吴星辉等：热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 3 精力来研究高温对岩石性质的影响.早在1979年， 隙度测试，研究孔隙度在高温作用下的变化，发现 Bauer和Johnson!)开展了高温作用下的花岗岩物 三种岩石孔隙度随温度的变化特性相似，随着处 理特性研究，研究中采用缓慢加热的方式对西风 理温度的增大而孔隙度增大，如图1所示，孔隙度 花岗岩和炭质花岗岩进行加热，分别讨论了温度 先缓慢增大，然后快速增大，在此过程中得出岩石 对两种花岗岩物理特性的影响.Trice和Warren! 热损伤温度阈值.而Zhang等发现高温处理后 对不同高温处理后的花岗闪长岩进行波速和渗透 的Carrara大理岩渗透率在327~427℃之间显著 率测试，得到温度与波速、温度与渗透率之间的关 增大，但是连通性轻微减弱，认为在327~427℃ 系.张卫强阿开展灰岩、砂岩和花岗岩三种岩石孔 之间存在一个温度阈值 3.5 10.0 4.5 (a) (b) 3.0 4.0 (c) Rapid 9.5 Rapid 3.5 2.5 ■ 、2.0 9.0 25 1.5 Rapid 1.0 Slow Slow ■ 1.5 Slow 8.0 1.0 0.5 ◆ ◆ 0.5 ■ 0.0 7.5 0.0 100200300400500 600 0 100200300400500600 200400600800 1000 Temperature/℃ Temperature/C Temperature/C 图1岩石孔隙度随温度的变化特征(a)灰岩：(b)砂岩：(c)花岗岩 Fig.1 Variation characteristics of rock porosity with temperaturelsl:(a)limestone;(b)sandstone;(c)granite 岩石物理性质不仅受加热作用影响，冷却方 产生这种现象的决定因素并不是微裂纹的产生， 式同样也会影响岩石热损伤物理性质的变化.靳 而是花岗岩含水矿物的脱水相变和高温造成的岩 佩桦等开展了急冷却作用下花岗岩渗透率变化 石部分熔融.而在1998年，席道瑛等选择大理 研究，采用压力脉冲衰减法对花岗岩渗透率进行 岩、花岗岩和砂岩进行高温(60~600℃)试验，高 测试，结果发现随着温度的升高，渗透率先缓慢增 温处理后对岩石进行波速测试，测试结果为波速 加后急剧增加.在前期缓慢升温阶段，花岗岩由于 随温度的增加而减小，其认为波速的下降原因 相邻矿物晶粒的热膨胀系数不同产生的变形不协 除了矿物相变和微裂纹增长以外，还包括黏滞系 调导致岩石热破裂：在急剧冷却阶段，花岗岩再次 数和孔隙度的增大.胡建军o不仅发现灰岩波速 受到沿径向方向的拉应力，同时诱发微裂纹的产 在100~500℃逐渐下降，而且发现波速下降与加 生，从而使花岗岩的渗透性再次增加 热循环次数有关，随着循环次数的增加波速变化 1996年，赵志丹等8剧开展高温高压作用后的 率增大.此外，在循环次数相同情况下，随着处理 花岗岩纵波波速测试，通过测试结果发现纵波存 温度的升高波速下降的变化率逐渐增大，如图2 在波速降低现象，并对该现象进行了分析.他认为 所示 a (b) 4 --Cycle time 0 Cycle time I -100℃ A-Cycle time 2 ◆200℃ Cycle time 3 Cvcle time 4 ◆一 8 Cycle time 5 500℃ 100 200 300 400 500 0 3 Temperature/C Cycle time 国2高温热处理后灰岩纵波波速随温度的变化()，以及随循环次数的变化(b)侧 Fig.2 Changes in the P-wave velocity with (a)temperature and (b)cycle time of limestone after high-temperature heat treatment精力来研究高温对岩石性质的影响. 早在 1979 年， Bauer 和 Johnson[3] 开展了高温作用下的花岗岩物 理特性研究，研究中采用缓慢加热的方式对西风 花岗岩和炭质花岗岩进行加热，分别讨论了温度 对两种花岗岩物理特性的影响. Trice 和 Warren[4] 对不同高温处理后的花岗闪长岩进行波速和渗透 率测试，得到温度与波速、温度与渗透率之间的关 系. 张卫强[5] 开展灰岩、砂岩和花岗岩三种岩石孔 隙度测试，研究孔隙度在高温作用下的变化，发现 三种岩石孔隙度随温度的变化特性相似，随着处 理温度的增大而孔隙度增大，如图 1 所示，孔隙度 先缓慢增大，然后快速增大，在此过程中得出岩石 热损伤温度阈值. 而 Zhang 等[6] 发现高温处理后 的 Carrara 大理岩渗透率在 327～427 ℃ 之间显著 增大，但是连通性轻微减弱，认为在 327～427 ℃ 之间存在一个温度阈值. 0 100 200 300 400 500 600 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Porosity/ % Temperature/℃ Slow Rapid (a) (b) 0 100 200 300 400 500 600 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 Porosity/ % Temperature/℃ Slow Rapid (c) 0 200 400 600 800 1000 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 Porosity/ % Temperature/℃ Slow Rapid 图 1    岩石孔隙度随温度的变化特征[5] . （a）灰岩；（b）砂岩；（c）花岗岩 Fig.1    Variation characteristics of rock porosity with temperature[5] : (a) limestone; (b) sandstone; (c) granite 岩石物理性质不仅受加热作用影响，冷却方 式同样也会影响岩石热损伤物理性质的变化. 靳 佩桦等[7] 开展了急冷却作用下花岗岩渗透率变化 研究，采用压力脉冲衰减法对花岗岩渗透率进行 测试，结果发现随着温度的升高，渗透率先缓慢增 加后急剧增加. 在前期缓慢升温阶段，花岗岩由于 相邻矿物晶粒的热膨胀系数不同产生的变形不协 调导致岩石热破裂；在急剧冷却阶段，花岗岩再次 受到沿径向方向的拉应力，同时诱发微裂纹的产 生，从而使花岗岩的渗透性再次增加. 1996 年，赵志丹等[8] 开展高温高压作用后的 花岗岩纵波波速测试，通过测试结果发现纵波存 在波速降低现象，并对该现象进行了分析. 他认为 产生这种现象的决定因素并不是微裂纹的产生， 而是花岗岩含水矿物的脱水相变和高温造成的岩 石部分熔融. 而在 1998 年，席道瑛等[9] 选择大理 岩、花岗岩和砂岩进行高温（60～600 ℃）试验，高 温处理后对岩石进行波速测试，测试结果为波速 随温度的增加而减小，其认为波速的下降原因 除了矿物相变和微裂纹增长以外，还包括黏滞系 数和孔隙度的增大. 胡建军[10] 不仅发现灰岩波速 在 100～500 ℃ 逐渐下降，而且发现波速下降与加 热循环次数有关，随着循环次数的增加波速变化 率增大. 此外，在循环次数相同情况下，随着处理 温度的升高波速下降的变化率逐渐增大，如图 2 所示. 100 200 300 400 500 1 2 3 4 5 Temperature/℃ Cycle time 0 Cycle time 1 Cycle time 2 Cycle time 3 Cycle time 4 Cycle time 5 P-wave velocity/(km·s−1 ) (a) 0 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Cycle time 100 ℃ 200 ℃ 300 ℃ 400 ℃ 500 ℃ P-wave velocity/(km·s−1 ) (b) 图 2    高温热处理后灰岩纵波波速随温度的变化（a），以及随循环次数的变化（b） [10] Fig.2    Changes in the P-wave velocity with (a) temperature and (b) cycle time of limestone after high-temperature heat treatment[10] 吴星辉等： 热损伤岩石物理力学特性演化机制研究进展 · 3 ·