工程科学学报，第44卷，第X期 的物理力学性质开展了大量研究.在微观结构方面， 主要是使用显微电子计算机断层扫描技术(CT)、扫 描电子显微镜(SEM)、光学电子显微镜和核磁共振成 像分析仪(NMR)等设备对岩石微裂纹演化进行研究 早在20世纪60年代，Bieniawski已经系统 地论述了岩石脆性破裂的机制，之后又有许多相 困6彭水页岩微观结构图可.(a)50℃：(b)500℃ 关学者以揭示岩石破裂由微观到宏观的发展过 Fig.6 SEM photographs of Pengshui shale(a)50C:(b)500C 程为目的做了大量的实验和理论研究工作，使关 成影响.吴晓东等1借助扫描电镜观察岩石矿物 于岩石力学方面的研究趋势逐渐由宏观向微观、 由定性描述向定量分析转变.在发展过程中， 颗粒晶间裂纹在不同温度下的发育程度，认为600℃ Hallbaucr等把作用过不同的应力水平的岩石试 时品间裂缝发有明显，800℃时品内裂缝和穿品 件制成薄片，通过光学显微镜进行观察，得出岩石 裂缝形成了交叉裂缝网络 微裂纹随应力水平的增大先随机分散分布而后在 岩石受到热损伤的宏观表现为微裂纹萌生以 窄带集中分布，最后贯通形成宏观断裂带的结论 及发育的过程，通过试验分析微裂纹在不同温度 随后，扫描电镜(SEM)设备被引入岩石热损 下的发育程度判别岩石受到损伤程度.左建平等 伤的研究，通过扫描电镜对热损伤岩石表面进行 借助SM研究温度-拉应力共同作用下砂岩破坏 观察，对比分析不同温度作用下热破裂程度，同时 的断口形貌.研究发现：随着温度的升高，砂岩的 国内外学者借助扫描电镜试验研究陆续发表了多 断裂机制由局部脆性为主向局部脆性和局部延性 项岩石微破裂方面的成果.谢卫红等4)通过高温 混合断裂机制转变，如图7所示.偏光显微技术在 疲劳试验机与扫描电镜相结合的方法对石灰岩的 研究不同温度作用下的微观结构方面发挥了重要 热损伤机制进行研究，研究发现以500℃为拐点， 作用，从机理上揭示了宏观岩石力学参量的变化 超过拐点后由于岩石内部结构发生变化导致岩石 特征.为了探究岩石结构热应力的成因，借助光学 力学强度大幅度减小.通过岩石力学演化特征，建 显微镜观测不同温度作用下的两种石英岩微观结 立岩石裂纹生长模型，姜崇喜和谢强在大理岩 构，石英岩中矿物非均质性会引起结构热应力，从 试样进行单轴压缩的过程中利用扫描电镜(SEM) 而导致岩石强度降低.赵亚永等0采用偏光显微 对试样细观变形和强度特性进行实时、动态的观 镜、扫描电子显微镜和热分析仪等方法研究了鹤 察，监测了岩石试样细观结构对裂纹起裂和发育 壁砂岩在1200℃内不同温度段的微观结构变化， 过程的影响情况，描述了试样细观破坏过程与宏 研究结果发现：在不同温度阶段微裂纹表现形式 观力学特性的响应关系.岩石微结构中的矿物成 不同，随着温度的增加裂纹数量相应增加 分和不同成分的排列组合情况都会对岩石宏观特 (a) (b) 性造成影响.尚嘉兰等以香港花岗岩为研究对 象，利用电子显微镜观察岩石微结构及晶胞的排 列组合，研究结果表明：微裂纹的形成、扩展、发 育以及贯通成宏观裂纹的每一步都受到岩石微结 构的影响.Wu和Thomsen!4)通过对比Westerly花 岗岩在单轴压缩蠕变实验中的微破裂事件累积数 (c) Crackinitiation 1 (d) 和偏光显微镜下的微裂纹数，发现在后者观察到 Grackimmaton2 的裂纹比前者微破裂事件数要少.姜广辉7采用 多种试验手段，获得不同类型岩石物理性质随温 度变化规律，并结合扫描电镜直观观测结果（图6）， Cradk initiaton2 综合全面地分析岩石受热后微观结构的演化规 律，发现岩石受热处理后颗粒粒径会明显减小，且 图7高温疲劳作用下的砂岩断口图网.(a)150℃：(b)200℃：(c)200 分布更加集中 ℃：(d)300℃ 矿物颗粒之间的品间裂纹和矿物相变同样影 Fig.7 Fracturing of sandstone under high temperature fatiguel:(a)150 响着岩石微观结构，进而对岩石物理力学特征造 ℃，(b)200℃，(c)200℃：(d)300℃的物理力学性质开展了大量研究. 在微观结构方面， 主要是使用显微电子计算机断层扫描技术 (CT)、扫 描电子显微镜 (SEM)、光学电子显微镜和核磁共振成 像分析仪（NMR）等设备对岩石微裂纹演化进行研究. 早在 20 世纪 60 年代，Bieniawski[41] 已经系统 地论述了岩石脆性破裂的机制，之后又有许多相 关学者以揭示岩石破裂由微观到宏观的发展过 程为目的做了大量的实验和理论研究工作，使关 于岩石力学方面的研究趋势逐渐由宏观向微观、 由定性描述向定量分析转变. 在发展过程中 ， Hallbaucr 等[42] 把作用过不同的应力水平的岩石试 件制成薄片，通过光学显微镜进行观察，得出岩石 微裂纹随应力水平的增大先随机分散分布而后在 窄带集中分布，最后贯通形成宏观断裂带的结论. 随后，扫描电镜（SEM）设备被引入岩石热损 伤的研究，通过扫描电镜对热损伤岩石表面进行 观察，对比分析不同温度作用下热破裂程度，同时 国内外学者借助扫描电镜试验研究陆续发表了多 项岩石微破裂方面的成果. 谢卫红等[43] 通过高温 疲劳试验机与扫描电镜相结合的方法对石灰岩的 热损伤机制进行研究，研究发现以 500 ℃ 为拐点， 超过拐点后由于岩石内部结构发生变化导致岩石 力学强度大幅度减小. 通过岩石力学演化特征，建 立岩石裂纹生长模型，姜崇喜和谢强[44] 在大理岩 试样进行单轴压缩的过程中利用扫描电镜（SEM） 对试样细观变形和强度特性进行实时、动态的观 察，监测了岩石试样细观结构对裂纹起裂和发育 过程的影响情况，描述了试样细观破坏过程与宏 观力学特性的响应关系. 岩石微结构中的矿物成 分和不同成分的排列组合情况都会对岩石宏观特 性造成影响. 尚嘉兰等[45] 以香港花岗岩为研究对 象，利用电子显微镜观察岩石微结构及晶胞的排 列组合，研究结果表明：微裂纹的形成、扩展、发 育以及贯通成宏观裂纹的每一步都受到岩石微结 构的影响. Wu 和 Thomsen[46] 通过对比 Westerly 花 岗岩在单轴压缩蠕变实验中的微破裂事件累积数 和偏光显微镜下的微裂纹数，发现在后者观察到 的裂纹比前者微破裂事件数要少. 姜广辉[47] 采用 多种试验手段，获得不同类型岩石物理性质随温 度变化规律，并结合扫描电镜直观观测结果（图 6）， 综合全面地分析岩石受热后微观结构的演化规 律，发现岩石受热处理后颗粒粒径会明显减小，且 分布更加集中. 矿物颗粒之间的晶间裂纹和矿物相变同样影 响着岩石微观结构，进而对岩石物理力学特征造 成影响. 吴晓东等[48] 借助扫描电镜观察岩石矿物 颗粒晶间裂纹在不同温度下的发育程度，认为 600 ℃ 时晶间裂缝发育明显，800 ℃ 时晶内裂缝和穿晶 裂缝形成了交叉裂缝网络. 岩石受到热损伤的宏观表现为微裂纹萌生以 及发育的过程，通过试验分析微裂纹在不同温度 下的发育程度判别岩石受到损伤程度. 左建平等[49] 借助 SEM 研究温度−拉应力共同作用下砂岩破坏 的断口形貌. 研究发现：随着温度的升高，砂岩的 断裂机制由局部脆性为主向局部脆性和局部延性 混合断裂机制转变，如图 7 所示. 偏光显微技术在 研究不同温度作用下的微观结构方面发挥了重要 作用，从机理上揭示了宏观岩石力学参量的变化 特征. 为了探究岩石结构热应力的成因，借助光学 显微镜观测不同温度作用下的两种石英岩微观结 构，石英岩中矿物非均质性会引起结构热应力，从 而导致岩石强度降低. 赵亚永等[50] 采用偏光显微 镜、扫描电子显微镜和热分析仪等方法研究了鹤 壁砂岩在 1200 ℃ 内不同温度段的微观结构变化， 研究结果发现：在不同温度阶段微裂纹表现形式 不同，随着温度的增加裂纹数量相应增加. 10 μm 10 μm 10 μm 10 μm Crack initiation Crack initiation Crack initiation 1 Crack initiation 1 Crack initiation 2 Crack initiation 2 Crack initiation 4 Crack initiation 3 Crack initiation 3 (a) (b) (c) (d) 图 7    高温疲劳作用下的砂岩断口图[49] . （a）150 ℃；（b）200 ℃；（c）200 ℃；（d）300 ℃ Fig.7    Fracturing of sandstone under high temperature fatigue[49] : (a) 150 ℃; (b) 200 ℃; (c) 200 ℃；(d) 300 ℃ (a) (b) 10 μm 10 μm 图 6    彭水页岩微观结构图[47] . （a）50 ℃；（b）500 ℃ Fig.6    SEM photographs of Pengshui shale[47] : (a) 50 ℃；(b) 500 ℃ · 6 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期