基于X射线-中子衍射联合成像的岩石内应力研究

The dynamic change of lattice spacing of rock minerals reflects the process of inner stress storage and release in rock. X ray diffraction is a major approach to determine minerals crystal structure parameters, including lattice spacing. It is difficult to inverse detailed structure of minerals by X ray due to restrictions of information presented by X ray attenuation, which are statistically average. Fine mineral structures and element location could be obtained by neutron rays because of high-energy and thick penetration depth. The measurement of lattice spacing of rock minerals is the most pressing problem in understanding of rock inner stress storage and release. We plan to apply X ray and neutron ray to measure the lattice spacing of minerals to reveal the evolution process of rock inner stress. We plan to use the widened diffraction spectrum of X ray and mineral micro-nano scale images to accurately determine diffraction peaks and analyze the relation between lattice spacing and mineral geometry. Neutron rays then will be applied to measure the lattice spacing of minerals, and rock inner stress release under temperature and unloading conditions will be quantitatively analyzed, in order to reveal the storage and release of rock inner stress.

岩石内应力的储存和释放对深地资源和能源开发具有重要约束。矿物晶格间距的动态变化是揭示岩石内应力演化的重要指示。X射线衍射法是当前获取矿物晶体结构的主要手段，可以准确测定矿物的特征衍射峰。但是，对于具有复杂结构和矿物组成的岩石，X射线在穿透过程中携带的统计信息，难以反映矿物晶格间距的细节特征。中子射线的能量高、穿透深度大，且与原子核反应，因而能更准确地刻画矿物元素位置和结构细节，但中子的波长较长、校准困难，结果具有不确定性，导致中子射线技术在岩石内应力研究中未能发挥应有作用。为此，项目拟开展X射线-中子衍射联合成像技术研究。利用X射线的宽化衍射图谱精准确定目标矿物的衍射峰，结合中子射线实现特定峰位矿物的晶格间距高精度测量，并据此分析温压条件下岩石内应力释放的时间和尺寸效应。项目研究可揭示岩石内应力在微观尺度上的储存和释放过程，并有望为岩石矿物组成和微观结构研究提供一种新的技术方案。

岩石内应力的储存和释放对深地资源和能源开发具有重要约束。矿物晶格间距的动态变化是揭示岩石内应力演化的重要指示。X射线衍射法是当前获取矿物晶体结构的主要手段，可以准确测定矿物的特征衍射峰。但是，对于具有复杂结构和矿物组成的岩石，X射线在穿透过程中携带的统计信息，难以反映矿物晶格间距的细节特征。中子射线的能量高、穿透深度大，且与原子核反应，因而能更准确地刻画矿物元素位置和结构细节，但中子的波长较长、校准困难，结果具有不确定性，导致中子射线技术在岩石内应力研究中未能发挥应有作用。本项目围绕以上问题，开展 X 射线-中子射线衍射联合测量技术研究，对岩石内应力开展高精度动态测量，以揭示岩石内应力的动态演化过程。通过理论分析、方法研究、室内试验等手段，提出了X 射线-中子射线衍射联合测量中岩石矿物晶格间距的X射线定龄、中子衍射偏移峰的拟合以及应力常数的确定的方法，形成了相对完善的岩石内应力的功能射线测量方法和微观结构分析手段，并成功测试了干热岩的内应力。本项目的研究成果对揭示岩石内应力微观储存机理和释放规律、丰富应力测量体系具有一定的理论意义，对深部岩石内应力精细探测、高地应力综合评价具有重要的实践意义。