干熱巖體熱沖擊后縱波波速演化規律研究

武治盛，馮子軍，惠 崢，石曉巔，趙陽升

(1.太原理工大學 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024；2.太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024)

0 引 言

隨著人類對能源需求的不斷增長，大量使用傳統化石能源帶來的資源枯竭問題和環境污染問題日益嚴峻，這迫使我國和全世界尋找與開發環境友好型的可再生能源。地熱資源是儲量巨大的、安全且可持續應用的綠色能源[1]。干熱巖作為地熱資源的載體之一，分布普遍，儲量豐富。在干熱巖地熱開發中作為儲留層的花崗巖不斷受熱沖擊而發生熱破裂，對高溫花崗巖體熱沖擊及熱破裂進行研究有助于進一步認識干熱巖儲留層的建造和演化規律。目前，國內外學者對涉及高溫巖石方面做了很多研究。趙陽升等[2-6]對砂巖和花崗巖在常溫至600 ℃的聲發射特征和滲透性演化進行研究，揭示巖石的熱破裂規律與滲透性的相關特征。徐小麗等對花崗巖在常溫至1 300 ℃溫度作用下的力學性質和結構晶體學性質的變化規律進行了研究，揭示了巖石組分的改變和結晶狀態的相變是導致高溫下花崗巖力學性質突變的重要原因[7-9]。郤保平等[10]通過600 ℃內高溫狀態花崗巖遇水冷卻后的力學特性試驗研究，探討了花崗巖體遇水熱破裂的劣化機制，發現高溫狀態花崗巖在遇水冷卻過程中，由于巖體內溫度急劇變化，巖體內產生熱破裂或熱沖擊現象，巖體力學性能劣化，導致超聲波速、單軸抗壓強度、抗拉強度及彈性模量隨溫度逐漸減小。朱振南等[11]通過對500 ℃內高溫花崗巖遇水冷卻后的物理力學特性試驗研究，結合SEM圖像說明了高溫花崗巖遇水冷卻后縱波波速和橫波波速皆隨溫度升高而降低，且縱波波速降低幅度大于橫波波速降幅。閆治國等[12]對經受不同高溫后熔結凝灰巖花崗巖及流紋狀凝灰角礫巖的波動特性進行了研究，分析比較了3種巖石縱波波速、密度、彈性模量及峰值應力隨經歷溫度的變化規律。鄧華鋒等[13]在巖石飽水度、縱波波速及強度的相關性研究中揭示了飽水、風干過程及各向異性對巖樣縱波波速、強度的影響。

近年來，進行了許多出露花崗巖體的實地考察，發現花崗巖因地質構造運動產生規模較大的節理裂隙，在后期花崗巖節理裂隙被巖漿、熱液充填的地質現象是普遍現象。深入分析在裂隙后期被充填的花崗巖體特征后，按照充填物特征分為巖漿充填與熱液充填2類。巖漿充填為花崗巖母巖巖體受地質構造作用，產生了大尺度的裂縫，在后期由于新的火山活動，使熔融巖漿侵入裂縫并冷凝結晶成巖，形成后期巖漿充填裂隙花崗巖體。后期巖漿充填裂隙花崗巖體的巖漿侵入溫度可達700～900 ℃，深度在3～10 km，由于壓力與溫度較高，結晶條件較好，故晶體為全晶質，呈中?；虼至＝Y構，侵入巖體規模往往較大[14]；熱液充填為巖漿經冷凝結晶分異過程產生的大量熱液，沿花崗巖體裂隙流動，并逐漸冷凝沉積于裂縫中，形成后期熱液充填裂隙花崗巖體。后期熱液充填裂隙花崗巖體的熱液溫度一般為300～600 ℃，深度在1.0～4.5 km，所成礦體呈不規則脈狀等形態[15]。

在深入研究天然花崗巖體的特征后，發現真正的干熱花崗巖體并非完整、無裂隙、均質的巖體[16]。在干熱巖實際開發中，后期巖漿、熱液充填裂隙干熱巖體中充填體與母巖的膠結面是一個弱面，極有可能成為人工儲留層的天然弱面通道或采用壓裂方法建造人工儲留層的率先破裂通道，從而使干熱巖人工儲留層建造變得更加容易且成本更低?？v波速度能夠反映巖石內部的整體損傷程度，是評價巖石損傷的一種方式?；诖?，針對后期熱液充填裂隙干熱巖體在熱沖擊后縱波波速演化規律進行研究，為斷層模式下干熱巖地熱開發中儲留層的建造及其結構演化提供參考依據。

1 試驗概況

1.1 巖樣制備

試驗樣品取自中國山西蘆芽山，蘆芽山花崗巖晶體顆粒很大(圖1)，一般晶粒尺寸為幾毫米到幾十毫米，說明該地區花崗巖是在深部緩慢冷凝結晶成巖，后被地質運動推置到地面。該區花崗巖的性態代表了深層干熱巖體的特征。本次研究巖樣即采自該區的采石場(圖2)，采用巖石取心鉆沿與膠結面平行和垂直方向取心，再取全部為母巖和充填體的巖樣(遠離膠結面)。全部完成取樣后巖樣分為4類：母巖即巖樣為遠離膠結面的純母巖；充填體即遠離膠結面的純充填體；左右結構花崗巖即膠結面為縱向分布，巖樣左右兩部分分別含有母巖和充填體的組合體；上下結構花崗巖即膠結面為橫向分布，巖樣上下兩部分分別含有母巖和充填體的組合體。巖樣在試驗室全部加工成?50 mm×100 mm的標準樣(圖3)。

圖1 蘆芽山某采石場Fig.1 Granite of quarry in Luya Mountain

圖2 蘆芽山含膠結面熱液充填的花崗巖體Fig.2 Magma-filled granite body withcemented surface in Luya Mountain

圖3 4類花崗巖部分巖樣Fig.3 Four types of granite partial rock samples

1.2 試驗方法與步驟

1.2.1 自然吸水率與波速試驗

用游標卡尺測量4類花崗巖(母巖、充填體、左右結構、上下結構)各個巖樣直徑和高度；將巖樣放入(60±2)℃的恒溫干燥箱中干燥48 h至恒重，再放入干燥器中冷卻至室溫后取出用電子天平(0.01 g)稱其質量，然后立即用NM-4B非金屬超聲檢測儀測其波速。再將巖樣浸入25 ℃左右的清水中48 h后，用擰干的毛巾輕輕擦去巖樣表面的水分，立即測其吸水后質量和波速。

1.2.2 沖擊次數對波速的影響試驗

把4類花崗巖部分巖樣烘干干燥后先測其未熱沖擊前波速，然后置于馬弗爐中，設置加熱速率為2 ℃/min，加熱至300 ℃后保溫4 h。將4類花崗巖巖樣從馬弗爐中快速取出后，立即放入預先準備的4桶15 L的0 ℃冰水混合物中冷卻，浸泡時間為2 h，以保證巖樣完全冷卻。取出巖樣進行烘干干燥后快速進行波速測試，第1次熱沖擊波速測試完成。按照上述試驗步驟再將巖樣加熱300 ℃后冷卻干燥測其波速，試驗重復熱沖擊次數為5次，最后測得4類巖樣在300 ℃下不同沖擊次數后的波速。

1.2.3 不同冷卻方式下沖擊溫度對波速的影響試驗

將4類花崗巖下的巖樣分為2組：第1組放入馬弗爐加熱，設置加熱速率為2 ℃/min，加熱至目標溫度后保溫4 h。然后將巖樣取出立即放入0 ℃冰水混合物中冷卻2 h，重復加熱、水冷卻5次，恒溫干燥箱烘干后進行巖樣波速測試。第2組以同樣加熱方法處理至目標溫度后，將巖樣取出置于室溫下冷卻，重復加熱、冷卻5次后，恒溫干燥箱烘干后進行巖樣波速測試。目標溫度分別為150、300、450、600 ℃，每類花崗巖每個溫度點都對應一個巖樣。最終測得在不同冷卻方式下4類花崗巖各巖樣在不同溫度下熱處理5次后的波速。

2 試驗結果與分析

2.1 室溫下各類花崗巖的吸水率和波速

1)各類花崗巖巖樣密度與吸水率。根據測得巖樣尺寸和干燥、吸水后巖樣質量計算得到各花崗巖巖樣密度和吸水率(圖4)，ρ為各類巖樣密度均值，由圖可知ρ(母巖)>ρ(上下結構、左右結構)>ρ(充填體)。w為各類巖樣吸水率均值，由圖可知w(充填體)>w(母巖)>w(上下結構、左右結構)。上下(左右)結構的花崗巖吸水率最低，這表明后期熱液在充填裂隙花崗巖體的過程中對膠結面處一定范圍內的母巖及充填體本身產生一定影響。

圖4 各類花崗巖巖樣的密度與吸水率Fig.4 Density and water absorption of various granite samples

2)各類花崗巖巖樣干燥和吸水后波速。各類花崗巖在干燥和吸水后的波速如圖5所示，同類花崗巖巖樣烘干和吸水后縱波波速離散性不大，這證明了波速測量數據的可靠性，吸水后各個巖樣的縱波波速都大于干燥后波速[13]，這是由于波在水中傳播速度比在空氣中傳播速度大，巖樣在吸水后其部分孔隙裂隙中的空氣被水填充后測得的波速變大。4類花崗巖吸水后波速較其干燥時波速增幅由大到小為充填體(10.52%)、母巖(7.21%)、上下結構(5.07%)、左右結構(3.83%)，正對應各類花崗巖的吸水率的大小關系，這充分說明了花崗巖吸水后會導致波速增加。測得各巖樣尺寸和干燥、吸水后巖樣質量計算各巖樣開口孔隙率，即

圖5 各類花崗巖在干燥和吸水后的波速Fig.5 Wave speed of various types of granite after drying and water absorption

mw=mA-mo

(1)

Vw=mw/ρw

(2)

no=Vw/V

(3)

式中：mo、mA分別為干燥和吸水時巖樣質量，g；mw為在常溫常壓下巖樣自然吸水后水的質量，g；Vw為

在常溫常壓下巖樣自然吸水后水的體積，cm3；V為巖樣體積，cm3；nO為巖樣開口孔隙率，%。

開口孔隙率在一定程度上能夠反映巖石的致密程度， 4類花崗巖波速與開口孔隙率的關系如圖6所示，由圖可知4類花崗巖波速與其開口孔隙率呈負相關，開口孔隙率越大其波速越低。比較4類花崗巖的開口孔隙率可知：充填體開口孔隙率介于0.78%～1.10%，母巖和上下(左右)結構花崗巖開口孔隙率都低于0.255%。充填體的開口孔隙率明顯大于其他3類花崗巖開口孔隙率，上下(左右)結構花崗巖開口孔隙率均值低于母巖開口孔隙率均值。

圖6 4類花崗巖波速與開口孔隙率關系Fig.6 Relationship between wave velocity and porosity of four types of granite

比較4類花崗巖的縱波波速vp可知：vp(上下結構、左右結構)>vp(母巖)>vp(充填體)，上下結構與左右結構花崗巖波速均值相差不大。充填體的吸水率最大對應其開口孔隙率也就最大，因此充填體的縱波波速最??；上下結構和左右結構的花崗巖波速最大可推知當縱波穿過充填體與母巖的膠結面一定范圍內時其波速反而有所增加，這與上下(左右)結構花崗巖較母巖和充填體吸水率(開口孔隙率)低現象相對應。后期熱液在充填裂隙花崗巖體的冷卻過程中，熱液接觸到母巖后溫度驟降形成的充填體礦物顆粒要比遠離膠結面的充填體礦物顆粒小。母巖在高溫高壓條件下發生溶蝕和重結晶且部分熱液侵入到母巖微裂隙中，此時充填體與母巖膠結面處“黏合”較好且巖漿熱液對膠結面處的一定范圍內母巖有了一定”愈合”作用[16]，這就導致上下(左右)結構的花崗巖吸水率(開口孔隙率)比充填體和母巖吸水率(開口孔隙率)低、上下(左右)結構的花崗巖縱波波速比充填體和母巖縱波波速高。

2.2 熱沖擊次數對各類花崗巖波速的影響

溫度為300 ℃時4類花崗巖波速與熱沖擊次數關系曲線如圖7所示。

圖7 4類花崗巖波速與熱沖擊次數關系曲線Fig.7 Relation curve between wave velocity and thermal shock times of four kinds of granite

由圖7可知，這4類花崗巖波速隨著沖擊次數增加而降低且在第1次熱沖擊后波速降幅最大，充填體、母巖、上下結構和左右結構降幅對應分別為41.1%、49.1%、46.9%和54.3%；之后隨著熱沖擊次數增加4類花崗巖波速降幅迅速減小，約3%?；◢弾r在加熱至300 ℃會逐漸失去附著水和礦物結合水：附著水的失去并不會破壞晶格，僅是造成巖石物理性質(如密度，體積等)的變化，附著水失去后仍能重新吸水，恢復原有的物理性質。礦物結合水的失去會使晶格發生破壞，造成晶體結構缺陷，導致巖樣波速下降?；◢弾r在加熱至300 ℃再經0 ℃水急速冷卻后，礦物顆粒的熱膨脹和熱沖擊產生的熱應力使花崗巖發生熱破裂，也會導致巖樣波速下降[17]。第1次熱沖擊時，熱應力只能通過花崗巖的原生孔隙裂隙得到釋放，有限的孔隙裂隙空間使得花崗巖發生較多的熱破裂。第1次熱沖擊產生的熱破裂裂隙又為之后熱沖擊產生的熱應力釋放提供了空間，熱破裂的發生大大減少，熱應力主要引起微裂隙的擴展和延伸。因此第1次熱沖擊波速下降幅度大于其之后熱沖擊波速下降幅度。通過波速對不同熱沖擊次數的響應，筆者認為：在研究熱沖擊對花崗巖物理力學性質時，花崗巖熱沖擊次數可以適當增多，以加強熱沖擊對花崗巖熱破裂作用效果的代表性和說服力。對于花崗巖熱沖擊次數上限本文認為應以不破壞花崗巖巖樣完整性為好，以便完成后續的花崗巖巖樣物理力學試驗。

不同沖擊次數后波速對比其室溫下波速歸一化處理后4類花崗巖縱波波速相對值隨巖樣沖擊次數的變化規律(圖8)。

圖8 4類花崗巖波速歸一化處理后與熱沖擊次數關系曲線Fig.8 Correlation curve between wave velocity after normalization and thermal shock times of four types of granite

將圖中4條曲線都從第1次熱沖擊之后進行擬合，擬合后4類巖樣波速相對值的斜率k大小關系為k(上下結構)>k(左右結構)>k(母巖)>k(充填體)，斜率k的大小體現了花崗巖的熱破裂劇烈程度?；◢弾r在形成過程中巖漿冷卻速度的不同導致其礦物顆粒的大小不同[19]。巖漿冷卻經歷很長的時間，其結晶作用也是緩慢進行的，故冷凝而成的花崗巖母巖按照礦物顆粒絕對大小分類應為粗粒結構或偉晶結構，按礦物顆粒相對大小分類應為斑狀及似斑狀結構(圖9a)；充填體由于是熱液后期侵入形成，冷卻速度相對較快，故而充填體按礦物顆粒絕對大小分類應為中粒結構或者細粒結構，按礦物顆粒相對大小分類應為等粒結構(圖9b)；在膠結面附近由于冷卻速度更快結晶形成的充填體礦物顆粒則更小，但膠結面附近由于既含有母巖又含有充填體，所以整體來說其礦物顆粒分布尺度差異最大(圖9c和圖9d)。根據礦物顆粒的絕對大小和相對大小判斷充填體的熱破裂劇烈程度最小，上下(左右)結構的花崗巖熱破裂劇烈程度強于充填體和母巖。如圖9所示4類巖樣300 ℃時經歷5次0 ℃水熱沖擊后，充填體未發現肉眼可見的裂縫，而母巖、上下結構和左右結構花崗巖都有可見的裂縫出現，且上下結構和左右結構中膠結面處產生裂縫較大。

圖9 300 ℃后0 ℃水冷卻各類花崗巖巖樣Fig.9 Various granite samples cooled at 0 ℃ after 300 ℃

2.3 熱沖擊溫度對各類花崗巖波速的影響

圖10、圖11分別為室溫下冷卻和0 ℃水冷卻后花崗巖波速與溫度關系曲線。由2圖可知無論是室溫下冷卻還是0 ℃水冷卻后的4類花崗巖波速都隨著溫度增加而降低，2種冷卻方式波速下降速度都在300 ℃后有所減緩。這說明加熱至不同溫度后再冷卻對花崗巖都造成了熱損傷，且加熱溫度越高造成的熱損傷越強。

圖10 室溫下冷卻后花崗巖波速與溫度關系曲線Fig.10 Relationship between wave velocity and temperature of granite after cooling at room temperature

圖11 0 ℃水冷卻后花崗巖波速與溫度關系曲線Fig.11 Relationship between wave velocity and temperature of granite after water cooling at 0 ℃

通過室內試驗，試驗結果如圖10所示，從圖10室溫下冷卻后花崗巖波速與溫度關系曲線知，室溫下溫冷卻花崗巖波速分為3個階段：室溫下冷卻花崗巖在其階段1(常溫～150 ℃)花崗巖附著水及部分弱結合水喪失，開始出現一些微小裂紋，波速呈現緩慢降低；在階段2(150～300 ℃)花崗巖結合水喪失，在300 ℃下花崗巖裂紋數量會出現一個峰值[20]，微裂紋的寬度、長度、開度全面增加[3]，波速在階段2降幅最大，下降速度最快；在階段3(300～600 ℃)花崗巖的結晶水和結構水分別喪失[18]，裂紋主要以微裂紋聯通擴展為主，波速表現為進一步下降，但下降速度較300℃時有所減緩。如圖11所示將0 ℃水冷卻花崗巖波速分為2個階段：階段1(室溫～300 ℃)為波速快速下降階段，階段2(300～600 ℃)為波速減速下降階段。

圖12為各花崗巖巖樣不同溫度下冷卻處理后波速對比其室溫下波速歸一后隨溫度變化曲線。由圖可知4類花崗巖在加熱至相同溫度下0 ℃水冷卻花崗巖波速降幅都大于其室溫下冷卻花崗巖波速降幅。說明相同溫度下花崗巖用0 ℃水冷卻造成的熱損傷更強[21]，特別是在150 ℃時0 ℃水冷卻后的花崗巖熱損傷增強效果更加明顯?；◢弾r在室溫下冷卻和在0 ℃水中冷卻本質上為花崗巖與空氣或水進行熱量傳遞，花崗巖降溫速度主要取決于空氣和水的有效導熱系數大小，導熱系數越大則導熱性能越好[22]。由于水的有效導熱系數大于空氣的有效導熱系數，且當花崗巖溫度大于100 ℃時，花崗巖在0 ℃水中冷卻出現有相變的對流換熱，花崗巖與水的換熱效率大大提高，花崗巖降溫速度加快，相比于在室溫中冷卻花崗巖內部產生更大的溫度梯度和熱應力[23]，導致花崗巖內部出現了更多的熱破裂。因此在加熱至相同溫度下0 ℃水冷卻花崗巖波速降幅都大于其室溫下冷卻花崗巖波速降幅且采用0 ℃水冷卻使花崗巖在熱沖擊溫度為150 ℃時波速降幅明顯變大。

依據圖10—圖12試驗結果可知，比較4類花崗巖在室溫時的波速vp關系為：vp(上下結構、左右結構)>vp(母巖)>vp(充填體)，這4類花崗巖在加熱溫度高于300 ℃降溫后測得的波速差別基本不大，這說明熱破裂發生的劇烈程度為由大到小為上下(左右)結構花崗巖、母巖、充填體，這與波速和熱沖擊次數關系中得出的結論一致，同樣是花崗巖礦物顆粒大小及分布差異性導致的。

圖12 4類巖樣波速歸一后隨溫度變化曲線Fig.12 Change curves of wave velocity after normalization with temperature of four kinds of rock samples

3 結 論

1)室溫下縱波穿過充填體與母巖的膠結面一定范圍內時其波速較母巖和充填體要大，與膠結面附近花崗巖較母巖和充填體吸水率(開口孔隙率)低現象相對應。

2)第1次熱沖擊產生的熱破裂裂隙為之后熱沖擊產生的熱應力釋放提供了空間，造成第2次及之后的熱沖擊產生的裂隙大幅減少，因此第1次熱沖擊波速下降幅度大于其之后次數熱沖擊后波速下降幅度。

3)4類花崗巖加熱至相同溫度下0 ℃水冷卻花崗巖波速降幅都大于其室溫下冷卻花崗巖波速降幅，說明0 ℃水冷卻沖擊對花崗巖造成的熱損傷更強。

4)相同熱沖擊方式下，高溫后膠結面附近花崗巖波速降幅大于母巖和充填體波速降幅，這是由于膠結面附近的花崗巖礦物顆粒尺度差異最大導致膠結面附近的花崗巖熱破裂程度更強。