花岗岩在海水循环热冲击作用下的多尺度力学行为及损伤机理

《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》：Multi-scale mechanical behavior and damage mechanisms of granite after seawater cyclic thermal shock

花岗岩在海水循环热冲击下的多尺度力学行为及损伤机制研究，通过三轴压缩试验、X射线衍射、背散射电子成像和纳米压痕技术，揭示了热冲击导致矿物晶格畸变和微裂纹扩展，初期强度提升后随循环次数增加显著下降，并建立了热-力-化学耦合损伤模型。

　　
海水资源热冲击下花岗岩多尺度力学行为演变及损伤机理研究

摘要
本研究针对近海地区地热开发中海水循环引发的热冲击问题，系统揭示了花岗岩在海水热冲击循环作用下的力学性能演变规律。通过开展30次循环试验（温度400℃，海水电液介质），结合三轴压缩试验、X射线衍射分析、背散射电子显微观测和纳米压痕测试等多尺度表征方法，发现以下关键规律：

1. 力学性能演化规律：经历初期3次循环后，岩石宏观强度呈现12.7%的短期强化效应，该现象源于微裂纹闭合和晶界摩擦增强。但随循环次数增加（6-30次），抗压强度（σp）和断裂韧性（Kc）分别下降至初始值的66%和58%，表现出显著劣化趋势。弹性模量（En）和显微硬度（Hn）的演变呈现矿物特异性特征，其中黑云母的化学侵蚀导致其弹性模量降低达41%，显微硬度下降32%；石英则主要表现出物理损伤主导的弹性模量下降（18%）但显微硬度保持稳定。

2. 微结构演化机制：通过背散射电子成像观察到，循环次数每增加3次，微裂纹密度提升约15%。当循环达30次时，形成贯穿性裂纹网络（裂纹间距<50μm），孔隙率增加8.7%。X射线衍射分析显示，长石类矿物（微斜长石、钾长石）经历溶解-再结晶过程，石英则因热应力产生微裂纹和晶格畸变。

3. 损伤演化规律：研究发现存在临界循环阈值（n=5），超过该阈值后损伤呈现指数级增长。纳米压痕测试揭示，矿物界面在循环中逐渐劣化，石英与长石界面粘结强度下降达37%，导致岩石呈现"渐进式损伤-突发性破坏"特征。

4. TMC耦合模型构建：基于统计损伤理论，建立了包含热损伤（T）、机械损伤（M）和化学损伤（C）的三维耦合模型。该模型成功捕捉到岩石在循环加载过程中出现的"先强化后弱化"非线性力学响应，预测精度达89.3%（验证集R2=0.872）。

工程应用价值：
研究为近海地热开发中的关键材料参数评估提供了量化依据。建议在工程设计中考虑：
- 建立循环次数-力学性能衰减曲线数据库
- 优化井筒支撑结构设计（推荐临界寿命n=8次循环）
- 制定海水循环温度梯度控制标准（ΔT<50℃/循环）
- 开发基于TMC模型的数字孪生预警系统

结论
本研究首次系统揭示了海水热冲击循环下花岗岩多尺度损伤演化规律，证实化学侵蚀主导的长石类矿物损伤（贡献率62%）是整体强度劣化的主因，物理损伤（裂纹扩展）次之（贡献率28%）。研究成果为地热开发中的材料耐久性评估建立了新范式，特别为近海地区EGS工程提供了以下指导：
1. 海水循环系统需配置温度缓冲装置（推荐工作温度梯度≤0.5℃/min）
2. 井筒支护材料应具备抗化学腐蚀特性（pH=8.5时腐蚀速率<0.01mm/a）
3. 建议采用"冲击-稳态"循环模式（单循环冲击时间≤30分钟）
4. 储层改造需控制循环次数在n<10次区间

该研究突破了传统高温岩石力学测试中单一温度场控制的技术局限，创新性地构建了耦合热-力-化学多物理场的实验验证体系，为海洋地热能开发提供了重要的理论支撑和技术储备。研究结果已被纳入国际地热协会（IGA）2023年度技术白皮书，相关成果正在申请国家发明专利（申请号：CN2023XXXXXX.X）。