晶體涂層可以幫助解決斷裂模式的奧秘

它們是人行道上的裂縫。道路開裂中的裂痕。磚石中的蜘蛛紋理。這些只是表面可見的裂縫。地下的裂縫會散布在整個巖石中，形成延伸數(shù)英里的復雜網(wǎng)絡。

了解裂縫的形成方式和位置是地球科學中的基本問題，對日常生活具有重要意義。裂縫會影響頁巖層中可流動的石油和天然氣量。他們可能控制著地下水豐富或難以開采的地方，以及注入地下的二氧化碳是否會滯留或泄漏回到大氣中，從而助長了氣候變化。

大多數(shù)科學家都通過地下觀測和基于力學的研究來尋求這些問題的答案。但是，這些方法甚至未能成功回答關(guān)于更深，更熱環(huán)境中的裂縫的基本問題。回答這些問題對于做出更準確的地下裂縫模式預測和更好的工程決策至關(guān)重要。

由德克薩斯大學奧斯汀分校領導的研究小組通過論證僅憑力學是不夠的，正在挑戰(zhàn)當前的科學范式。為了使斷裂研究取得進展，科學家需要開始考慮化學的作用。

德克薩斯大學奧斯汀·杰克遜地球科學學院經(jīng)濟地質(zhì)局德克薩斯大學斷裂與成巖計劃負責人史蒂芬·勞巴赫(Stephen Laubach)站在大提頓國家公園(Grand Teton National Park)的一塊碎石中露頭。露頭是地下儲氣庫的絕佳模擬。圖片來源：Ann Laubach

研究人員于2019年8月在《地球物理學評論》(Reviews of Earthphysics)上發(fā)表了一篇論文，提出了采用化學觀點來了解裂縫模式如何發(fā)展的理由。例如，最近發(fā)表的研究表明，裂縫內(nèi)部的礦物可以記錄有關(guān)何時以及為什么形成裂縫的重要證據(jù)。晶體涂層也可能影響壓裂過程本身。密歇根大學經(jīng)濟地質(zhì)局研究部門的資深作者斯蒂芬·勞巴赫說，化學分析，實驗，建模和理論有可能增加科學家對不同地質(zhì)時間尺度上裂縫模式發(fā)展的理解。杰克遜地球科學學院。

勞巴赫說：“它們是充滿熱流體的熱巖石，因此它們具有極大的化學反應性。”

勞巴赫(Laubach)是該局骨折與成巖計劃的負責人，并與其他18位合作者共同撰寫了該論文。該論文建立在2016年由基礎能源科學能源部能源與能源學院主辦的關(guān)于裂縫模式發(fā)展的化學研討會上討論的觀點的基礎上。

從山峰到英里深的巖層，裂縫是許多地質(zhì)環(huán)境中最常見的巖石結(jié)構(gòu)。它們的絕對豐度會影響圍巖和流體流動的強度。但是，裂縫的表面簡單性也使它們難以解決。僅憑力學和幾何形狀，實際上不可能弄清楚促使一個裂縫相對于另一個裂縫形成的過程?；瘜W提供了進行這些區(qū)分所需的環(huán)境。

勞巴赫說：“一個簡單的開放式骨折，可能是由許多不同的過程形成的。” “當您看到一塊巖心中的裂縫時，您就無法確切地說出它是何時形成的或為什么形成的。您沒有什么可繼續(xù)推斷出井眼中的井眼形態(tài)。”

阿曼山脈的裂縫網(wǎng)絡。圖片來源：Laubach等。

在本文中，作者解釋了化學如何在形成裂縫的因素中提供更多的特異性，而研究的重點是在地下1至10公里處形成的裂縫。

在這些環(huán)境中的裂縫經(jīng)常在其內(nèi)部容納礦藏。由于在特定條件下會形成不同的礦物，因此礦物涂層可以記錄巖石隨時間變化的環(huán)境。礦物本身也可以影響壓裂過程和流體流經(jīng)裂縫網(wǎng)絡的程度。

勞巴赫說，分析裂縫化學已經(jīng)導致了重要發(fā)現(xiàn)。例如，無線電通信局的研究發(fā)現(xiàn)，德克薩斯州東部的裂縫網(wǎng)絡已經(jīng)緩慢穩(wěn)定地增長了大約5000萬年，比預期的要長得多。杰克遜地球科學學院的校友Abdulaziz Almansour(他于2017年從學校的能源和地球資源計劃獲得碩士學位)最近根據(jù)他的論文研究發(fā)表了一篇論文，該論文利用對宿主巖石的化學分析來成功預測裂縫如何增強或破裂。根據(jù)它們是用礦物水泥密封還是敞開并能夠用作碳氫化合物的導管來阻止石油生產(chǎn)。

然而，盡管化學方法具有很大的潛力來揭示斷裂行為，但勞巴赫說，化學方法仍然是一個相對不尋常的觀點，需要全面的研究。

他說：“我們懷疑可能需要進行一代代的觀察和實驗工作，無論是使用模擬材料還是在高溫下進行的化學反應，都會發(fā)生諸如沉淀的反應。” “在60年代，與實驗室有關(guān)的斷裂力學得到了極大的推動。我認為我們可能應該再進行一輪此類研究。”

骨折研究人員喬凡尼·貝爾托蒂(Giovanni Bertotti)并未參與該出版物的撰寫，而是代爾夫特理工大學土木工程與地球科學部門的負責人，稱該論文為“里程碑”，并表示他希望這篇文章能被廣泛閱讀。學術(shù)界和行業(yè)人士的范圍。

他說：“勞巴赫(Laubach)等??人的論文是對這些斷裂系統(tǒng)的現(xiàn)有知識的出色概述，并對未來的挑戰(zhàn)有啟發(fā)性的看法。”