摘要

本研究利用高低温试验箱（-70℃~+200℃）与热机械分析仪（TMA）、X射线衍射仪（XRD）联用，系统分析了石英矿物在温度循环过程中的热膨胀特性及α-β相变临界行为。实验表明：石英在573℃附近发生快速相变，轴向膨胀率突增1.8%，相变后体积不可逆增大4.2%。研究揭示了温度梯度对矿物晶体结构的动态影响机制，为岩石热破裂预测和地热资源开发提供了实验依据。

1. 研究背景与意义

地质矿产中的矿物热膨胀与相变行为直接影响岩石力学性质及地下工程稳定性。例如：

地热开采：高温导致花岗岩中石英相变，引发微裂隙扩展

深部采矿：岩体温度波动（如爆破热冲击）加剧围岩破碎

行星地质：陨石撞击瞬间高温诱发矿物相变（如柯石英形成）

传统热分析设备难以模拟实际地质环境中的温度循环过程，高低温试验箱通过程序化温度控制，可精准复现温度梯度与热冲击场景。

2. 实验设计与方法

2.1 仪器与材料

高低温试验箱

热机械分析仪（TMA）

X射线衍射仪（XRD）

2.2 实验流程

阶段1：热膨胀系数测定

将石英样品置于TMA样品台，轴向施加0.1N恒定压力

高低温试验箱以5℃/min速率从25℃升温至600℃，同步记录长度变化

通过公式计算线性热膨胀系数：

 α=1L0⋅dLdTα=L01⋅dTdL

阶段2：α-β相变动态监测

在XRD高温腔中重复升温过程（25℃→600℃）

每间隔10℃采集（101）晶面衍射峰（2θ=26.6°）

分析峰位偏移与半高宽变化，确定相变临界点

阶段3：温度循环实验

设置循环条件：-50℃（30min）↔+600℃（30min），循环20次

每次循环后测量样品体积（阿基米德法）及表面裂隙密度（SEM）

3. 结果与讨论

3.1 石英热膨胀非线性特征

低温区（<300℃）：线性膨胀系数α=13.2×10⁻⁶/℃

相变过渡区（550~600℃）：α急剧上升至42.5×10⁻⁶/℃

相变完成（>600℃）：β石英α=28.7×10⁻⁶/℃，体积增大4.2%

3.2 α-β相变临界行为

XRD特征变化：

573℃时（101）峰分裂为双峰（2θ=26.6°→26.2°&26.9°）

半高宽（FWHM）突增35%，表明晶格畸变加剧

相变滞后效应：升温相变点573℃ vs. 降温逆转点560℃

3.3 温度循环损伤累积

裂隙扩展规律：

前5次循环：表面裂隙密度从0增至12条/cm²

第10次循环后：主裂隙宽度>10μm，深部贯穿晶界

体积变化：20次循环后累计膨胀率达6.8%，远超单次相变增量

4. 工程启示

地热储层改造：注入流体温度需控制在550℃以下以避免石英相变引发储层塌陷

深部巷道支护：建议采用膨胀系数匹配的锚杆材料（如α≈15×10⁻⁶/℃的镍基合金）

陨石撞击识别：柯石英的残留可作为撞击坑诊断标志（需结合温度-压力耦合实验验证）

5. 结论

石英α-β相变具有显著的温度敏感性与不可逆体积效应，相变阈值集中于573±5℃

温度循环导致矿物损伤累积，20次循环后裂隙密度与热膨胀率呈指数增长关系

高低温试验箱结合原位表征技术，是研究矿物热力学行为的有效手段

6. 展望

开展多矿物复合体系热膨胀互锁效应研究（如石英-长石-云母组合）

开发高温高压联用试验箱，模拟地壳深部温压耦合环境

建立矿物热破裂数值模型，指导干热岩水力压裂设计

• THS-C高低温环境试验箱

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