分析：利用电镜用原位拉压加载仪结合超景深显微镜进行层理应力变形试验，该层理应力变形试验采用超景深三维显微成像系统实现，所述超景深三维显微成像系统包括基座，设于所述基座上的超景深显微镜、吹气管和支架，所述支架上固定有电镜用原位拉压加载仪，所述电镜用原位拉压加载仪上设有凹槽，所述凹槽内安装有试件，所述试件可通过设于凹槽左右两侧的应力模块施加应力，所述凹槽的底部设有给试件加热的加热器，所述超景深显微镜的成像镜头位于试件上方，所述吹气管用于排除加载产生的碎屑；试验时采用超景深显微镜中的三维成像测量软件，定量分析岩体、夹层、互层岩体试件的应力作用过程差异性形变特征，从而量化分析层理区域形变规律；

S3、宏观尺度层理差异性变形分析：开展互层岩体单轴压缩试验和剪切试验，试件泥岩竖直方向上安装应变式位移传感器，同时利用CT扫描仪对试件做跟踪扫描，根据所述应变式位移传感器监测数据和CT扫描仪扫描图像综合分析在不同条件下加载过程中层理两侧岩体的形变差异，再利用微米级精度的三维激光扫描仪分析层理破裂面形貌；

S4、结合前述微观位错、细观形变和宏观变形特性，通过建模软件Matlab建立互层岩体层理微观位错变形向宏观裂隙扩展非协调变形模型。

进一步，所述电子显微镜采用GATAN电子显微镜。

进一步，所述超景深显微镜采用基恩士超景深三维显微镜。

与现有技术相比，本发明提供的互层岩体层理微结构非协调变形多尺度测定方法，从微观尺度层理位错、细观尺度层理形变和宏观尺度层理差异性变形进行分析，并在前述分析的基础上建立互层岩体层理微观位错变形向宏观裂隙扩展非协调变形模型，即从多尺度测定不同层理构造的非协调变形特性，实现了系统地研究互层岩体层理微结构特性、产状构造规律等物性及变形破坏规律，有利于有效分析地下储库的稳定性和密闭性。

附图说明

图1是本发明提供的超景深三维显微成像系统结构示意图。

图2是本发明提供的互层岩体层理非协调变形多尺度测定方法流程示意图。

图中，1、基座；2、超景深显微镜；3、吹气管；4、支架；5、电镜用原位拉压加载仪；6、试件；7、加热器；8、试验加载控制系统；9、超景深显微镜图像控制系统。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图2所示，本发明提供一种互层岩体层理微结构非协调变形多尺度测定方法，所述测定方法包括如下步骤：

S1、微观尺度层理位错分析：利用电镜用原位拉压加载仪结合电子显微镜分析层理的微观结构形变，再利用聚焦离子束(Focused Ion beam，FIB)切割技术分析岩体晶粒、夹层及层理界面微观裂纹形貌特征，揭示微裂纹起裂规律；其中，所述利用电镜用原位拉压加载仪结合电子显微镜分析层理的微观结构形变具体包括：裂纹产生位置、裂纹扩展方向、裂纹演化规律；所述利用聚焦离子束切割技术分析岩体晶粒、夹层及层理界面微观裂纹形貌特征具体包括：观测区域选定、利用离子束进行切割、电镜扫描观测；

S2、细观尺度层理形变量化分析：利用电镜用原位拉压加载仪结合超景深显微镜进行层理应力变形试验，该层理应力变形试验采用超景深三维显微成像系统实现，请参考图1所示，所述超景深三维显微成像系统包括基座1，设于所述基座1上的超景深显微镜2、吹气管3和支架4，所述支架4上固定有电镜用原位拉压加载仪5，所述电镜用原位拉压加载仪5上设有凹槽，所述凹槽内安装有试件6，所述试件6可通过设于凹槽左右两侧的应力模块施加应力，所述凹槽的底部设有给试件6加热的加热器7，所述超景深显微镜2的成像镜头位于试件6上方，所述吹气管3用于排除加载产生的碎屑；试验时采用超景深显微镜中的三维成像测量软件，定量分析岩体、夹层、互层岩体试件的应力作用过程差异性形变特征，从而量化分析层理区域形变规律；其中，所述定量分析岩体、夹层、互层岩体试件的应力作用过程差异性形变特征具体包括：盐岩的变形和夹层的变形；所述量化分析层理区域形变规律具体包括：两种岩石相对变形量和界面裂纹扩展量；所述超景深三维显微成像系统还包括对电镜用原位拉压加载仪5进行控制的试验加载控制系统8以及对超景深显微镜2进行控制的超景深显微镜图像控制系统9；

S3、宏观尺度层理差异性变形分析：开展互层岩体单轴压缩试验和剪切试验，试件泥岩竖直方向上安装应变式位移传感器，同时利用CT扫描仪对试件做跟踪扫描，根据所述应变式位移传感器监测数据和CT扫描仪扫描图像综合分析在不同条件下加载过程中层理两侧岩体的形变差异，再利用微米级精度的三维激光扫描仪分析层理破裂面形貌；其中，根据所述应变式位移传感器监测数据和CT扫描仪扫描图像综合分析在不同条件下加载过程中层理两侧岩体的形变差异具体包括：两种岩体变形量的差异；所述利用微米级精度的三维激光扫描仪分析层理破裂面形貌具体包括：试件表面三维形貌及变形区域分布；

S4、结合前述微观位错、细观形变和宏观变形特性，通过建模软件Matlab建立互层岩体层理微观位错变形向宏观裂隙扩展非协调变形模型。

与现有技术相比，本发明提供的互层岩体层理微结构非协调变形多尺度测定方法，从微观尺度层理位错、细观尺度层理形变和宏观尺度层理差异性变形进行分析，并在前述分析的基础上建立互层岩体层理微观位错变形向宏观裂隙扩展非协调变形模型，即从多尺度测定不同层理构造的非协调变形特性，实现了系统地研究互层岩体层理微结构特性、产状构造规律等物性及变形破坏规律，有利于有效分析地下储库的稳定性和密闭性。

作为具体实施例，所述电子显微镜采用GATAN电子显微镜，由此可以很好地观测试件微结构特征及矿物成分。

作为具体实施例，所述超景深显微镜采用基恩士超景深三维显微镜，由此能够实现多种显微镜观测，从宏观尺度的立体成像到SEM的详细分析；同时还支持许多观测方法，包括透射照明观测、偏光照明观测和微分干涉观测。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。