碳酸盐岩-泥灰岩互层中断裂渗透性对CO2 封存场地评估的影响机制研究

为解决碳酸盐岩-泥灰岩互层中断裂带作为流体迁移屏障/通道的关键科学问题，研究人员通过挪威Smeaheia CO2 封存场与意大利Gubbio、Mt. Gorzano断裂带类比，结合岩石物理测量与结构分析，揭示了断裂岩渗透性受岩性非均质性控制：泥灰岩断裂带因黏土压溶缝降低渗透性，而碳酸盐岩单元因角砾化作用增强渗透性。该研究为CO2 封存场地风险评估提供了关键理论依据。

　　

在全球应对气候变化的背景下，地下二氧化碳（CO₂
）封存技术成为减少温室气体排放的重要途径。然而，断层在CO₂
封存场地中扮演着双重角色——既是流体迁移的屏障，也可能是泄漏通道。尤其在碳酸盐岩-泥灰岩互层中，断层渗透性的预测存在巨大不确定性。这类地层广泛分布于全球潜在封存场地，但其复杂的岩性组合导致变形机制多样，传统基于硅质碎屑岩的断层封闭性评估方法在此类地层中适用性有限。挪威Smeaheia封存场作为北海地区重要候选场地，其断层密封性能的准确评估直接关系到CO₂
长期封存的安全性。

为攻克这一难题，来自国外研究机构的E.A.H. Michie团队联合F. Agosta等学者，创新性地选取意大利亚平宁山脉Gubbio和Mt. Gorzano断裂带作为地表类比对象，通过多尺度研究方法揭示了碳酸盐岩-泥灰岩互层中断裂带的渗透性演化规律。研究成果发表在《International Journal of Greenhouse Gas Control》，为复杂岩性组合中的断层密封性评估建立了新范式。

研究团队运用三大关键技术：岩石物理测量（包括氦孔隙度仪和脉冲衰减渗透率仪测定）、光学显微镜与扫描电镜（SEM）微观结构分析，以及三维地质建模（基于挪威北海地震数据构建Vette断裂带模型）。这些技术组合实现了从纳米级矿物组成到千米级断层结构的全尺度表征。

研究结果分为四个关键发现：

1. 岩性控制变形机制：泥灰岩断裂岩以压溶缝和薄层方解石脉为主，渗透性比未变形围岩降低1个数量级（10^-4
   -10^-3
   mD）；碳酸盐岩断裂岩则发育角砾化和碎裂结构，渗透性显著增高（达10²
   mD）。
2. 混合岩性特殊响应：碳酸盐岩-泥灰岩混合断裂带虽发育强烈角砾化，但胶结和压溶作用使平均渗透性与围岩相当，形成"自修复"效应。
3. 挪威北海场地预测：Smeaheia上覆层以泥灰岩为主，压溶作用主导的变形机制可能使断裂带传导系数降低2个数量级。
4. 三维模型验证：与传统页岩涂抹比（SGR）算法相比，考虑泥灰岩特性的新模型显示断层岩渗透性降低更显著（transmissibility multiplier 0.3-0.7 vs. ≥1）。

讨论部分强调，这项研究首次系统量化了碳酸盐岩-泥灰岩互层中断裂带渗透性的极端差异（7个数量级），揭示了岩性厚度比是控制断层密封性的关键参数。对于Smeaheia场地，泥灰岩优势的层序特性预示着良好的封闭潜力，但需警惕薄层碳酸盐岩夹层可能形成的局部高渗通道。该成果不仅为挪威北海CO₂
封存项目提供了直接依据，更建立了适用于全球类似地质背景的评估框架，推动碳管理技术向精准预测迈进。