X射线显微断层扫描揭示围压与卤水对岩盐晶间损伤的抑制机制及其在氢能储存中的应用

为探究岩盐在氢能储存中的微损伤机制，研究人员通过X射线显微断层扫描(XR-μCT)原位观测合成岩盐在单轴/三轴(15 MPa围压)压缩下的晶间微裂纹发育。发现卤水通过溶解-沉淀过程抑制微损伤，为盐穴储氢安全性提供理论支撑。

　　

全球能源转型背景下，绿色氢能作为零碳能源载体面临储存难题。盐穴因其自密封性和低成本成为储氢首选，但频繁充放循环可能导致岩盐微损伤，威胁储存安全。岩盐在低应变率(10^-12
s^-1
)下虽以黏塑性流动为主，但实验室尺度(10^-5
s^-1
)的快速加载会引发晶间微裂纹，而卤水与围压对损伤的调控机制尚不明确。

为解决这一关键问题，研究人员通过创新实验设计，结合原位XR-μCT技术，系统研究了合成岩盐（分实验室干燥与卤水饱和两组）在单轴/三轴压缩下的微损伤演化规律。研究发现：1）晶间微裂纹主要源于NaCl晶体滑移系各向异性导致的塑性不兼容，仅(110)<110>滑移系在低温下活跃，无法满足von Mises准则要求的5个独立滑移系；2）15 MPa围压使微裂纹体积减少50%，而卤水饱和样品裂纹密度降低更显著（干燥组0.15 vs 饱和组0.08），证实溶解-沉淀过程能缓解局部应变不兼容；3）天然Leine岩盐表现出相似规律，验证了实验室结果的普适性。该成果发表于《Journal of Structural Geology》，为评估储氢盐穴长期安全性提供了微观力学依据。

关键技术包括：1）热压/冷压法制备粒径200 μm的可控合成岩盐；2）X射线半透明三轴腔室实现15 MPa围压下原位XR-μCT扫描（空间分辨率3.5 μm）；3）数字图像相关技术(DIC)量化晶界滑动(GBS)贡献度。

【Sample preparation and characterization】
通过热压（150°C/100 MPa）和卤水冷压制备两类合成岩盐，XR-μCT与SEM确认其均质性和平均粒径（200 μm）。干燥样品含水量<0.01 wt.%，饱和样品含0.06 wt.%卤水，模拟盐穴实际工况。

【Results】
单轴实验中干燥样品裂纹体积分数达0.22，显著高于饱和组(0.12)。三轴条件下（15 MPa）两组裂纹发育均受抑制，但卤水的愈合效应使饱和样品仅出现孤立裂纹，而干燥组形成连通网络。DIC分析显示GBS贡献3-5%总应变，证实其作为次要协调机制的作用。

【Discussion】
研究颠覆了"围压可完全抑制岩盐损伤"的传统认知，揭示即便在15 MPa下微裂纹仍持续发育。卤水的双重作用机制被阐明：除已知的裂缝愈合外，更通过动态溶解-沉淀协调晶界塑性应变，该发现为解释盐穴自密封性提供了新视角。

【Conclusions】
研究首次通过原位实验证明储氢盐穴围岩在运营荷载下必然产生微损伤，但卤水可显著延缓该过程。建议未来盐穴设计应保持适量卤水以激活溶解-沉淀机制，同时将15 MPa作为围压阈值进行稳定性评估。成果对理解地壳浅层岩盐变形机制亦有重要启示。