Combining thermal stimulation and tensile fracture induced by cold water injection can synergistically enhance hydraulic fracturing, improving geothermal reservoir connectivity. To investigate the heat effect on the Mode-I fracture characteristics of granite, notched semi-circular bend (SCB) granite specimens were prepared and heat-treated at five temperatures ranging from 25 to 600 ℃. Mineralogical analysis and three-point bending tests were performed on the SCB specimens, and a grain-based model (GBM) incorporating four types of mineral particles was developed. The model was simulated for heat treatment and Mode-I loading and then validated against experimental results. The behavior and evolution of intra- and intergranular microcracks in the SCB specimens during heating, cooling, and mechanical loading were analyzed. Moreover, the fracture surface morphology and microcracking mechanisms observed in the SCB specimens at different heat-treatment temperatures were discussed. The results reveal a nonlinear trend in the Mode-I fracture toughness of the SCB specimens, initially increasing and then decreasing with heat-treatment temperature. The number of thermally induced cracks escalates with increasing heat-treatment temperature, predominantly as intergranular tensile cracks, followed by intragranular tensile cracks. Under Mode-I loading, the SCB specimens heat-treated below 450 ℃ predominantly exhibit intergranular cracks, while intragranular tensile cracks become more prevalent at 600 ℃. Thermally induced cracks can alter the propagation direction and path of mechanically induced cracks, causing macrocracks to deviate from the initial straight propagation path. Scanning electron microscope (SEM) analysis illustrates that at 300 ℃ and above, the fracture surface morphology becomes more fragmented and longer microcracks appear.

This study investigates the effect of thermal cracking on the tensile strength of granite through a combination of experimental testing and numerical simulations. The primary objective is to understand how thermal stress, induced by heat treatment at various temperatures (25 °C to 600 °C), influences crack initiation, propagation, and tensile strength changes. The granite specimens were subjected to Brazilian splitting tests after heat treatment, and the load–displacement curves and tensile strength variations with heat treatment temperature were analyzed. A grain-based model (GBM) was developed to simulate the complex cracking behavior, incorporating the mineral compositions and thermal expansion properties of the granite. The fractal dimension of the cracks was quantified using the box-counting method, and the relationship between fractal dimension and tensile strength was discussed. The results show that the GBM can effectively simulate the microcracking behavior and tensile fracture properties of heat-treated granite, accounting for mineral composition and thermal expansion. Thermal cracks are mainly intergranular tensile cracks, which increase in number with higher temperatures, while under mechanical loading failure is primarily due to intragranular tensile cracks. Higher heat treatment temperatures lead to denser crack networks with greater fractal complexity, reducing tensile strength and creating more tortuous crack propagation paths.

Freeze–thaw events are predicted to be more frequent in temperate forest ecosystems. Whether and how freeze–thaw cycles change soil greenhouse gas fluxes remains elusive. Here, we compared the fluxes of three soil greenhouse gases (CO2, CH4, and N2O) across the spring freeze–thaw (SFT) period, the growing season (GS), and the annual (ALL) period in a temperate broad-leaved Korean pine mixed forest in the Changbai Mountains in Jilin Province, Northeastern China from 2019 to 2020. To assess the mechanisms driving the temporal variation of soil fluxes, we measured eleven soil physicochemical factors, including temperature, volumetric water content, electrical conductivity, gravimetric water content, pH, total carbon, total nitrogen, total-carbon-to-total-nitrogen ratio, nitrate (NO3−), ammonium (NH4+), and dissolved organic carbon, all of which play crucial roles in soil carbon (C) and nitrogen (N) cycling. Our findings indicate that the soil in this forest functioned as a source of CO2 and N2O and as a sink for CH4, with significant differences in greenhouse gas (GHG) fluxes among the SFT, GS, and ALL periods. Our results suggest freeze–thaw events significantly but distinctly impact soil C and N cycling processes compared to normal growing seasons in temperate forests. The soil N2O flux during the SFT (0.65 nmol m−2 s−1) was 4.6 times greater than during the GS (0.14 nmol m−2 s−1), likely due to the decreased NO3− concentrations that affect nitrification and denitrification processes throughout the ALL period, especially at a 5 cm depth. In contrast, soil CO2 and CH4 fluxes during the SFT (0.69 μmol m−2 s−1; −0.61 nmol m−2 s−1) were significantly lower than those during the GS (5.06 μmol m−2 s−1; −2.34 nmol m−2 s−1), which were positively influenced by soil temperature at both 5 cm and 10 cm depths. Soil CO2 fluxes increased with substrate availability, suggesting that the total nitrogen content at 10 cm depth and NH4+ concentration at both depths were significant positive factors. NO3− and NH4+ at both depths exhibited opposing effects on soil CH4 fluxes. Furthermore, the soil volumetric water content suppressed N2O emissions and CH4 oxidation, while the soil gravimetric water content, mainly at a 5 cm depth, was identified as a negative predictor of CO2 fluxes. The soil pH influenced CO2 and N2O emissions by regulating nutrient availability, particularly during the SFT period. These findings collectively contribute to a more comprehensive understanding of the factors driving GHG fluxes in temperate forest ecosystems and provide valuable insights for developing strategies to mitigate climate change impacts.