《ACS Omega》：Study on Effects of Mineral and Pore Characteristics on Mechanical Behavior and Acoustic Emission of Sandstone
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本文通过单轴压缩下的声发射（Acoustic Emission, AE）实验，结合核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）与扫描电镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）技术，系统研究了五种中粒砂岩的矿物含量、孔隙结构（孔隙度与孔隙类型）对其力学性能、破坏机制及AE特性的影响规律，揭示了矿物-孔隙耦合作用下的损伤演化机制，为砂岩岩体稳定性评估与监测提供了科学依据。
1. 引言
岩石作为天然多孔材料，其物理力学性质受矿物成分、含量、尺寸、排列及孔隙结构等多种因素影响。在地质工程中，常遇到名称相同但力学性质差异显著的岩层，以砂岩最为典型。因此，为确保工程安全，研究砂岩的矿物特征与孔隙结构对其力学性能、破坏机制及声发射（AE）信号的影响至关重要。声发射是岩石在外部荷载下通过瞬时弹性波释放局部应变能的过程，蕴含了岩石内部损伤过程的关键信息，被广泛应用于岩石力学研究。然而，现有研究在探讨矿物含量和孔隙结构共同对砂岩力学性能、破坏机制及AE特性的影响方面相对有限。为填补此空白，本研究对五种中粒砂岩开展单轴压缩下的AE实验，结合NMR和SEM技术，系统分析矿物含量和孔隙结构的影响，并利用分形理论、RA（rise time/amplitude）与AF（average frequency）参数及主频信号特征，探究砂岩内部微观裂纹演化与破坏模式的复杂性。
2. 材料与方法
研究所用砂岩试样采自中国两个不同的地层单元，分别为湖南吉首中泥盆统跳马涧组（D2t）和四川雅安上三叠统须家河组（T3xj）。所有样品均按国际岩石力学学会（ISRM）建议标准加工成直径50毫米、高100毫米的标准圆柱试样。测试设备包括偏光显微镜（用于薄片岩相鉴定）、核磁共振分析仪（MacroMR12–150H–I，用于孔隙结构分析）、WAW-1000 kN电液伺服试验机（用于单轴压缩试验）、PCI-2数字声发射系统（用于AE监测）以及COXEM EM-30扫描电镜（用于破坏后断面形貌观察）。根据孔隙结构特征，将砂岩分为高孔隙度（1号和2号岩样）和低孔隙度（3-5号岩样）两组，其中3-5号岩样用于分析不同矿物含量的影响。
3. 结果与分析
3.1. 矿物特征
薄片鉴定表明，砂岩矿物组成基本相似，主要由长石、石英、云母、硅质岩屑和泥质岩屑构成。长石和石英含量最高，长石百分比在25-62%之间，石英百分比在22-70%之间，矿物粒径范围均为0.1-0.5毫米。因此，本实验不考虑矿物成分和粒径对结果的影响。
3.2. 不同砂岩的孔隙结构表征
通过核磁共振T2谱分析，砂岩孔隙度在7.26%至13.2%之间。T2谱呈典型“三峰”分布，对应砂岩中的微孔、中孔和大孔。其中，第一峰和第二峰面积之和超过99.1%，表明微孔和中孔构成了砂岩孔隙的主体。例如，1号岩样的中孔比例高达73.3%，主导了其孔隙结构。
3.3. 矿物含量、孔隙结构与力学特性
砂岩的单轴抗压强度（Uniaxial Compressive Strength, UCS）和弹性模量（Elastic Modulus, E）受矿物含量和孔隙结构的共同控制。当砂岩矿物含量相似时（如1-3号样），其UCS和E与孔隙度呈负相关，并受中孔比例的影响。孔隙度越高、中孔比例越大，矿物颗粒间的粘结力和内摩擦角越弱，导致UCS和E降低。当砂岩孔隙结构相似时（如3-5号样），其UCS和E与长石及其他附属矿物含量呈正相关，与石英含量呈相反趋势。这可以从微观力学角度解释：长石等矿物通过增强颗粒间粘结和载荷传递来提高砂岩骨架稳定性，而石英虽然强度高，但其更大的脆性和棱角形态易在加载下诱发局部应力集中和微裂纹萌生，从而降低整体强度。
3.4. 不同砂岩的破坏特征
宏观破坏模式存在显著差异：1号岩样表现为以多条垂直裂纹为主的拉伸破坏模式，而2-5号岩样均表现为以剪切滑移破裂面为主的剪切破坏模式。结合SEM断口形貌分析发现，1号岩样以胶结物质的破坏为主，伴有部分晶体断裂；而2-5号岩样穿晶断裂（Transgranular cracking, TG）明显增多，晶体断裂占主导。1号岩样独特的拉伸破坏模式与其高达73.3%的中孔比例有关，过多的中孔削弱了矿物颗粒间相互作用，使应力更易在中孔周围集中，诱发微裂纹产生，并在扩展时不易遇到石英等致密颗粒，从而呈线性延伸，最终表现为拉伸破坏。
3.5. 不同砂岩的AE能量与累积AE能量特征
AE能量直接反映了内部微裂纹活动的强度。高孔隙度砂岩（1、2号）在整个加载过程中产生大量AE能量信号，且累积AE能量峰值滞后于应力峰值。这是因为高孔隙度砂岩更易变形，AE信号活跃；峰值应力时矿物颗粒间的摩擦和微裂纹闭合抑制了宏观裂纹扩展，使试样在较高应力下保持相对完整，应力调整后裂纹才迅速扩展贯通，导致累积AE能量骤增。低孔隙度砂岩（3-5号）的AE能量与累积AE能量曲线呈现一致的三阶段特征：初始压实阶段（A）、静止阶段（B）和爆发阶段（C）。矿物含量对AE能量曲线特征无显著影响。破坏时，低孔隙度砂岩（3号）的累积AE能量高于矿物含量相似的高孔隙度砂岩（2号），其根本原因在于不同的微观断裂机制（晶体断裂增多）以及低孔隙度砂岩更高的胶结程度和自约束能力。
3.6. 不同砂岩AE能量的分形表征
采用G·P关联维算法计算了AE能量的分形维数（Fractal Dimension, D）。D值的演化可分为两种模式：持续下降型（1号岩样）和持续波动型（2-5号岩样）。D值的增减通常意味着岩石内部结构有序性的增强或减弱。1号岩样D值持续下降，与其破坏以胶结物质破裂为主、AE能量释放相对有序有关。2-5号岩样D值持续波动，则反映了晶体断裂和破碎增多导致应力不断调整，AE能量释放呈混沌无序状态。因此，AE能量的分形特征直接受砂岩断裂机制影响，断口形貌特征可用于推断D值的变化规律。
3.7. 基于RA和AF值的断裂机制分析
通过上升时间与振幅比（RA）和平均频率（AF）参数对裂纹进行定量分析。结果显示，不同砂岩的RA和AF分布范围基本一致。统计发现，1号岩样拉伸裂纹比例较高（73.08%），而2-5号岩样均以剪切裂纹为主（比例在68.32%-73.84%之间）。RA-AF裂纹分类统计结果与宏观破坏特征一致。在加载过程中，拉伸和剪切裂纹同时出现，但在不稳定破坏阶段两者数量均急剧增加。值得注意的是，与剪切裂纹相对应的累积AE能量始终占主导地位（比例在77.01%-78.55%之间），这与剪切应力导致矿物颗粒相对滑动产生摩擦和变形，从而释放更高能量有关。裂纹演化特征的差异与孔隙结构相关：1号岩样拉伸裂纹显著多于2-5号岩样，可归因于其高比例的中孔削弱了胶结性能，使压力诱发的微裂纹更易扩展为拉伸裂纹。矿物含量则不影响砂岩的微观裂纹演化模式。
3.8. 不同砂岩主频演化特征
通过对AE原始波形数据进行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）获取主频。不同砂岩的主频分布在三个区间：低频（0–20 kHz）、中频（20–60 kHz，2号岩样为20-80 kHz）和高频（60–160 kHz）。根据高频信号分布特征可分为两类：加载初期高频缺失型（1、2号岩样）和加载初期高频离散型（3-5号岩样）。主频的分布和演化与孔隙度相关，反映了裂隙网络的复杂性。高孔隙度砂岩早期仅见低、中频信号，高频信号在第二阶段才出现，表明其早期内部断裂模式相对简单。低孔隙度砂岩在压实阶段即出现全部三个频段的信号，表明其早期内部断裂模式更复杂。所有砂岩在发生宏观破坏时，低、中、高频的累积信号均出现密集增长并达到峰值，呈现出“三频协同增长现象”，这是砂岩破坏固有的AE特征，与矿物含量和孔隙结构特性无关。这种现象源于破坏时内部裂纹扩展贯通形成宏观破裂面，断裂模式变得极为复杂。
4. 结论
本研究通过对五种中粒砂岩开展单轴压缩声发射测试，结合NMR与SEM技术，系统分析了矿物含量、孔隙结构对砂岩力学性能及AE特性的影响，主要结论如下：
(1) 砂岩的力学性能（UCS和E）受矿物学和孔隙结构的双重控制，与长石及附属矿物含量呈正相关，与石英含量呈负相关，同时与孔隙度及中孔比例呈负相关。
(2) AE能量与累积能量的时间演化是损伤过程的特征标志。高孔隙度砂岩表现为持续的AE活动及峰后能量释放；低孔隙度砂岩则呈现压实、静止、爆发的三相模式。
(3) 基于RA-AF值的裂纹类型分析与宏观破坏模式一致，并显示出对孔隙结构的依赖性。高中孔比例的砂岩以拉伸裂纹为主，孔隙分布更均匀的试样则以剪切裂纹为主。与剪切裂纹相关的累积AE能量始终更高，凸显了破坏过程中摩擦滑动和晶界相互作用的关键作用。
(4) AE主频的分布和演化与孔隙度内在相关，反映了裂隙网络的复杂性。高孔隙度砂岩早期高频信号的缺失与低孔隙度砂岩早期高频信号的离散分布形成对比。宏观破坏时普遍存在的“三频协同增长现象”是与矿物学变化无关的基本AE破裂特征。
