分析围岩温度依赖粘弹性质对岩脉亚临界传播的影响

2011-9-21 22:32 来源: 中国科学院
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  一般认为,来自深部的岩浆,在地壳底部或在地壳内部形成岩浆房,在岩浆房超压力、岩浆与围岩的密度差引起的浮力、岩浆运移过程的粘滞力及构造应力的联合作用下,岩浆在地壳中会以岩脉的形式传播。在岩浆传播机制中,当岩浆房超压力不太大时,岩脉顶端的应力强度因子小于围岩的临界应力强度因子,岩脉不会迅速运移,但由于围岩的粘弹性质,岩脉将以裂纹亚临界扩展的方式缓慢增长。有关这种岩脉传播的速度和影响因素以及与岩浆固化作用的关系仍有待深入探讨。

  中科院地质与地球物理研究所地球深部结构与过程研究室副研究员陈祖安与合作者美国缅因州立大学靳志和博士通过研究,不仅首先发现岩脉亚临界增长现象,而且进一步考虑了温度依赖岩石介质的粘弹性力学性质对岩脉亚临界增长产生的影响。其方法是:首先将岩脉在地壳中的传播简化成一半无穷空间的边界裂纹扩展问题,裂纹内部充满岩浆;利用解析方法计算了带有高温岩浆的岩脉周围温度场的分布;再利用摄动和积分方程相结合的方法求解岩脉扩展的断裂力学问题岩脉尖端的应力强度因子;然后在考虑围岩粘弹性温度依赖的性质下,根据裂纹扩展能量守恒方程,得到了不同岩浆温度下,裂纹亚临界增长速度与岩脉长度的关系式。使用围岩和岩浆的典型物性参数值,估计了不同岩浆温度下和不同岩脉长度时岩脉的扩展速度。温度越高,岩脉长度越长,则扩展速度越大,量级在10-7-10-4m/s范围内。考虑岩浆温度效应比不考虑温度效应,扩展速度大一个量级。由此使得岩脉有可能在固化作用之前进入快速传播阶段。此结果对估计超压力和岩浆温度大小对岩脉扩展过程作用有了深一层次的认识。

  该研究成果近期发表在地球物理领域的国际知名期刊Geophysical Journal International上 (Zuan Chen Z.-H. Jin. Subcritical dyke propagation in a host rock with temperature-dependent viscoelastic properties, Geophysical Journal International, (2011) 186, 1095–1103, doi:10.1111/j.1365-246X.2011.05113.x)。