JGR-Solid Earth论文速递: 微裂纹成核导致高温下花岗岩力学性质急剧劣化

研究高温荷载下花岗岩的非线性力学性质对于提高干热岩地热资源开采效率、理解地球深部演化规律等具有重要意义。如图1所示，大量文献表明，在400-600℃荷载下花岗岩的力学性质会急剧劣化。本文通过设计微观岩石力学实验，实时清晰地观察到了高温导致的花岗岩微裂纹起裂、扩展和聚集成核全过程。发现热致微裂纹聚集成核发生在400-600℃温度区间，与花岗岩宏观力学参数非线性演变规律一致。并且，通过精确晶体模型仿真，验证了微裂纹累积是花岗岩单轴抗压强度和杨氏模量等参数显著降低的主因。传统观点认为高温下石英α-β相变过程是导致花岗岩力学性质急剧劣化的主因，但是，实验结果表明石英的相变过程发生在570℃左右，与花岗岩宏观力学参数非线性演变规律不吻合。

(a) 微裂缝累积和宏观杨氏模量的关联性

实验方法：现有的CT、声发射、扫描电镜等实验技术无法实时、清晰地观察高温荷载下花岗岩微裂纹演变过程。因此，团队研发了适用于光学显微镜的超高温加热台(图2a)，实时观察加热过程中花岗岩薄片试样的微裂纹扩展过程(图2b)。

图2 微观岩石力学实验平台和热致微裂纹演变过程

实验结果分析：在300℃温度区间，微裂纹开始萌生。在400 ~ 600℃温度区间，裂缝逐渐扩展形成网络、聚集成结。在573℃左右，石英矿物发生膨胀碎裂。微裂纹聚集成结的阈值温度远低于石英α-β相变温度。在700 ~ 800℃温度区间，由于黑云母存在大量天然解理面，黑云母内部微裂纹主要沿解理面穿晶扩展。

图3 实时加热实验的显微图像显示了花岗岩样品在不同温度下的微裂纹演化

数值仿真：基于纳米压痕、AFM等微观岩石力学实验结果，本文建立了花岗岩精确晶体模型（Accurate Grain-based Model, AGBM）。如图4所示，在AGBM基础之上，通过数值仿真揭示了高温荷载下微裂缝、应力-应变场演变全过程。结果表明，矿物热膨胀和力学性质的非均匀性导致局部热应力集中。长石与石英之间的不均匀拉压应力、黑云母周围的剪切应力是微裂纹萌生和扩展的主要原因。

图4 高温荷载下应力场演变仿真

研究成果由武汉大学和美国劳伦斯伯克利国家实验室共同完成，发表在自然指数期刊JGR-Solid Earth：

Jingjing Xu, Yiheng Zhang, Jonny Rutqvist, Mengsu Hu, Zhengzhi Wang, Tang Xuhai (通讯作者). Thermally induced microcracks in granite and their effect on the macroscale mechanical behavior [J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2023, e2022JB 024920. DOI: 10.1029/2022JB024920

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