岩石受到内、外部载荷的作用或变形后，形成能量积聚，达到一定程度(或岩石内部产生局部微破裂)，部分应变能就会以弹性应力波(声波)的形式由应变能积聚区向岩石外部释放，这就是岩石的声发射^[1].岩石在受到热载作用下，由于组成岩石内部的矿物颗粒的膨胀系数不同，会因为内部应变能的积聚、释放而产生声发射现象^[2].1950 年，德国人Kaiser首先在金属材料中发现了声发射的不可逆现象^[3]，称之为Kaiser效应；1963 年，Goodman 发现岩石的压缩实验中也存在Kaiser效应^[4].岩石重复升温可产生与重复加载产生的力Kaiser效应相似的热Kaiser效应^{[5， 6]}.岩石具有热记忆性，能记载其在漫长的地质历史中曾经经历的最高温度，若对某一地区岩石加热并记录声发射信号，自某一温度岩石声发射信号突然增多，这就是所谓的热Kaiser效应^[7]，声发射信号突然增多时的温度代表了岩石经历的最高温度.目前岩石声发射技术大多应用在地应力的测量^[8~14]等方面，一些学者也对岩浆岩和变质岩的声发射特性与温度间的关系进行了研究^[15~19]，但对沉积岩的研究较少^{[20， 21]}.

沉积盆地的热演化历史与油气成藏过程有着密切的关系，古温度的研究是盆地分析的重要组成部分.目前恢复沉积盆地热历史主要依靠古温标来实现，虽然古温标的应用越来越成熟，但这些指标都是通过复杂的动力学函数与温度联系起来，本身具有一定的局限性；并且一些地区古地层中缺乏镜质体等古温标，给构造-热历史恢复带来很大的困难.本次实验的主要目的是分析研究岩石热声发射与沉积岩经历的最高温度间的关系，探寻一种简单经济、普遍适用的测量岩石最高古温度的方法.

本次实验的仪器为自行研制的岩石热声发射仪，是通过人工升温，根据热Kaiser效应测定岩石经历过的最高地温的仪器.岩石热声发射仪主要由温控系统、加热系统、自动控制与数据采集系统组成(图 1)，最高加热温度为800℃.该仪器采用致密氧化铝作为波导杆将声发射信号传至传感器，确保声发射信号的有效发射和接收，即确保良好的声学耦合；信号采集系统使用了美国物理声学公司PCI-2声发射系统.

图 1

Fig. 1

图 1 岩石热声发射仪示意图 Fig. 1 Diagram of rock thermo-acoustic emission instruments

岩石热声发射仪的灵敏度主要取决于其门槛设置和传感器灵敏度.门槛值越低，获得的信息越多，同时接收的噪声信号也越多.经过多次测量，实验中将门槛值设为30dB，为固定门槛.传感器的灵敏度用断铅实验来检验，每次断铅实验时接收的铅笔芯模拟信号源的响应幅度需在95dB 以上，各样品之间接收的岩石表面的断铅信号的衰减幅度要大致相同，并尽量减少信号的衰减.

实验样品为塔里木盆地的砂岩和泥岩以及四川盆地的灰岩，所有样品被加工成直径和高度均为2.5cm的干燥实心小圆柱体，样品顶、底面水平.本次实验主要分两组进行:第一组实验用于验证热Kaiser效应的存在性及利用岩石热声发射技术测量岩石经历的最高温度的准确性，样品是塔里木盆地沙23井的砂岩样品SH23-1 和川东北地区海相石灰岩样品L；第二组实验来测量自然样品经历的最高温度，样品为沙23井的砂岩样品SH23-2及尉犁1井和沙14井的泥岩样品.

第一组实验中SH23-1 砂岩岩样现今埋深在4283m, 钻取8 个小圆柱体SH23-1-1~SH23-1-8；灰岩岩样L来自川东北地区飞仙关组，埋深在5500m, 取6个灰岩小柱子L1~L6.实验前分别将砂岩和灰岩样品人工加热至200 和400℃，然后冷却到室温，人工加热的温度均远高于地层温度^{[22， 23]}.进行声发射加热实验前样品都置于室温的干燥环境，不受高温影响.

第二组实验中SH23-2 砂岩岩样现今埋深为4353m, 现今地层温度约为107℃，钻取6个小圆柱SH23-2-1~SH23-2-6；泥岩样品包括3个尉犁1井泥岩小柱子YL1-1~YL1-3 和3 个沙14 井样品小柱子SH14-1~SH14-3(表 1).这三口井后期具有巨大的沉积埋藏作用，因此这三口井中目前的温度就是经历的最高温度.这组样品在加热实验前不经任何高温处理.

表 1(Table 1)

表 1 YL1井和SH14井泥岩样品埋深及现今地层温度 Table 1 Depth and present formation temperature of mudstone samples in Wells YL1 and SH14

表 1 YL1井和SH14井泥岩样品埋深及现今地层温度 Table 1 Depth and present formation temperature of mudstone samples in Wells YL1 and SH14

声发射加热实验过程中所有样品均从室温开始加热，同时记录声发射信号.第一组的砂岩样品SH23-1-1~SH23-1-8以2℃/min的升温速率加热至240℃；灰岩样品L1以2℃/min, L2~L4以4℃/min, L5~L6以5℃/min 的升温速率加热至430℃.第二组砂岩样品SH23-2-1~SH23-2-3和SH23-2-4~SH23-2-6分别以1℃/min和2℃/min两种升温速率加热至200℃；泥岩样品YL1-1~YL1-3及SH14-1~SH14-3以2℃/min的升温速率加热至200℃.

实验中采集的声发射信号中含有噪声信号，对判断岩石经历的最高温度有一定的影响.由于岩石形成裂缝产生信号的能量通常不为0，因此首先将采集到的信号进行能量滤波处理，把相对能量为0的信号滤除.实验中判定热Kaiser效应出现在声发射信号突然明显增多的位置(图 2~6中虚线所示)，该位置对应的温度定为岩石曾经经历的最高温度-门槛温度.

图 2

Fig. 2

图 2 SH23-1砂岩样品热声发射特征与温度的关系图 SII23-1砂岩样品以2°C/min的升温速率加热至240C. Fig. 2 Thermo-acoustic emission characters of sandstone samples SH23-1 versus temperatures Sandstone samples SII231 were heated to 240C atthe rate of 2°C/min.

图 3

Fig. 3

图 3 灰岩样品L热声发射特征与温度的关系图 灰岩样品L都加热至430°C，L1、L2〜L4和L5〜L6的升温速率分别为 2 °C/min，4°C/min和5°C/min. Fig. 3 Thermo-acoustic emission characters of limestone samples L versus temperatures Limestone sampleswere heated to 430 °C atthe rates of 2 °C/min for L1，4 °C/min for L2〜L4 and 5 °C/min for L5 〜L6.

图 4

Fig. 4

图 4 SH23-2砂岩样品热声发射特征与温度的关系图 样品均加热至 200°C，SH23-2-l〜SH23-2-3 和 SH23-2-4〜SH23-2-6 的升温速率分别 1°C/min 和 2°C/min. Fig. 4 Thermo-acoustic emission characters of sandstone samples SH23-2 versus temperatures Sandstone Samples SH23-2 were heated to 200 °C and the heating rates of SH23-2-1 〜SH23-2-3 and SH23-2-4〜SH23-2-6 were 1°C/min and 2°C/min，respectively.

图 5

Fig. 5

图 5 泥岩样品YL1和SH14热声发射特征与温度的关系图 泥岩样品YL1及SH14以2C/min的升温速率加热至200°C Fig. 5 Thermo-acoustic emission characters of mudstone samples YL1 and SH14 versus temperatures Mudstone samples YL1 and SIII4 were heated to 200°C at the rate of 2°C/min .

图 6

Fig. 6

图 6 样品LS1热声发射特征与温度的关系图 样品以2"C/min的升温速率加热至300°C. Fig. 6 Thermo-acoustic emission characters of limestone sample LSI versus temperature The sample was heated to 300 °C at the rate of 2°C/min

砂岩样品SH23-1 滤波后有效信号的数量较少，但样品升温至200℃ 左右时声发射信号突然增多，相对能量值有所增大，能量累计曲线斜率显著变大，热Kaiser效应明显(图 2)，样品的门槛温度接近，范围在190~198℃ 间(表 2)，平均值为194℃，与人工加热的200℃十分接近，误差仅为3%.

表 2(Table 2)

表 2 试验样品门槛温度 Table 2 Threshold temperature of samples

表 2 试验样品门槛温度 Table 2 Threshold temperature of samples

灰岩样品L 滤波后声发射总数较多，尤其是样品L2、L3和L4，并且这三个样品声发射信号随温度升高有非常明显的变化，从出现热Kaiser效应开始信号大量出现，相对能量累计值快速增大，相比之下样品L1和L5热Kaiser效应不很明显(图 3).虽然样品的升温速率不同，使得热Kaiser效应的明显程度不同，但它们的门槛温度值相差不是很大，分布在369~409℃间(表 2)，平均温度为388℃，略小于400℃，误差为3%.

砂岩样品SH23-2 滤波后有效信号较多，部分样品在热Kaiser效应出现前有信号空白，相对能量累计曲线斜率几乎为0，之后有效信号数量猛增且能量值增加，斜率明显增大；相同升温速率下的曲线形状相似，但升温速率的不同并没有对门槛温度的大小产生严重影响(图 4).SH23-2样品的门槛温度集中在98~134℃ 的范围内(表 2)，平均温度为118℃，略大于样品经历的最高温度.

YL1和SH14 泥岩样品滤波后声发射信号数量很少且分散，导致相对能量曲线成阶梯状，样品的门槛温度为曲线斜率初次明显增大时的温度(图 5).除样品YL1-1埋深较浅，测量值与样品实际经历的最高温度相差10℃以上，其余样品的门槛温度与它们经历的最高温度接近(表 1，表 2).

两组样品声发射信号随温度升高变化比较明显，在达到门槛温度之前虽有声发射信号出现，但比较分散，加热至岩石曾经经历的最高温度附近时信号才开始迅速密集，能量累计值快速增大.灰岩样品L 和砂岩样品SH23-2 采用了不同的升温速率，这对门槛温度的大小影响不很明显；相同升温速率下产生的声发射现象相似.灰岩样品L 经历的温度最高，其声发射总数较本次实验受热温度低的其他样品多，并且L2、L3和L4的热Kaiser效应最明显.

前人通过研究岩石的力Kaiser效应认为时间因素会使岩石的记忆能力衰退^{[24， 25]}，那么时间也可能对岩石记忆温度的能力产生影响.为探讨在漫长的地质历史中时间是否会影响热声发射技术测量岩石经历的最高古温度的准确性，本次实验还测量了川西地区龙深1 井中三叠统顶的灰岩样品LS1(5865m)的门槛温度.川西地区在早白垩世末地层埋深最大，地温达到最高值，有学者通过镜质体反射率法和粘土矿物相转变法等综合研究得出川西地区中三叠统顶部最高古地温曾达到267℃^[26].样品LS1自室温开始以2℃/min的升温速率加热至300℃.样品的能量累积曲线在252℃ 时斜率骤然增大，Kaiser效应出现(图 6)；该温度较前人的研究成果稍低.实验结果表明时间对热声发射测温有一定的影响，漫长时间会导致岩石记忆温度的能力有所退化，但其产生的误差不大，进一步验证了热声发射技术用于测量岩石最高古温度的可行性.

席道瑛等^[7]利用岩石热声发射测量的江苏六合盘石山包体样品的门槛温度830℃与Meroler单辉石、Wells二辉石地质温度计测得的800℃ 基本吻合.本次实验将声发射技术应用于沉积岩的测量，第一组实验证明沉积岩热Kaiser效应存在，实验中样品在较低温度段声发射信号相对较少，砂岩样品SH23-1和灰岩样品L 温度分别升至200℃和400℃左右时声发射信号大量出现，尤其是部分灰岩样品的声发射信号有很明显的自某一温度范围信号数量猛增的现象.第二组砂岩样品和泥岩样品的测量温度比它们经历的最高温度稍高，但相差不大.

第一组实验中大部分样品的门槛温度比岩石实际经历的最高温度略低，可能是由于样品在人工加热过程中晶粒间由于热膨胀在中心和边界处挤压形成裂纹核^[18]，某些区域产生严重缺陷，再次升温在接近门槛温度时能量在缺陷处集中，裂纹核扩展，出现声发射现象.

在地层中岩石裂纹是温度、压力等多个因素共同作用的结果，一些学者研究了花岗岩在压力条件下反复加热的声发射特征，发现每次加压后再加热的情况下，门槛温度均提前了20~40℃，得出压力作用可使门槛温度降低^[18].根据岩石的力Kaiser效应可知，在加载压力不超过岩石曾经经历的最大压力的情况下，力的Kaiser效应不会出现.但是压力与压实作用密切相关，而孔隙能明显地降低载荷的作用面积，并且也是引起应力集中的地方.孔隙能够起到容纳变形，阻滞裂纹扩展的作用^[27].在实验中加载压力能导致岩石孔隙度变小，并会使岩石内部能量增大，有助于升温过程中岩石微裂纹的产生；但当压力超过能够阻止岩石热开裂和其他非弹性效果的最小值时，围压的作用很小^[28].实验中第二组实验的大部分砂岩和泥岩样品的门槛温度比对应地层的温度略高，可能是因为实验是在常压下进行加热的，裂纹的形成只受到温度的影响，没有考虑岩石所在地层的压力.

本次实验实际测量的岩石由于埋藏史已知，设置的加热温度不高，只出现一次明显的热Kaiser效应，容易判断门槛温度.但是前人通过研究砂岩和花岗岩热破裂现象认为岩石中一些矿物在高温作用下相变后形成的新结构会出现变形破坏引起声发射的二次增强^{[7， 21， 29， 30]}.同时，部分情况下岩石在未达到其经历的最高温度前也会出现信号增多的现象.这样会影响对岩石门槛温度的判断，因此利用热声发射测量岩石最高古温度时需结合其埋藏史，并设定合理的加热温度.

岩石的均质性影响其升温过程中的声发射特征.均质性好的岩石内部大部分微元受热能量分布接近，从而产生破裂的时间也基本一致，在短时间内大量的声发射信号骤现.均质性差的岩石，在加热过程中微元能量分布离散，声发射活动基本保持在相对稳定的状态，在热Kaiser效应出现时声发射信号才相对增多.例如:试验中样品L1与L2~L6的相对能量累积曲线形态有所差别，推测是由于岩石的非均质性引起的.由于均质性较差，样品L1的相对能量累积曲线在加热过程中一直呈上抬的趋势，但是自热Kaiser效应之后其斜率明显变大，据此来判断岩石的门槛温度.

(1) 利用人工加热的样品证明沉积岩在升温过程中存在热Kaiser效应，可以利用其判断岩石经历的最高温度，测量值较为准确.

(2) 利用岩石热声发射技术测量塔里木盆地砂岩和泥岩样品，测试结果表明门槛温度与岩石经历的最高温度基本一致.并且根据四川盆地的灰岩样品的测温结果证明时间对岩石记忆温度的能力影响不大，进一步表明利用热声发射技术测量岩石最高古温度是可行的.