張玉良，吳必勝，趙高峰

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

巖石熱損傷研究一直是地球科學領(lǐng)域的熱點，涉及深地熱開采、地下空間開發(fā)、地震帶穩(wěn)定等。熱導致斷層活化可能是斷層錯動乃至地震的機理之一[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]。在深部地熱開采中，冷流體遇到熱儲層可能導致微震事件[9]，而巖石損傷有助于地下儲層裂隙網(wǎng)絡的建立，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。人們對熱損傷進行了大量研究，對巖石熱損傷后的物理力學性質(zhì)研究主要集中在強度、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，其強度(包括單軸抗壓強度、抗拉強度)、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小；峰值強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 ℃)，自然冷卻的峰值強度或彈性模量比高溫下的小。然而，高溫下測試巖石力學性質(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

研究地熱儲層巖石的熱損傷對深地熱開采至關(guān)重要。圖1所示為世界上已建和在建的深地熱工程項目巖石種類分布及占比。由圖1可見：按照深地熱實踐中儲層巖石出現(xiàn)的頻次，火成巖是深地熱的主要巖石，沉積巖次之；深地熱儲層以花崗巖類、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行研究。

圖1 深部地熱儲層巖石分布及占比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。試樣形狀為標準圓柱(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，石英體積分數(shù)為40%，粒度為0.5～2.0 mm；長石體積分數(shù)為50%，粒度為0.5～2.0 mm；云母體積分數(shù)為10%。花崗巖G-2 呈淺黃色，主要礦物：石英、長石、云母體積分數(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、云母體積分數(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(體積分數(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(體積分數(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(體積分數(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)生的微裂隙將以應力波的形式傳播，采用波導桿(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)換為極坐標形式，極半徑序列就是聲發(fā)射信號的能量包絡[xE(t)]。假設聲發(fā)射信號的能量包絡是對稱的，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)為能量包絡線上的能量；xE(i)為能量包絡線上第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，對巖石試樣進行加熱，加熱過程中實時測量溫度和聲發(fā)射信息。

2)當溫度達到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?；◢弾rG-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)生的熱應力是導致巖石內(nèi)部損傷的重要原因，而裂隙的萌生、擴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。熱應力的作用導致巖石內(nèi)部裂隙的萌生和擴展，從而引起應力波傳播，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)升溫損傷較大而降溫損傷較小的規(guī)律，砂巖呈現(xiàn)升溫損傷較小而降溫損傷較大的規(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致的應力波，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行表征，大量試驗表明巖石的強度與彈性模量存在良好的對應關(guān)系，如花崗巖的強度普遍比砂巖的高，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損傷：

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)學模型。升溫損傷可以表示為

降溫損傷可以表示為

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 巖石熱損傷機理

巖石熱損傷的物理機理是一個復雜的過程，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，認為裂隙的萌生與擴展是巖石熱損傷的重要物理機理之一，也是在宏觀上各物理、力學參數(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展(即損傷)。從巖石力學角度，2 個階段對應的力學機理不同。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機理：巖石在升溫過程中，非均質(zhì)導致的非均勻變形乃至破裂；在降溫過程中，處在極限或準極限狀態(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力導致微裂紋從尖端擴展。假設巖石在熱損傷過程中含缺陷晶體導致的損傷比例為w，則非均勻變形導致的損傷比例為1?w。結(jié)合這2種損傷機理，數(shù)

值模擬的熱損傷比例RD(θ)為

式中：(θ)為含缺陷晶體導致的損傷變量；(θ)為非均勻變形導致的損傷變量。

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?；◢弾rG-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?？傮w上，花崗巖的w比砂巖的w小，這說明花崗巖中2種損傷機理都存在，且比例大致相同，而砂巖中由于晶體缺陷導致的損傷比例較大，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理仍在討論之中。關(guān)于巖石在熱應力下的損傷，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致的裂紋萌生或擴展；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致的非均勻變形，當變形超過礦物的承受范圍時，裂紋萌生或者擴展。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，當溫差導致的熱應力超過材料的抗熱震性試驗中的熱應力時，材料才會破裂。在巖石熱損傷試驗中，當試樣溫度達到最大后，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?？梢姡捎诓煌V物膨脹性的差異，在熱應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。當溫度達到600 ℃時，石英的熱膨脹系數(shù)是長石的4倍，這種性質(zhì)可能導致石英和長石礦物接觸部位出現(xiàn)損傷。

巖石的熱損傷機理可以總結(jié)為2個層面：微觀結(jié)構(gòu)的物理差異和力學機理。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機理進行了探討，認為巖石熱損傷的力學原因有2個：第一是材料非均勻變形導致的局部破裂，第二是含缺陷晶體在壓縮應力下的裂紋尖端擴展。材料的非均勻變形導致的局部破裂和含缺陷晶體裂紋的擴展是巖石在升溫階段損傷的力學因素；而含缺陷晶體裂紋尖端在壓縮應力釋放下裂紋的繼續(xù)擴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致的損傷要比砂巖的大；砂巖的升溫損傷較小，而在降溫過程中，砂巖中由于含缺陷晶體在壓縮應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?。微觀結(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)生的熱應力對巖石微觀裂隙的萌生和擴展具有明顯作用。

2)微觀裂隙的萌生和擴展為采用聲發(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。