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摘要

本研究利用高低溫試驗(yàn)箱（-70℃~+200℃）與熱機(jī)械分析儀（TMA）、X射線衍射儀（XRD）聯(lián)用，系統(tǒng)分析了石英礦物在溫度循環(huán)過程中的熱膨脹特性及α-β相變臨界行為。實(shí)驗(yàn)表明：石英在573℃附近發(fā)生快速相變，軸向膨脹率突增1.8%，相變后體積不可逆增大4.2%。研究揭示了溫度梯度對(duì)礦物晶體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)影響機(jī)制，為巖石熱破裂預(yù)測和地?zé)豳Y源開發(fā)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1. 研究背景與意義

地質(zhì)礦產(chǎn)中的礦物熱膨脹與相變行為直接影響巖石力學(xué)性質(zhì)及地下工程穩(wěn)定性。例如：

地?zé)衢_采：高溫導(dǎo)致花崗巖中石英相變，引發(fā)微裂隙擴(kuò)展

深部采礦：巖體溫度波動(dòng)（如爆破熱沖擊）加劇圍巖破碎

行星地質(zhì)：隕石撞擊瞬間高溫誘發(fā)礦物相變（如柯石英形成）

傳統(tǒng)熱分析設(shè)備難以模擬實(shí)際地質(zhì)環(huán)境中的溫度循環(huán)過程，高低溫試驗(yàn)箱通過程序化溫度控制，可精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)溫度梯度與熱沖擊場景。

2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 儀器與材料

高低溫試驗(yàn)箱

熱機(jī)械分析儀（TMA）

X射線衍射儀（XRD）

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

階段1：熱膨脹系數(shù)測定

將石英樣品置于TMA樣品臺(tái)，軸向施加0.1N恒定壓力

高低溫試驗(yàn)箱以5℃/min速率從25℃升溫至600℃，同步記錄長度變化

通過公式計(jì)算線性熱膨脹系數(shù)：

 α=1L0?dLdTα=L01?dTdL

階段2：α-β相變動(dòng)態(tài)監(jiān)測

在XRD高溫腔中重復(fù)升溫過程（25℃→600℃）

每間隔10℃采集（101）晶面衍射峰（2θ=26.6°）

分析峰位偏移與半高寬變化，確定相變臨界點(diǎn)

階段3：溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)

設(shè)置循環(huán)條件：-50℃（30min）?+600℃（30min），循環(huán)20次

每次循環(huán)后測量樣品體積（阿基米德法）及表面裂隙密度（SEM）

3. 結(jié)果與討論

3.1 石英熱膨脹非線性特征

低溫區(qū)（<300℃）：線性膨脹系數(shù)α=13.2×10??/℃

相變過渡區(qū)（550~600℃）：α急劇上升至42.5×10??/℃

相變完成（>600℃）：β石英α=28.7×10??/℃，體積增大4.2%

3.2 α-β相變臨界行為

XRD特征變化：

573℃時(shí)（101）峰分裂為雙峰（2θ=26.6°→26.2°&26.9°）

半高寬（FWHM）突增35%，表明晶格畸變加劇

相變滯后效應(yīng)：升溫相變點(diǎn)573℃ vs. 降溫逆轉(zhuǎn)點(diǎn)560℃

3.3 溫度循環(huán)損傷累積

裂隙擴(kuò)展規(guī)律：

前5次循環(huán)：表面裂隙密度從0增至12條/cm2

第10次循環(huán)后：主裂隙寬度>10μm，深部貫穿晶界

體積變化：20次循環(huán)后累計(jì)膨脹率達(dá)6.8%，遠(yuǎn)超單次相變增量

4. 工程啟示

地?zé)醿?chǔ)層改造：注入流體溫度需控制在550℃以下以避免石英相變引發(fā)儲(chǔ)層塌陷

深部巷道支護(hù)：建議采用膨脹系數(shù)匹配的錨桿材料（如α≈15×10??/℃的鎳基合金）

隕石撞擊識(shí)別：柯石英的殘留可作為撞擊坑診斷標(biāo)志（需結(jié)合溫度-壓力耦合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）

5. 結(jié)論

石英α-β相變具有顯著的溫度敏感性與不可逆體積效應(yīng)，相變閾值集中于573±5℃

溫度循環(huán)導(dǎo)致礦物損傷累積，20次循環(huán)后裂隙密度與熱膨脹率呈指數(shù)增長關(guān)系

高低溫試驗(yàn)箱結(jié)合原位表征技術(shù)，是研究礦物熱力學(xué)行為的有效手段

6. 展望

開展多礦物復(fù)合體系熱膨脹互鎖效應(yīng)研究（如石英-長石-云母組合）

開發(fā)高溫高壓聯(lián)用試驗(yàn)箱，模擬地殼深部溫壓耦合環(huán)境

建立礦物熱破裂數(shù)值模型，指導(dǎo)干熱巖水力壓裂設(shè)計(jì)

• THS-C高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱

  檢測儀器在線詢價(jià)