声发射揭示岩石热损伤演化过程

1.背景

岩石的热损伤演化与许多重要的科学和工程问题密切相关，如地震机制、深部地热能的有效开采等。然而，目前还缺乏合理的热损伤演化模型，尤其是在冷却过程中，热损伤的机理尚不清楚。利用专门设计的声发射（AE）测试系统，我们探索了岩石的热损伤评估，并建立了考虑加热和冷却过程的热损伤演化模型。利用DLSM分析了加热和冷却引起岩石损伤的机理。

岩石的热损伤问题一直是地球科学中的一个有趣的话题，并引起了广泛的关注。温度对岩石有重大影响。断层的热致活化可能是断层运动甚至可能是地震的一种机制。此外，在地热开采中，注入热岩的冷流体可能导致微震事件。在某些特定的地下工程中，如核废料处理或隧道和地铁火灾，热损伤与工程安全密切相关。因此，有必要对岩石的热损伤进行研究。然而，真实的地质环境过于复杂（如高压和高温），无法客观地发现温度对岩石损伤的确切影响。

2.目的

为了验证实验结果和理论模型，我们采用DLSM研究了岩石的热损伤过程。我们的数值结果不仅很好地再现了热损伤过程，而且揭示了热损伤的机理。

3.试验过程

1.损伤程序和声发射监测

2. 声发射测试系统的验证

3. 评估热损伤演化

4. 数值模拟验证

图13 用DLSM模拟热损伤的流程图

图14 对MSM和MDM进行了归一化分析，验证了MSM模拟热损伤、MDM模拟冷损伤的可行性。 (b)纳入模型的损伤变量、实验结果和理论结果显示出一致的演化趋势。

图15. 热损伤演化的模拟结果

(一)微观结构模型。 热损伤随温度的升高而发生和发展。 大部分损伤发生在接触部位，特别是接触角处。 (b) Microdefect模型。 在压缩应力作用下，有缺陷晶体在冷却过程中持续的损伤。 红色代表最大破坏程度。 加热后缺陷尖端出现两条拉伸裂纹。 随着冷却过程的进行，裂纹不断出现，并向晶界扩展。 在线动画可以显示损伤随温度的变化。 (为了解释图中颜色的含义，读者可以参考本文的Web版本）

4.结论

利用新开发的声发射测试系统对岩石的热损伤进行了研究，并推导了损伤演化模型。最后，通过数值模拟讨论了损伤机理。主要结论如下：（1）声发射技术用于岩石热损伤研究是可行的。该技术的主要优点是确定加热和冷却过程中热损伤变量的演变。（2） 在热损伤过程（加热和冷却）中，存在两种类型的声发射波：宽带波（包括1型和2型）和高频波。声发射波的频率分布从0。1千赫至80千赫。（3） 与累积计数相比，累积能量密度更能表征热损伤，由此建立了热损伤演化模型。该模型描述了砂岩在任何实时温度下的损伤程度。（4） 通过DLSM，我们分别建立了非均匀微观结构模型和微缺陷结构模型，以再现热损伤和冷却损伤。综合数值结果很好地再现了实验所揭示的损伤演化过程。