結晶質岩を対象とした長期岩盤挙動評価のための理論的研究

Microscopic Study of Rock for Estimating Long-Term Behavior

市川 康明*

Ichikawa, Yasuaki*

岩盤は様々な階層の不連続面群と非均質鉱物を内包した複合材料である。岩石レベルでみると、結晶質岩は個々の結晶と粒界および微視亀裂の集合体である。結晶質岩の変形・破壊に関わる力学挙動は、個々の結晶と粒界の微視的挙動を理解すればよい。ただし、岩石を構成する鉱物の結晶、特に、花崗岩の石英と黒雲母中には多くの微視亀裂が存在し、これが起点となって粒界を超え、長石中に破壊亀裂が進展することが多いので、理論的取り扱いは簡単でない。一方、堆積岩でも砂岩は石英や長石質の結晶の粒間を続成作用によって膠着物質が埋めており、その微視的な力学挙動は、火成岩系の結晶質岩に似ていると言える。本研究では、結晶質岩の長期挙動を解明するために、(1)レーザー共焦点顕微鏡(CLSM) 観察下における花崗岩供試体の応力緩和実験、(2)ケイ酸塩鉱物の溶解反応と岩石の時間依存変形破壊挙動に関する理論研究、を実施した。第2章では、岩石試料の微視亀裂の進展状況を応力緩和試験条件下で観察している。すなわち、応力緩和試験装置をレーザー共焦点顕微鏡のステージ上に設置し、試料端に一定の変位を与えて岩石亀裂の変化を観察・測定した。岩石中には多くのケイ酸塩鉱物が含まれている。ケイ酸塩鉱物は強アルカリの条件下でなければ、一般に、水に難溶である。しかしながら、一定以上の応力が作用すると、石英や長石等は加水分解されて水に溶け出す。この負荷応力による化学反応によって岩石の時間依存変形・破壊挙動が生ずるのは、a)微視亀裂先端部における応力集中に起因する場合、b)石英粒子等が接触した粒子間において圧力溶解反応を起こす場合、があると考えられる。これらはいずれも機械的作用と化学反応場および水の流れが複合した連成現象である。第3章では、上記の亀裂先端部反応と粒子間圧力溶解反応の両現象について、時間依存変形・破壊挙動の理論的取り扱い法を示している。

Rock mass is a complex material including several classes of discontinuities and inhomogeneous/anisotropic minerals. If observing rock samples, we know that crystalline rock is a complex of minerals, grain boundaries and microcracks. Deformation and failure mechanism may be understood if we characterize correctly the microscale composition and grain boundary properties. However rock minerals, especially quartz and biotite of granite, involves a lot of microcracks. A microcrack propagation is initiated by these existing crack tips, and runs into feldspar domain beyond the grain boundary. This suggests difficulty of its theoretical treatment. On the other hand sandstone which is a sedimentary rock mainly consists quartz and feldspar crystals, and bonding materials fills the interbrain space, so the mechanical behaviors may be similar to the crystalline rock. In order to clarify a long-term behavior of the crystalline rock we here treated the following two subjects:(1)Observation of microcrack initiation and propagation by Confocal Laser Scanning Microscope(CLSM)under stress relaxation tests(before loading and at each loading stage),(2)Stress-dissolution analysis of rocks with silicate minerals and characterization of the time-dependent deformation/failure behaviors. First, CLSM was used to acquire clearly focused three-dimensional images of granite specimens, and observed the change of microscale structure including the mineral configuration under applying compression stress. Then though microcracks have ever thought to be initiated and propagated on intergranular boundaries, we understand through the CLSM observation that new microcracks are generated from the ends of pre-existing cracks which are distributed in quartz and biotite. Second, in order to simulate the experimental results which indicate that initiation and propagation of microcracks control the stress-relaxation phenomenon, we introduce a coupled analysis method of stress-dissolution phenomena.