单轴条件下砂岩三维破裂过程的CT观测

岩石破裂过程研究一直是岩石力学专家关注的重要问题。本文采用特制的三轴压力仪与医用西门子SOMATOM -plusCT扫描仪结合 ,对砂岩进行了室内单轴压缩试验。通过对砂岩的CT图像和密度损伤增量与应力关系曲线分析 ,结果显示 ,砂岩的破裂演化过程可分为初始损伤的压密、裂纹出现—扩展、裂纹归并—分岔、裂纹重分岔—扩展以及裂纹惯通—宏观破坏等五个阶段。在初始损伤的压密阶段 ,砂岩的密度损伤增量为正值 ,速率也为正 ;在裂纹出现—扩展阶段 ,砂岩出现局部密度损伤增量减小 ,并随应力增加而由正值转为负值 ,速率也由正变负 ;在裂纹归并—分岔阶段 ,砂岩的密度损伤增量全为负值 ,速率也变快 ;在裂纹重分岔—扩展阶段 ,砂岩的密度损伤增量继续变负 ,但速率变慢 ;在裂纹惯通—宏观破坏阶段 ,砂岩的密度损伤增量继续变负 ,速率变的更快。     

重庆地区露天石刻早期封护材料老化产物及其影响研究

重庆市市委会办公大楼旧址前有一组露天存放的清代砂岩石狮子,表面覆盖着黑色硬壳状物质,发生大面积脱落,起翘和卷曲。为了揭示黑色硬壳状结构组成,研究其形成过程及对文物产生的影响,利用环境扫描电子显微镜(SEM),X-射线衍射仪(XRD),X-射线荧光光谱仪(XRF),傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和X-射线光电子能谱(XPS)对黑色硬壳及文物表层砂岩样品进行了检测分析研究。结果发现:黑色硬壳断面Mapping元素分布图显示其分为底漆层,中间层和表层,系石刻早期封护层的老化产物;中间层含有立德粉(硫化锌和硫酸钡),黑色外观源于表层中含铅颜料(铅白)变色形成黑色硫化铅及树脂碳化所致;红外光谱与光电子能谱显示出黑色硬壳中含有强的羟基(—OH)特征峰,说明封护层中有机物老化后形成了大量羟基,从而增强了自身亲水性,造成易吸水溶胀与干燥收缩情况,导致大面积脱落,起翘和卷曲现象;黑色硬壳起翘和卷曲部位与下层石刻表面之间形成了易于积水的微空隙,能够聚集雨水中的有害物质,造成石刻表层岩石发生腐蚀,例如黑色硬壳背面及下层岩石表面中高含量硬石膏(CaSO4),经生水化作用后转化为石膏(CaSO4·2H2O),发生体积膨胀造成岩石表面松动和酥粉。因此,当露天文物表面上封护层已老化时,及时地进行清除是十分必要的。     

A simplified version of the total kjeldahl nitrogen method using an ammonia extraction ultrasound-assisted purge-and-trap system and ion chromatography for analyses of geological samples

The total Kjeldahl nitrogen (TKN) method was simplified by using a manifold connected to a purge-and-trap system immersed into an ultrasonic (US) bath for simultaneous ammonia (NH₃) extraction from many previously digested samples. Then, ammonia was collected in an acidic solution, converted to ammonium (NH₄⁺), and finally determined by ion chromatography method. Some variables were optimized, such as ultrasonic irradiation power and frequency, ultrasound-assisted NH₃ extraction time, NH₄⁺ mass and sulfuric acid concentration added to the NH₃ collector flask. Recovery tests revealed no changes in the pH values and no conversion of NH₄⁺ into other nitrogen species during the irradiation of NH₄Cl solutions with 25 or 40 kHz ultrasonic waves for up to 20 min. Sediment and oil free sandstone samples and soil certified reference materials (NCS DC 73319, NCS DC 73321 and NCS DC 73326) with different total nitrogen concentrations were analysed. The proposed method is faster, simpler and more sensitive than the classical Kjeldahl steam distillation method. The time for NH₃ extraction by the US-assisted purge-and-trap system (20 min) was half of that by the Kjeldahl steam distillation (40 min) for 10 previously digested samples. The detection limit was 9 μg g⁻¹ N, while for the Kjeldahl classical/indophenol method was 58 μg g⁻¹ N. Precision was always better than 13%. In the proposed method, carcinogenic reagents are not used, contrarily to the indophenol method. Furthermore, the proposed method can be adapted for fixed-NH₄⁺ determination.     

利用反射光谱研究砂岩风化与排氮作用——以江西龙虎山为例

近期，《Nature》、《Science》等世界顶级期刊揭示了地表岩石与全球氮循环的相互作用，认为岩石是氮素的重要储库，其风化排氮是生态系统氮素的主要来源之一，对局部乃至全球氮循环具有重大影响。陆地地表岩石分布面积75%是沉积岩，丹霞地貌是受沉积岩风化侵蚀作用形成的重要地貌类型之一，研究丹霞地貌沉积岩的风化与排氮作用对深入了解全球氮循环过程具有重要意义。以江西龙虎山丹霞地貌出露的红色砂岩为研究对象，在系统的野外样品采集工作基础上，利用偏光显微镜、ASD光谱仪和碳氮分析仪对样品的矿物组成、光谱曲线和氮素含量进行鉴定和测量。结果表明：龙虎山砂岩主要为长石砂岩，颗粒矿物为长石和石英，胶结物以铁质、钙质为主，次为泥质；砂岩的化学风化类型主要有胶结物溶蚀和颗粒矿物水化两种，其中胶结物溶蚀以铁质溶蚀为主，溶蚀后岩石的光谱曲线在902 nm处（Fe3+的特征吸收波段）的吸收指数下降，而颗粒矿物水化则主要体现为长石向粘土矿物转变，水化后岩石的光谱曲线在2 210 nm处（粘土Al-OH的特征吸收波段）的吸收指数上升。针对同一件样品，已被化学风化的部分与未被风化的部分相比，其氮元素含量有所下降，且氮元素含量与2 210 nm处的吸收指数存在一定的负相关系（R2=0.802 6），说明岩石风化有助于氮排放；针对不同样品，氮元素含量与2 210 nm处的吸收指数相关性很差（R2=0.025 6），说明岩石矿物组成与结构差异对岩石初始氮含量和吸收指数产生影响，从而降低两者间的相关性。以上研究说明，反射光谱为砂岩风化程度检测与氮排放研究提供了一种重要的技术手段，但研究时必须注意岩性的一致性。     

基于手持式X荧光光谱仪对乐山大佛赋存砂岩的分析

为探索手持式X荧光光谱仪在石窟研究和保护中的应用,结合岩相分析和前期地调数据,使用手持式X荧光光谱仪,对四川乐山大佛从佛脚到胸部位置共42 m厚的砂岩以平均0.5 m间隔进行高密度XRF测试,做出元素含量和比值变化曲线。研究结果显示,手持式XRF测试结果中的Si,Ca,Al和Fe等主量元素可以较好地与岩相分析结果和自然层划分结果吻合,反映石英、方解石、褐铁矿的含量变化以及岩屑绢云母化程度。元素比值能够反映厚层块状岩体内部的抗风化能力差异,Si/(Si+Fe+Al)可以反映砂岩胶结物含量变化和受溶蚀程度,(K₂O+CaO)/Al₂O₃指示抗化学风化强度变化,S元素含量与Fe、Mn元素的去耦合指示了溶孔发育,综合反映了大佛赋存岩体在胶结物成分、孔隙度和层理发育方面的情况。Cl元素的两段高值与乐山大佛胸部带状滞状区及大佛脚部潜水区高度吻合。手持式X荧光光谱仪应用在石质文物分析中具有以下三个优势：（1）对大型、不可移动的石质文物本体来说,手持式X荧光光谱仪提供了高效、无损的岩石化学成分分析手段,主量元素的含量及分布可以较好地与赋存岩体的岩相分析结果和自然层划分结果吻合,能够成为石质文物本体岩性和岩层划分的辅助手段,有利于进行不同区域石质文物的对比研究。（2）对凿造于同一厚层块状岩层中的石质文物来说,手持式X荧光光谱仪能够满足测试间隔不到0.1 m的高分辨XRF扫描,元素比值的波动和元素间耦合关系的变化反应胶结物成分、孔隙度、溶孔发育度等方面反应块状岩体抗风化能力的内部差异。（3）Cl元素含量变化曲线可以精确指示含水量高的岩层,有助于进行滞水、透水情况和水患防治重点的评估,为处于不同气候和水文条件下的石质文物进行病害位置和机制对比提供辅助信息。     

龙游石窟岩面水岩作用研究

在龙游石窟砂岩胶结物的粘土矿物类型及特性研究的基础上，对窟内的积水、洞室顶部的裂隙渗水、地表水及衢江水等水样进行化学分析，结果表明石窟砂岩的矿物组成及构造, 决定了洞室渗水的水质，是造成水质不同的主要原因。对石窟洞室砂岩试样分别浸沉在上述水及蒸馏水中，并定期对浸沉水样进行化学分析，研究了石窟砂岩与水的相互作用机理，结果表明：由大气降水入渗而形成的渗透水对石窟的影响主要是渗透过程中发生的水化、溶脱、氧化等反应，从而导致洞室砂岩的矿物组成及构造产生变化，同时也直接影响了渗透水的水质。因此，粘土矿物与水之间有着相互制约，相互影响的作用，但是岩石中所含粘土矿物特性是使砂岩发生风化的主要原因。     

某水电站坝基岩体结构面室内大型直剪试验研究

岩体结构面的抗剪强度是表征岩体强度的一项重要参数,但由于原位试验受场地等诸多因素影响,难以大规模的开展,本文提出在室内用结构面大型剪切试验开展结构面的剪切特性研究,以某水电站坝基砂岩岩体中的硬性结构面为研究对象,取得了较好的成果。试验表明:结构面的多组剪切变形曲线具有一定的应变硬化的特征;达到峰值剪切强度时的剪切位移普遍较大,在8.9mm～44.5mm之间;砂岩中硬性结构面光滑面的“基本摩擦角”为31.4°,结构面“平均起伏角”为6.3°。     

超声纵波在孔隙砂岩中的传播特性实验*

为了深入研究不同入射频率下超声波纵波在砂岩中的传播特性,以灰、红、褐砂岩为研究对象,开展了基于50 k Hz、100 kHz、200 kHz、500 kHz和1000 kHz入射频率的超声波纵波测试。提取纵波波速、幅值衰减系数、主频幅值、波形能量这些声学参数,结合入射频率和砂岩孔隙率进行传播特性的相关性分析。结果表明,在3种砂岩中,纵波波速随入射频率增大呈非线性增长趋势,砂岩种类不同,波速增长规律也不同;波形能量和主频幅值随入射频率呈指数关系降低;灰、红砂岩纵波波速随孔隙率越大,下降速率越大,褐砂岩在同级孔隙率下波速差异性明显。建立了基于3种砂岩的入射频率和幅值衰减系数的回归方程;基于200 kHz的入射频率,建立了砂岩孔隙率于波形能量的回归方程,实际测试中建议采用200 kHz作为入射频率,可较好兼顾检测的灵敏度和探测距离。研究成果为建立声学参数与砂岩抗压强度之间的内在联系提供了更多数据支撑,为实际物探测试中超声波入射频率的选择提供参考。     

Laser cleaning of contamination on sandstone surfaces in Yungang Grottoes

Laser cleaning is firstly used to remove the contaminations on the sandstone surfaces in Yungang Grottoes. A Q-switched Nd:YAG laser operated at 1064 nm with a pulse width of 10 ns is used to perform the experiments. Before experiments in Yungang Grottoes, the laboratory experiments on sandstone samples obtained from Shanxi province have been conducted. The laser induced damage thresholds of the uncontaminated sandstones and the laser cleaning thresholds of ink contaminated sandstones have been obtained in the laboratory. The difference between the cleaning effects of dry laser cleaning and steam laser cleaning has been compared. On the basis of the laboratory experimental data, the experiments in Yungang Grottoes have been conducted and the results indicate that laser cleaning is safe and effective for removal of graffiti ink and black smudges of smoke.     

Strain rate dependency of uniaxial tensile strength in Gosford sandstone by the Distinct Lattice Spring Model with X-ray micro CT

Mechanisms causing strain rate dependency of the uniaxial tensile strength of Gosford sandstone are studied using the Distinct Lattice Spring Model (DLSM). The DLSM is built to have a microstructure which resembles aspects of the microstructure in a sample of the sandstone observed through 5 μm resolution X-ray micro CT scanning. Numerical dynamic uniaxial tensile tests on the sandstone are performed using both X-ray micro CT based and homogenous particle models. The results indicate that there is an only negligible strength increase with increasing strain rate for the homogenous particle model. However, a significant strength increase is observed with increasing strain rate for the X-ray micro CT based particle model. Therefore, it must be the microstructure that causes a strain rate dependency. Moreover, the influence of viscosity and rate dependency of springs are also studied. Results reveal that the rate dependency of the springs rather than their viscosity is also a main cause of the rate dependency.