作为地质构造中重要的组成部分,“盐构造”对于油藏工程具有十分重要的影响作用,其地质特征与含盐盆地的长期演化密切相关,而后者已被证明为碳氢化合物的有效赋存场所,盐岩本身的特点也决定了其是含油气盆地最有效的盖层。此外,盐岩具有渗透率低、孔隙率低、力学性能稳定等特点,被国际社会公认为石油、天然气、高放射性核废料地下存储的理想介质。因此针对盐岩长期流变力学行为的研究,对于油藏工程、地下储库工程具有十分重要的指导意义。盐岩流变过程中,无论蠕变或者应力松弛,其内部细观结构的变化,往往伴随着宏观曲线形式的非线性特征;同时受各种因素的影响,如温度、应变率、应力水平、含水量等,流变应变率主导机制可能随之发生转化;另外,受限于实际条件,室内实验获得的数据、图像能否真实描述长期地质条件下的盐岩流变过程,这对于实验室尺度数据外推、建立合理的本构模型格外重要。本文在归纳总结国内外针对盐岩流变特征研究的基础上,采用数据收集、室内实验、切片观测等手段详细描述了20-200℃条件下,盐岩发生的三种流变过程,即位错蠕变、压溶、膨胀变形,以及各自典型的细观结构特征、细观变形机制;同时借助于分数阶微积分理论及损伤理论,以分数阶求导阶次及损伤变量为纽带,建立了一种新的本构模型,并对盐岩流变全过程曲线进行了数据拟合。主要研究内容如下:1、研究三种流变过程的典型细观特征、流变机制在特定条件下的相互竞争及转化:位错蠕变、压溶、膨胀变形的典型细观结构分别为亚晶粒及波状滑移线、晶界压痕/截断/生长、微裂隙发育,其中晶界水能有效促进晶粒边界迁移及压溶过程,其实质为晶界物质的溶解—转移—沉淀过程,内在驱动力为化学势差,而应力水平是盐岩流变能否发生膨胀变形的最主要影响因素;位错蠕变过程中伴随有应变硬化及恢复作用之间的相互竞争,并导致了盐岩蠕变三阶段曲线特征的差异性,当硬化与恢复达到平衡态时,稳态阶段随之而来,若同时考虑晶界水对蠕变的影响,定义恢复+晶粒边界迁移为软化作用,则应变硬化及软化作用的竞争将可能引起准稳态阶段曲线的波状起伏;受温度、应力、应变率、晶界水的影响,盐岩流变过程中将会发生应变率主导机制的转化:位错交叉滑移在较高应力及应变率条件下将成为稳态蠕变阶段的主导机制,而在较低应力及应变率情况下流变控制机制将变为位错攀移;对于潮湿细晶粒盐岩,压溶对于流变过程的影响将更加重要,而随着晶粒尺寸增大,位错蠕变对于应变率的主导作用将逐渐明显。2、借助于浸蚀、γ射线染色技术,分析了取自荷兰亨厄洛(Hengelo)、伊朗库姆丹山(qumkuh)两种天然盐岩的细观结构图,二者地质成因不同,造成了细观形貌的差异性:亨厄洛盐岩的成因可以借助于盐田模型解释,其中富含流体包裹物的“不纯洁盐岩”形成时期较早,而“纯净盐岩”中的亚晶粒、晶界迁移特征则形成于后期变形过程中;库姆丹山盐岩的核心处为残碎斑晶,形成时期早于不含亚结构的新生长晶粒,这些细观结构均表明,天然盐岩在长期地质过程中,动态重结晶、压溶对流变主导机制产生重要影响,而晶界水对上述过程具有明显的促进作用,晶粒边界通过迁移蚕食掉旧晶粒,并将晶内流体包裹物集中至新晶界,且在新晶粒边界处可观测到明显的压痕、截断、过度生长等细观特征。通过计算两种盐岩的晶粒、亚晶粒尺寸,得出库姆丹山盐岩的细粒化程度更显著,其在地质过程中所承受的偏应力值更大,这与其地质成因有关;进一步计算获得了二者的稳态蠕变率,库姆丹山盐岩中,压溶引起的应变率对于总蠕变率的影响更加显著,表明在潮湿细晶粒盐岩中,压溶过程为流变主导机制。3、对比分析了潮湿、干燥合成盐岩蠕变宏观实验曲线、细观结构特征的差异性,重点关注了水作用下的动态重结晶及压溶特征:在化学势差驱动下,潮湿合成盐岩晶界形状不规则,具有明显的晶粒边界迁移、压溶细观结构,其本质为晶界的相互接触、物质溶解及转移重结晶过程,晶内含有无亚结构的重结晶新晶粒,而干燥合成盐岩晶界平直,内部含有大量亚晶粒、波状滑移线;在软化作用影响下,潮湿合成盐岩的流变应力在稳态阶段到来前往往出现多个峰值点,对其变形后细观结构进行观测,得出晶界迁移为上述曲线特征的内在原因,而干燥合成盐岩的应力—应变曲线较为平缓,并持续较长时间的应变硬化,最终达到的(准)稳态流变应力值也较高;干燥合成盐岩蠕变过程中,晶粒尺寸变化不大,而受动态重结晶机制的影响,潮湿合成盐岩晶粒尺寸随应变量增加而显著增大。4、系统开展了盐岩单轴、三轴蠕变实验,并全程记录了单轴蠕变过程中的声发射数据,以此探讨损伤演化规律,并在此基础上建立了基于损伤的分数阶本构模型,同时对蠕变破坏前后的盐岩样品进行了切片观测:盐岩单轴蠕变与声发射数据大致可分为三个阶段,第一阶段伴随着应变硬化与微裂隙发育之间的竞争,第二阶段各平行机制间达到稳定态,第三阶段微裂隙大量发育并导致膨胀破坏;盐岩三轴蠕变过程中,较大的偏应力将导致稳态蠕变阶段的缩短,而较大的围压将有效抑制微裂隙发育并延长稳态阶段蠕变时间;借助于分数阶求导阶次,衡量位错蠕变过程中应变硬化与恢复作用之间的竞争关系,阶次取值越大,恢复作用越显著,阶次取值越小,硬化作用越显著,若同时考虑膨胀变形过程中微裂隙的发育,则基于分数阶微积分理论及损伤理论,建立了基于weibull分布的分数阶损伤本构模型;对天然盐岩、膨胀破坏后盐岩的细观结构观测表明,天然盐岩在长期地质条件作用下受位错蠕变、压溶等多种机制影响,而蠕变破坏后盐岩,杂质的存在能有效阻碍微裂隙的扩展,微裂隙更易于萌生于应力集中处,如较尖锐的晶界、共生矿物处,且可观测到大量穿晶裂隙、沿流体包裹物延展的微裂隙。