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(huì)散布在整個(gè)巖石中，形成延伸數(shù)英里的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。

了解裂縫的形成方式和位置是地球科學(xué)中的基本問(wèn)題，對(duì)日常生活具有重要意義。裂縫會(huì)影響頁(yè)巖層中可流動(dòng)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(huì)滯留或泄漏回到大氣中，從而助長(zhǎng)了氣候變化。

大多數(shù)科學(xué)家都通過(guò)地下觀測(cè)和基于力學(xué)的研究來(lái)尋求這些問(wèn)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(wèn)題?；卮疬@些問(wèn)題對(duì)于做出更準(zhǔn)確的地下裂縫模式預(yù)測(cè)和更好的工程決策至關(guān)重要。

由德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校領(lǐng)導(dǎo)的研究小組通過(guò)論證僅憑力學(xué)是不夠的，正在挑戰(zhàn)當(dāng)前的科學(xué)范式。為了使斷裂研究取得進(jìn)展，科學(xué)家需要開始考慮化學(xué)的作用。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀·杰克遜地球科學(xué)學(xué)院經(jīng)濟(jì)地質(zhì)局德克薩斯大學(xué)斷裂與成巖計(jì)劃負(fù)責(zé)人史蒂芬·勞巴赫(Stephen Laubach)站在大提頓國(guó)家公園(Grand Teton National Park)的一塊碎石中露頭。露頭是地下儲(chǔ)氣庫(kù)的絕佳模擬。圖片來(lái)源：Ann Laubach

研究人員于2019年8月在《地球物理學(xué)評(píng)論》(Reviews of Earthphysics)上發(fā)表了一篇論文，提出了采用化學(xué)觀點(diǎn)來(lái)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(shí)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(guò)程本身。密歇根大學(xué)經(jīng)濟(jì)地質(zhì)局研究部門的資深作者斯蒂芬·勞巴赫說(shuō)，化學(xué)分析，實(shí)驗(yàn)，建模和理論有可能增加科學(xué)家對(duì)不同地質(zhì)時(shí)間尺度上裂縫模式發(fā)展的理解。杰克遜地球科學(xué)學(xué)院。

勞巴赫說(shuō)：“它們是充滿熱流體的熱巖石，因此它們具有極大的化學(xué)反應(yīng)性。”

勞巴赫(Laubach)是該局骨折與成巖計(jì)劃的負(fù)責(zé)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(chǔ)能源科學(xué)能源部能源與能源學(xué)院主辦的關(guān)于裂縫模式發(fā)展的化學(xué)研討會(huì)上討論的觀點(diǎn)的基礎(chǔ)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(duì)豐度會(huì)影響圍巖和流體流動(dòng)的強(qiáng)度。但是，裂縫的表面簡(jiǎn)單性也使它們難以解決。僅憑力學(xué)和幾何形狀，實(shí)際上不可能弄清楚促使一個(gè)裂縫相對(duì)于另一個(gè)裂縫形成的過(guò)程?；瘜W(xué)提供了進(jìn)行這些區(qū)分所需的環(huán)境。

勞巴赫說(shuō)：“一個(gè)簡(jiǎn)單的開放式骨折，可能是由許多不同的過(guò)程形成的。” “當(dāng)您看到一塊巖心中的裂縫時(shí)，您就無(wú)法確切地說(shuō)出它是何時(shí)形成的或?yàn)槭裁葱纬傻?。您沒(méi)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(luò)。圖片來(lái)源：Laubach等。

在本文中，作者解釋了化學(xué)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(diǎn)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(huì)形成不同的礦物，因此礦物涂層可以記錄巖石隨時(shí)間變化的環(huán)境。礦物本身也可以影響壓裂過(guò)程和流體流經(jīng)裂縫網(wǎng)絡(luò)的程度。

勞巴赫說(shuō)，分析裂縫化學(xué)已經(jīng)導(dǎo)致了重要發(fā)現(xiàn)。例如，無(wú)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(luò)已經(jīng)緩慢穩(wěn)定地增長(zhǎng)了大約5000萬(wàn)年，比預(yù)期的要長(zhǎng)得多。杰克遜地球科學(xué)學(xué)院的校友Abdulaziz Almansour(他于2017年從學(xué)校的能源和地球資源計(jì)劃獲得碩士學(xué)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(duì)宿主巖石的化學(xué)分析來(lái)成功預(yù)測(cè)裂縫如何增強(qiáng)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?xì)浠衔锏膶?dǎo)管來(lái)阻止石油生產(chǎn)。

然而，盡管化學(xué)方法具有很大的潛力來(lái)揭示斷裂行為，但勞巴赫說(shuō)，化學(xué)方法仍然是一個(gè)相對(duì)不尋常的觀點(diǎn)，需要全面的研究。

他說(shuō)：“我們懷疑可能需要進(jìn)行一代代的觀察和實(shí)驗(yàn)工作，無(wú)論是使用模擬材料還是在高溫下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，都會(huì)發(fā)生諸如沉淀的反應(yīng)。” “在60年代，與實(shí)驗(yàn)室有關(guān)的斷裂力學(xué)得到了極大的推動(dòng)。我認(rèn)為我們可能應(yīng)該再進(jìn)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(xué)土木工程與地球科學(xué)部門的負(fù)責(zé)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(xué)術(shù)界和行業(yè)人士的范圍。

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