基于聲發(fā)射監(jiān)測的巖石熱損傷實時演化研究

張玉良，吳必勝，趙高峰

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津，300354；2.清華大學(xué)水利水電工程系，北京，100084)

巖石熱損傷研究一直是地球科學(xué)領(lǐng)域的熱點，涉及深地?zé)衢_采、地下空間開發(fā)、地震帶穩(wěn)定等。熱導(dǎo)致斷層活化可能是斷層錯動乃至地震的機(jī)理之一[1?3]，地震帶下部巖石受關(guān)鍵溫度的控制，如俯沖帶(400～550 ℃)[4?6]、陸殼(350 ℃)[7]、大洋上地幔(750 ℃)[8]。在深部地?zé)衢_采中，冷流體遇到熱儲層可能導(dǎo)致微震事件[9]，而巖石損傷有助于地下儲層裂隙網(wǎng)絡(luò)的建立，更好地開采干熱巖。因此，關(guān)于巖石損傷的研究一直廣受關(guān)注。

地質(zhì)分析中通常采用損傷變量建立巖石的熱?力耦合模型，獲取不同溫度下的損傷變量。然而，目前并沒有切實有效的包含升溫和降溫過程的巖石熱損傷模型。人們對熱損傷進(jìn)行了大量研究，對巖石熱損傷后的物理力學(xué)性質(zhì)研究主要集中在強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、波速、微觀裂隙、孔隙度等方面。巖石在經(jīng)歷高溫作用后，其強(qiáng)度(包括單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度)、波速(包括壓縮波波速和剪切波波速)、彈性模量都會降低，孔隙度增大[10?12]。人們采用微觀結(jié)構(gòu)的分析方法(如CT、顯微鏡)發(fā)現(xiàn)巖石在經(jīng)歷高溫作用后內(nèi)部出現(xiàn)不同尺度的裂隙[13?19]，因此，巖石內(nèi)部裂隙的萌生與擴(kuò)展成為解釋巖石損傷的重要因素。余壽文等[20?21]提出了許多計算損傷變量的方法，如基于損傷面積、彈性模量、聲發(fā)射振鈴計數(shù)及波速的方法。人們采用不同的參數(shù)表征了溫度作用后的損傷變量，然而，這些參數(shù)大多在溫度作用后測試的，損傷變量隨溫度的實時變化難以獲取，為此，羅生銀等[22?25]采用實時力學(xué)試驗來獲得損傷變量的演化。高溫下和高溫處理冷卻后花崗巖的物理、力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律基本一致，但2種條件的影響程度存在一定的差別。質(zhì)量損失都隨溫度的升高而增大，但高溫后質(zhì)量損失程度更大；高溫下和高溫處理冷卻后花崗巖試樣體積都隨溫度升高而增大，在中低溫段(常溫～440 ℃)，高溫下的試樣體積比高溫后試樣體積大，在高溫段(440～600 ℃)，高溫下的試樣體積卻比高溫后的試樣體積??；峰值強(qiáng)度和彈性模量隨溫度的變化是一致的，在低溫段(常溫～200 ℃)，兩者都有微小增大，在中高溫段(200～600 ℃)，兩者都隨溫度升高逐漸減??；在中低溫段(常溫～420 ℃)，自然冷卻下的峰值強(qiáng)度或彈性模量比實時溫度下的大，而在高溫段(420～600 ℃)，自然冷卻的峰值強(qiáng)度或彈性模量比高溫下的小。然而，高溫下測試巖石力學(xué)性質(zhì)對試驗儀器的要求很高，不利于推廣，因此，亟須一種切實可行的方法來獲取巖石在溫度作用下?lián)p傷變量演化的方法。

聲發(fā)射技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于監(jiān)測巖石變形、破壞過程中內(nèi)部裂隙的發(fā)育過程。聲發(fā)射信號攜帶大量巖石內(nèi)部微裂隙的萌生與擴(kuò)展信息[26?30]，采用該技術(shù)能夠捕捉裂隙的發(fā)展，從而確定巖石的損傷變量[31]。鑒于此，本文作者采用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)研究巖石在溫度作用過程中的損傷演化過程。根據(jù)累計能量建立巖石損傷演化模型，引入2種損傷機(jī)理揭示不同巖石損傷的差異。

1 巖石熱損傷試驗與實時監(jiān)測

1.1 巖石選取與試樣制作

研究地?zé)醿訋r石的熱損傷對深地?zé)衢_采至關(guān)重要。圖1所示為世界上已建和在建的深地?zé)峁こ添椖繋r石種類分布及占比。由圖1可見：按照深地?zé)釋嵺`中儲層巖石出現(xiàn)的頻次，火成巖是深地?zé)岬闹饕獛r石，沉積巖次之；深地?zé)醿右曰◢弾r類、砂巖為主；另外，花崗巖作為深層火成巖也是深部地層的主要巖石，在諸多地質(zhì)環(huán)境中皆可見到。因此，本試驗選取花崗巖和砂巖進(jìn)行研究。

圖1 深部地?zé)醿訋r石分布及占比Fig.1 Rock distribution and percentage of deep geothermal reservoirs

巖石熱損傷試驗采用2種巖石試樣，分別為花崗巖(G)和砂巖(S)，其中花崗巖和砂巖分別包括3 種亞類。試樣形狀為標(biāo)準(zhǔn)圓柱(直徑×長度為50 mm×100 mm)，每種巖石包含2個試樣，共計12個試樣。試驗所用巖石如圖2所示?；◢弾rG-1為常見花崗巖，石英體積分?jǐn)?shù)為40%，粒度為0.5～2.0 mm；長石體積分?jǐn)?shù)為50%，粒度為0.5～2.0 mm；云母體積分?jǐn)?shù)為10%。花崗巖G-2 呈淺黃色，主要礦物：石英、長石、云母體積分?jǐn)?shù)分別為30%，55%和15%，結(jié)晶顆粒粒度為0.5～4.0 mm；花崗巖G-3 呈暗黑綠色，主要礦物石英、長石、云母體積分?jǐn)?shù)分別為25%，45%和25%，其他5%，結(jié)晶顆粒粒度為0.2～2.0 mm。砂巖S-1呈暗紅色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，碎屑粒度為0.05～0.25 mm，分選差，磨圓差，碎屑成分較簡單，成分以石英為主(體積分?jǐn)?shù)為90%以上)，長石少量，估計低于10%，鐵質(zhì)膠結(jié)。砂巖S-2 呈灰白色，中粒結(jié)構(gòu)，碎屑粒度為0.2～0.5 mm，分選較好，磨圓中等，碎屑成分(體積分?jǐn)?shù))主要為石英90%和少量長石10%，鈣質(zhì)膠結(jié)。砂巖S-3 為灰綠色，中粒結(jié)構(gòu)，碎屑粒度為0.2～0.5 mm，分選較好，磨圓差，碎屑成分(體積分?jǐn)?shù))主要為石英(80%)和少量長石(15%)，可見少量云母(5%)，鈣質(zhì)膠結(jié)。

圖2 巖石試樣Fig.2 Rock specimens

1.2 聲發(fā)射實時監(jiān)測系統(tǒng)

聲發(fā)射實時監(jiān)測系統(tǒng)包括升溫裝置和聲發(fā)射監(jiān)測裝置(圖3(a))。采用升溫裝置對巖石試樣進(jìn)行加熱，在加熱和冷卻過程中，巖石損傷產(chǎn)生的微裂隙將以應(yīng)力波的形式傳播，采用波導(dǎo)桿(材料為SUS-303 鋼，直徑為6 mm，長度為500 mm)連接巖石試樣與聲發(fā)射監(jiān)測裝置能夠很好地獲取巖石損傷過程中的聲發(fā)射信息。聲發(fā)射監(jiān)測裝置主要包括傳感器、信號采集器和數(shù)據(jù)采集與分析軟件。

本試驗所用傳感器采用日本富士公司生產(chǎn)的FUJI-1045S 聲發(fā)射探頭，該傳感器為基于壓電陶瓷的寬帶傳感器，其頻率響應(yīng)見圖3(b)。信號采集器采用美國NI 公司的PXI 高性能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)搭載PXI-6115板卡能夠以最大107個/s的采樣速率進(jìn)行采集。由于巖石熱損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號較弱，試驗中采用40 dB的低噪聲前置放大器對壓電信號進(jìn)行放大。巖石的溫度路徑見圖3(c)。

圖3 巖石熱損傷的聲發(fā)射實時監(jiān)測系統(tǒng)[32]Fig.3 Real-time AE monitoring system for thermal damage of rock [32]

基于LabVIEW 程序開發(fā)環(huán)境開發(fā)了巖石熱損傷聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集與分析軟件。聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集軟件能夠?qū)r石熱損傷過程中的聲發(fā)射信號實時采集。根據(jù)設(shè)定的采樣頻率、采樣數(shù)和觸發(fā)閾值，該軟件可以采集任何超過閾值電壓的聲發(fā)射信號，與此同時，該軟件還能實時獲取加熱裝置中的溫度，同步測量試樣溫度與聲發(fā)射事件。

聲發(fā)射分析軟件能夠?qū)Σ杉降穆暟l(fā)射信號如濾波、頻譜分析、振鈴計數(shù)和聲發(fā)射能量進(jìn)行分析。根據(jù)巖石損傷聲發(fā)射信號特征，本試驗采用Butterworth 濾波器進(jìn)行數(shù)字濾波，從而過濾高頻和低頻噪聲。頻譜分析采用單邊快速傅里葉變換：

式中：X(k)為輸出序列變量；x(n)為輸入序列變量；N為x(n)的數(shù)量。對X(k)的前半個序列除以N，然后轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)形式，極半徑序列就是最終的單邊快速傅里葉變換幅度序列。X(k)的頻域分辨率(頻率間隔)Δf可通過以下方式確定：

式中：fs為采樣頻率。

聲發(fā)射能量根據(jù)Hilbert 變換得到。對于連續(xù)時域信號x(t)，其Hilbert變換為

式中：h(t)和H{x(t)}為Hilbert 變換變量；τ為Hilbert 變化中的積分變量。將x(t)和Hilbert 變換的結(jié)果轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)形式，極半徑序列就是聲發(fā)射信號的能量包絡(luò)[xE(t)]。假設(shè)聲發(fā)射信號的能量包絡(luò)是對稱的，則聲發(fā)射信號波形的能量可以近似地通過數(shù)值積分計算得到：

式中：E為聲發(fā)射信號的能量；t0為聲發(fā)射信號的起振時刻；tf為聲發(fā)射信號的最終時刻；Ns是聲發(fā)射數(shù)字信號的采樣數(shù)；xE(t)為能量包絡(luò)線上的能量；xE(i)為能量包絡(luò)線上第i個點的能量。

聲發(fā)射信號的幅值代表一個特定波形的最大值，可以根據(jù)下式計算：

式中：A為幅值，dB；V為聲發(fā)射探頭監(jiān)測到的最大峰值電壓；Vref為探頭的參考電壓，取值為1 μV。

1.3 試驗步驟

試驗流程如下：

1)將試樣放入加熱裝置，連接試樣與測試裝置，對巖石試樣進(jìn)行加熱，加熱過程中實時測量溫度和聲發(fā)射信息。

2)當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時停止加熱，打開加熱裝置的爐門使試樣在自然狀態(tài)下冷卻，在冷卻過程中實時測量溫度和聲發(fā)射信息。

由于加熱裝置存在噪聲，在聲發(fā)射監(jiān)測過程中需要設(shè)置一定的門檻，從而過濾監(jiān)測過程中的噪聲。通過空白試驗(加熱裝置中未放置巖石試樣)，本試驗的聲發(fā)射信號采集的電壓閾值為2×10?4V。

2 試驗結(jié)果

2.1 巖石熱損傷后顏色變化

圖4所示為溫度作用后巖石試樣顏色變化。由圖4可見：花崗巖G-2、砂巖S-2、砂巖S-3顏色變化顯著。花崗巖G-2中的長石礦物在500 ℃作用后由灰白色逐漸變?yōu)闇\肉紅色；砂巖中的有機(jī)質(zhì)由于溫度作用發(fā)生部分氧化，由淺色變?yōu)榛液谏?/p>

圖4 溫度作用后巖石顏色變化Fig.4 Changes of color of rocks after heat treatment

2.2 巖石熱損傷后微觀結(jié)構(gòu)變化

溫度產(chǎn)生的熱應(yīng)力是導(dǎo)致巖石內(nèi)部損傷的重要原因，而裂隙的萌生、擴(kuò)展是巖石熱損傷的重要表現(xiàn)。通過分析巖石在溫度作用前后的薄片，可見高溫導(dǎo)致的礦物裂隙增多，薄片表面粗糙度增大。圖5所示為巖石試樣高溫作用前后在正交偏光下的微觀結(jié)構(gòu)變化。由圖5可見巖石損傷對微觀結(jié)構(gòu)的影響體現(xiàn)在2個方面：1)微觀裂隙增多，如花崗巖石英、長石晶體中的裂隙；2)巖石在經(jīng)歷高溫作用后內(nèi)部會產(chǎn)生裂隙，這些裂隙會導(dǎo)致巖石在薄片制作中更加容易受到磨損而出現(xiàn)表面粗糙度加大，尤其是G-2，S-1和S-2，如石英、長石晶體表面擦痕的增多，砂巖薄片表面光澤暗淡。熱應(yīng)力的作用導(dǎo)致巖石內(nèi)部裂隙的萌生和擴(kuò)展，從而引起應(yīng)力波傳播，為采用聲發(fā)射監(jiān)測巖石損傷提供了前提。

圖5 高溫作用后巖石微觀結(jié)構(gòu)變化(正交偏光)Fig.5 Changes of microstructure of rocks after heat treatment(orthogonal polarized)

2.3 巖石實時熱損傷的聲發(fā)射特征信息

2.3.1 波形

巖石試樣在熱損傷過程中主要存在2種頻率范圍的聲發(fā)射信號：低于20 kHz的可聽聲音(低頻)和高于20 kHz的超聲波(高頻)。根據(jù)頻譜分析，熱損傷聲發(fā)射信號可分為3 種類型(圖6)：類型Ⅰ為高頻和低頻信號共存的波形；類型Ⅱ以低頻信號為主；類型Ⅲ以高頻信號為主。大量單軸壓縮試驗結(jié)果表明，巖石在破壞過程中的聲發(fā)射信號以高頻為主，因此，巖石中礦物的破裂會導(dǎo)致高頻聲發(fā)射信號的發(fā)生。熱損傷過程中的大量低頻信號主要由巖石中裂隙的相互錯動所致。試驗中觀察到巖石損傷過程中的聲發(fā)射信號以低頻—高頻信號為主(類型Ⅰ和Ⅱ)。

圖6 巖石熱損傷的聲發(fā)射波形與頻譜分析(花崗巖)Fig.6 AE waveforms and spectrum analysis during thermal damage process of rocks(granite)

2.3.2 幅值分布

圖7所示為巖石在熱損傷過程中(包括升溫和降溫過程)的聲發(fā)射信號的幅值分布情況。由圖7可知：總體上聲發(fā)射幅值集中在50～70 dB，此區(qū)間的聲發(fā)射信號較多，表明巖石熱損傷釋放的聲發(fā)射強(qiáng)度大多集中于此。此外，低幅值和高幅值信號也存在熱損傷過程中，最高幅值接近100 dB。另外，試驗中觀察到升溫段的聲發(fā)射幅值整體上比降溫段幅值高的情況。

圖7 熱損傷過程的聲發(fā)射信息幅值分布Fig.7 Amplitude distribution of AE waveforms during thermal damage process

2.3.3 聲發(fā)射能量

累計能量密度(巖石試樣單位體積釋放的累計聲發(fā)射能量)隨溫度升高(升溫過程)和降低(降溫過程)逐漸增大，表明無論在升溫還是在降溫過程中，巖石內(nèi)部都會發(fā)生損傷。圖8所示為不同試樣累計聲發(fā)射能量密度隨溫度的變化。由圖8可知：累計聲發(fā)射能量密度隨溫度的升高呈現(xiàn)先緩慢增加后快速增加的趨勢，表明巖石升溫過程中損傷的累加過程并呈非線性增加，當(dāng)溫度超過閾值時，損傷呈加大的趨勢，如花崗巖G-2、砂巖S-1 在350 ℃以前累計能量密度緩慢增大，巖石損傷較小，當(dāng)溫度超過這個閾值時，累計能量密度快速增大，巖石出現(xiàn)大量損傷。不同巖石的損傷過程差異較大，花崗巖呈現(xiàn)升溫?fù)p傷較大而降溫?fù)p傷較小的規(guī)律，砂巖呈現(xiàn)升溫?fù)p傷較小而降溫?fù)p傷較大的規(guī)律。砂巖在降溫初始并未出現(xiàn)大量損傷，在降溫中后期才出現(xiàn)大規(guī)模損傷。以上分析表明，不同巖性的巖石對熱損傷的響應(yīng)規(guī)律不同，這種差異表現(xiàn)在3個方面：升溫、降溫的損傷比例不同，升溫過程的溫度閾值不同，降溫過程的溫度閾值不同。

圖8 巖石熱損傷累計能量密度與溫度的關(guān)系Fig.8 Relationship between cumulative energy density and temperature

2.4 巖石熱損傷演化模型

聲發(fā)射監(jiān)測能夠很好地捕捉巖石在升溫和降溫過程中損傷導(dǎo)致的應(yīng)力波，根據(jù)累計能量可以建立巖石隨溫度變化的損傷演化過程。假設(shè)聲發(fā)射信號能量與巖石損傷成正比，就可以根據(jù)聲發(fā)射能量表征巖石損傷程度。經(jīng)歷溫度作用后，巖石損傷程度可以用彈性模量進(jìn)行表征，大量試驗表明巖石的強(qiáng)度與彈性模量存在良好的對應(yīng)關(guān)系，如花崗巖的強(qiáng)度普遍比砂巖的高，而花崗巖的彈性模量也普遍比砂巖的大；巖石的強(qiáng)度和彈性模量都隨溫度的升高而降低，且兩者的變化規(guī)律在一定程度上一致[33?38]，在一定的誤差范圍內(nèi)，兩者具有較好的線性關(guān)系。在損傷本構(gòu)研究中，彈性模量被廣泛采用，通過引入損傷變量，可以得到不同損傷情況下的損傷本構(gòu)，這在數(shù)值模擬中應(yīng)用廣泛。這里采用彈性模量與溫度的關(guān)系確定巖石在經(jīng)歷溫度作用后的損傷：

式中：D()為經(jīng)歷最大溫度后巖石的損傷變量；為彈性模量衰減度(溫度作用后彈性模量與初始彈性模量的比值)。根據(jù)ZHANG 等[32,39]的試驗研究，巖石彈性模量與溫度的關(guān)系可以用三參數(shù)模型進(jìn)行表征，因此，巖石在溫度作用后損傷變量與最大作用溫度的關(guān)系為

式中：θa為初始溫度(一般取室溫25 ℃)；θcr為關(guān)鍵溫度；Dcr為關(guān)鍵損傷變量；θu為臨界溫度，該溫度下?lián)p傷變量為1。θcr和Dcr決定了損傷變量的折點的所在位置。該模型的3 個參數(shù)θcr，Dcr和θu取值見表1[32,39]。式(7)描述了巖石損傷變量與最大作用溫度的關(guān)系，其關(guān)系曲線見圖9。

圖9 巖石溫度作用后損傷變量與溫度的關(guān)系Fig.9 Relationship between damage variable and temperature after temperature treatment

表1 巖石溫度作用后損傷模型參數(shù)取值Table 1 Damage parameters of rock after high temperature

巖石熱損傷的聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果表明，巖石在升溫和降溫過程都存在損傷，據(jù)此，巖石熱損傷可以分為升溫和降溫?fù)p傷：

式中：Dh(θa,θ)為從初始溫度θa升至溫度θ的損傷變量；ΔDc(θ,θa)為從溫度θ至初始溫度θa的損傷變量增量。對累計能量密度曲線進(jìn)行歸一化：

根據(jù)式(8)～(10)，巖石的損傷變量演化可以由下式計算：

ZHANG 等[32]利用不同溫度的聲發(fā)射監(jiān)測給出了巖石損傷的數(shù)學(xué)模型。升溫?fù)p傷可以表示為

降溫?fù)p傷可以表示為

式中：為升溫過程中關(guān)鍵溫度；為升溫過程的關(guān)鍵損傷變量；θhu為升溫過程的臨界溫度；kc為降溫過程的斜率。根據(jù)巖石在不同溫度作用后的彈性模量與聲發(fā)射累計能量密度確定各參數(shù)。ZHANG 等[32]獲得了巖石損傷變量隨溫度變化的演化過程，證明了采用聲發(fā)射能量表征巖石損傷演化的合理性。采用以上思路，利用巖石在最大溫度500 ℃作用過程中的累計聲發(fā)射能量，通過單個巖石聲發(fā)射能量數(shù)據(jù)來表征此巖石試樣的損傷演化。圖10所示為聲發(fā)射能量表征損傷的實測結(jié)果及理論結(jié)果。各巖石試樣的理論模型參數(shù)見表2。不同的巖石損傷演化具有不同的規(guī)律，該理論模型僅僅采用三參數(shù)模型建立，對于特殊的演化規(guī)律不能刻畫其特殊的細(xì)節(jié)特征，此部分有待深入研究。

表2 不同巖石試樣的損傷演化參數(shù)Table 2 Damage evolution parameters of different rocks

圖10 不同巖石熱損傷演化模型Fig.10 Thermal damage evolution models for rocks

2.5 巖石熱損傷機(jī)理

巖石熱損傷的物理機(jī)理是一個復(fù)雜的過程，無論從聲發(fā)射監(jiān)測角度還是微觀結(jié)構(gòu)觀察(如CT)，巖石在經(jīng)歷高溫作用后都出現(xiàn)微觀甚至宏觀的裂隙，因此，認(rèn)為裂隙的萌生與擴(kuò)展是巖石熱損傷的重要物理機(jī)理之一，也是在宏觀上各物理、力學(xué)參數(shù)劣化的重要原因。實時聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果表明，無論在升溫還是降溫階段，巖石中都存在裂隙的萌生或擴(kuò)展(即損傷)。從巖石力學(xué)角度，2 個階段對應(yīng)的力學(xué)機(jī)理不同。ZHANG 等[32]采用DLSM (distinct lattice spring model)模擬的熱損傷過程揭示了巖石熱損傷的力學(xué)機(jī)理：巖石在升溫過程中，非均質(zhì)導(dǎo)致的非均勻變形乃至破裂；在降溫過程中，處在極限或準(zhǔn)極限狀態(tài)的含缺陷晶體由于巖石的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變和存在壓縮應(yīng)力導(dǎo)致微裂紋從尖端擴(kuò)展。假設(shè)巖石在熱損傷過程中含缺陷晶體導(dǎo)致的損傷比例為w，則非均勻變形導(dǎo)致的損傷比例為1?w。結(jié)合這2種損傷機(jī)理，數(shù)

值模擬的熱損傷比例RD(θ)為

式中：(θ)為含缺陷晶體導(dǎo)致的損傷變量；(θ)為非均勻變形導(dǎo)致的損傷變量。

數(shù)值模擬的損傷變量為

式中：R*D(θ)為歸一化的RD(θ)。通過數(shù)值損傷變量(ZHANG等[32])與試驗結(jié)果進(jìn)行最小二乘法優(yōu)化，可以得到最優(yōu)的w，即

式中：Ω為熱損傷試驗中所有監(jiān)測時的聲發(fā)射信號對應(yīng)的巖石溫度集合。

約束條件為：0

優(yōu)化后的數(shù)值損傷變量如圖11所示。由圖11可知：大部分巖石試樣的試驗結(jié)果與數(shù)值結(jié)果吻合較好，其中砂巖S-3由于在200 ℃時的損傷變量劇增，數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。花崗巖G-1，G-2，G-3，S-1，S-2和S-3 的比例系數(shù)w分別為0.52，0.48，0.58，0.87，0.92和0.99。總體上，花崗巖的w比砂巖的w小，這說明花崗巖中2種損傷機(jī)理都存在，且比例大致相同，而砂巖中由于晶體缺陷導(dǎo)致的損傷比例較大，S-3幾乎都是這種損傷。在正交偏光下，花崗巖中的石英、長石、云母礦物自形程度相對較高，礦物顆粒接觸邊界較好(面?面接觸)，因此，熱損傷過程中存在顆粒之間的損傷與礦物晶體的劈裂；而砂巖為顆粒相互堆積與膠結(jié)物質(zhì)相互膠結(jié)的結(jié)構(gòu)，顆粒之間往往為點?點接觸，接觸面積較小，因此，熱損傷過程中的非均勻變形導(dǎo)致的損傷比例較小，而含缺陷晶體的損傷比例較大。

圖11 損傷變量試驗結(jié)果與模擬結(jié)果Fig.11 Results of damage variables obtained from experiment and simulation

關(guān)于巖石熱損傷的物理機(jī)理仍在討論之中。關(guān)于巖石在熱應(yīng)力下的損傷，目前有2種解釋：一種是梯度損傷，即礦物在非均勻溫度場中由于不同的膨脹導(dǎo)致的裂紋萌生或擴(kuò)展；另一種是非均勻變形損傷，即不同膨脹性或缺陷由于溫度作用導(dǎo)致的非均勻變形，當(dāng)變形超過礦物的承受范圍時，裂紋萌生或者擴(kuò)展。對于前者，在試驗中的溫度路徑下不會產(chǎn)生梯度損傷。按照梯度損傷理論，當(dāng)溫差導(dǎo)致的熱應(yīng)力超過材料的抗熱震性試驗中的熱應(yīng)力時，材料才會破裂。在巖石熱損傷試驗中，當(dāng)試樣溫度達(dá)到最大后，打開爐門的時刻是巖石表皮溫差最大的時刻，但是這時并沒有監(jiān)測到聲發(fā)射信號，在試驗溫度路徑下還不足以產(chǎn)生足夠的溫差使巖石出現(xiàn)梯度損傷?？梢?，由于不同礦物膨脹性的差異，在熱應(yīng)力下巖石的非均勻變形成為解釋巖石熱損傷的因素。石英、長石作為花崗巖和砂巖的主要礦物，兩者在巖石中的比例很大，這2種顆粒間的接觸關(guān)系是巖石結(jié)構(gòu)的重要組成部分。當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時，石英的熱膨脹系數(shù)是長石的4倍，這種性質(zhì)可能導(dǎo)致石英和長石礦物接觸部位出現(xiàn)損傷。

巖石的熱損傷機(jī)理可以總結(jié)為2個層面：微觀結(jié)構(gòu)的物理差異和力學(xué)機(jī)理。巖石的微觀結(jié)構(gòu)具有差異性，如花崗巖結(jié)晶顆粒的面?面接觸和砂巖碎屑顆粒的點?點接觸。不同巖石結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致不同巖石在熱損傷中表現(xiàn)出不同的損傷演化形式。GHAFFARI等[29]對巖石熱損傷的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了探討，認(rèn)為巖石熱損傷的力學(xué)原因有2個：第一是材料非均勻變形導(dǎo)致的局部破裂，第二是含缺陷晶體在壓縮應(yīng)力下的裂紋尖端擴(kuò)展。材料的非均勻變形導(dǎo)致的局部破裂和含缺陷晶體裂紋的擴(kuò)展是巖石在升溫階段損傷的力學(xué)因素；而含缺陷晶體裂紋尖端在壓縮應(yīng)力釋放下裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展是降溫階段損傷的因素。由于花崗巖和砂巖的結(jié)構(gòu)不同，花崗巖的面?面接觸面積較砂巖的點?點式接觸面積大，在升溫過程中非均勻變形導(dǎo)致的損傷要比砂巖的大；砂巖的升溫?fù)p傷較小，而在降溫過程中，砂巖中由于含缺陷晶體在壓縮應(yīng)力釋放下的損傷占比較大。

3 結(jié)論

1)不同巖石在經(jīng)歷高溫(500 ℃)作用后發(fā)生諸多變化。宏觀表現(xiàn)為顏色加深，其中，花崗巖G-2由灰白色變?yōu)闇\肉紅色，砂巖S-2和S-3 分別由灰白色、灰綠色變?yōu)榛液谏Ｎ⒂^結(jié)構(gòu)變化表現(xiàn)在2個方面：一是微觀裂隙更加發(fā)育，二是正交偏光下糙面粗糙度更大，這說明高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力對巖石微觀裂隙的萌生和擴(kuò)展具有明顯作用。

2)微觀裂隙的萌生和擴(kuò)展為采用聲發(fā)射技術(shù)實時監(jiān)測巖石熱損傷提供了基礎(chǔ)。巖石熱損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射頻率主要分為2個區(qū)間：0.1～20 kHz的低頻段和20～80 kHz的高頻段，據(jù)此可以將波形分為3種類型。聲發(fā)射幅值主要集中在50～70 dB。不同巖石在升溫和降溫過程中的聲發(fā)射信息具有較大差異?；◢弾r的熱損傷主要集中在升溫段，而砂巖的熱損傷主要集中在降溫段，且不同巖石類型的累計聲發(fā)射能量存在較大差異，揭示了巖石熱損傷演化存在高度的巖性依賴性。

3)根據(jù)溫度作用后巖石的彈性模量與實時監(jiān)測的聲發(fā)射能量建立的巖石損傷數(shù)學(xué)模型能夠較好地表征巖石損傷隨溫度升高或降低的演化。巖石中存在2種損傷機(jī)理?；◢弾r中非均勻變形和含缺陷礦物的損傷比例大致相等，而砂巖中的含缺陷礦物的損傷比例明顯比非均勻變形損傷的比例高。通過正交偏光下圖像分析，得到了損傷機(jī)理與巖石結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。花崗巖中礦物顆粒的面?面接觸是非均勻變形損傷的主要原因，砂巖中礦物結(jié)構(gòu)主要為點?點式的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致非均勻損傷比例減小，而含缺陷礦物在降溫過程中的損傷比例較大。