基于多物理参数的北山花岗岩热损伤评价研究学术报告

作者及发表信息
本研究由王锡勇（核工业北京地质研究院、中国国家原子能机构高放废物地质处置创新中心）、吴云（中国矿业大学资源与地球科学学院）、王嘉敏（煤炭科学研究总院有限公司深地科学院）、余俊桥（中国矿业大学资源与地球科学学院）合作完成，发表于《World Nuclear Geoscience》2025年第42卷第5期（DOI: 10.3969/j.issn.1672-0636.2025.05.012）。

学术背景
花岗岩作为高放废物（HLW）地质处置库的关键围岩，其热稳定性直接影响核素长期封存的安全性。核素衰变释热可使围岩温度升至200–250℃，诱发热损伤并可能贯通天然裂隙，形成核素迁移通道。尽管已有研究关注高温下花岗岩的单一参数（如导热性、力学或声学特性）变化，但多物理参数协同演化规律及损伤敏感性的系统性研究仍存在空白。本研究旨在通过多参数联合测试，揭示25–800℃温区内北山花岗岩热损伤的跨尺度响应机制，为处置库围岩的热-力-渗（THM）多场耦合设计提供理论依据。

研究流程与方法
1. 试样制备与预处理
- 材料来源：试样取自中国高放废物处置库候选场址的细晶黑云母花岗岩露头（深度20 m），矿物组成为黑云母、斜长石与石英。
- 加工标准：按《GB/T 50266—99》加工为直径50 mm、高度25 mm的圆柱体，通过RSM-SY5(T)型超声波检测仪筛选纵波波速离散度%的均质试样。
- 热处理方案：采用TNX1400型马弗炉，以8℃·min⁻¹速率升温至目标温度（200–800℃，梯度100℃），恒温4 h后自然冷却。

1. 多参数测试方法

   • 纵波波速测试：采用RSM-SY5(T)型超声检测仪（脉冲透射法），发射电压500 V，动态范围≥100 dB，每组重复3次取均值。
     
   • 热物性测试：Hot Disk TPS2500 S型热常数分析仪（瞬变平面热源法），施加10 mW径向热流，反演导热系数（k）和热扩散率（α），偏差控制在±3%内。
     
   • 孔隙结构分析：PQ-001型核磁共振仪（CPMG序列），通过T₂谱反演孔径分布，试样经24 h真空饱水预处理。
     
   • 气体渗透率测试：THMC多场耦合渗流系统（稳态法），以氩气为介质，围压梯度5–30 MPa，通过压差-流量线性回归计算渗透率。
     

2. 数据分析

   • 归一化损伤因子：递增型参数（孔隙度、渗透率）采用比值法（Nₜ/N₂₅），递减型参数（波速、导热系数）采用差值法（M−Nₜ/Nₑ）。
     
   • 相关性分析：Pearson相关系数量化参数间线性关联，分25–600℃（含渗透率）和25–800℃（无渗透率）两工况。
     

主要结果
1. 纵波波速三阶段衰减
- 25–300℃：波速缓慢下降（0.66 m·s⁻¹·℃⁻¹），矿物热膨胀差异诱发晶界微裂纹。
- 300–700℃：波速剧降（6.96 m·s⁻¹·℃⁻¹），黑云母氧化（400℃）和石英α-β相变（573℃）驱动裂隙贯通。
- >700℃：衰减趋缓（0.49 m·s⁻¹·℃⁻¹），熔融相填充裂隙（熔融修复效应）。

1. 孔隙度逾渗阈值特性

   • <300℃：孔隙度稳定（孤立微裂纹未连通）。
     
   • 300–500℃：缓慢增长（黑云母氧化脱水形成晶间裂纹）。
     
   • >500℃：增速提升3倍（石英相变驱动裂隙网络逾渗）。
     

2. 热物性非对称响应

   • 导热系数：500℃后因裂隙网络贯通加速下降（气隙热障效应）。
     
   • 热扩散率：300–500℃短暂回升（矿物有序化增强晶格振动，叠加高温辐射传热T³效应）。
     

3. 渗透率围压依赖性

   • <500℃：渗透率缓增（孤立微裂纹扩展）。
     
   • >500℃：陡升（裂隙连通性突破逾渗阈值），围压每增加5 MPa渗透率降低约40%。
     

4. 参数敏感性排序
   纵波波速（r=−0.98） > 孔隙度（r=0.95） > 气体渗透率（r=0.91） > 导热系数（r=−0.88） > 热扩散率（r=−0.72）。

结论与价值
1. 科学价值
- 首次建立花岗岩热损伤多参数协同演化模型，揭示石英相变（573℃）为裂隙逾渗的关键阈值。
- 提出纵波波速作为热损伤评价的优选指标，其高敏感性源于对裂隙拓扑演化的即时响应（微裂纹萌生→扩展→连通全周期）。

1. 应用价值
   
   • 为高放废物处置库围岩的THM耦合设计提供参数敏感性优先级：声学参数 > 渗流参数 > 热物性参数。
     
   • 研究成果可拓展至地热开发（Enhanced Geothermal Systems, EGS）中的储层改造评估。
     

研究亮点
1. 方法创新：联合核磁共振（孔隙尺度）、超声检测（裂隙网络）、热常数分析（晶格-辐射传热）实现跨尺度表征。
2. 机制发现：揭示热扩散率在300–500℃的“反常回升”现象，提出矿物有序化与辐射传热的竞争机制。
3. 工程指导：明确围压对渗透率增长的抑制效应（裂隙闭合），支撑处置库深度优化设计。

其他价值
研究数据已通过Pearson相关性矩阵公开，支持后续多场耦合模型的参数反演与验证。团队开发的THMC渗流系统（专利号CN202510123U）为低渗岩石渗透率测试提供了高精度解决方案。