多孔岩石快速局部压实产生的孔隙流体压力脉冲及其对断层滑动行为的启示

《Tectonophysics》：Pore-fluid pressure pulses from rapid, localized compaction of a porous rock

本研究针对断层带中孔隙流体压力快速产生的机制问题，通过高压压实实验发现，在快速静水加载条件下（≥0.01 MPa/s），针状α-硬石膏中会形成低孔隙度带并产生瞬态孔隙压力脉冲，而片状β-硬石膏仅发生均匀压实。该现象揭示了矿物颗粒形状控制变形局部化的新机制，为理解断层触发和地震成核提供了实验依据。

　　

在地球科学领域，孔隙流体压力的变化常被认为是控制断层滑动行为（从稳定蠕滑到地震破裂）的关键因素。然而，流体压力如何在低渗透性环境中快速积累并触发地震，仍是未解之谜。传统模型如“断层阀机制”或“孔隙波”理论虽能解释部分现象，但缺乏直接实验证据。为此，H. Leclère团队在《Tectonophysics》发表研究，通过精巧的高压实验揭示了多孔岩石在压实过程中产生流体压力脉冲的新机制。

研究采用三轴实验装置，对两种晶体形态（针状α-硬石膏和片状β-硬石膏）的多孔样品进行不同速率（0.001–0.02 MPa/s）的静水压实，并同步监测孔隙流体压力与渗透率变化。实验后通过X射线显微CT（计算机断层扫描）和扫描电镜（SEM）分析微观结构。

3.1 样品压实过程中的孔隙流体脉冲

在快速加载（≥0.01 MPa/s）条件下，α-硬石膏出现周期性孔隙压力脉冲（幅度>0.1 MPa），伴随瞬时流体排出（10–60 mm³），而慢速加载或β-硬石膏实验中仅见平稳压实。暂停加载时脉冲消失，表明脉冲产生与外部加载速率直接相关。

3.2 压实过程中的微观结构演化

X射线CT显示，α-硬石膏中形成网状低孔隙度带（孔隙度从18%降至5%），带内颗粒破碎；β-硬石膏则呈均匀压实。快速加载实验中，单个压力脉冲对应一条新生的低孔隙度带，证实脉冲源于带的快速形成。

3.3 低孔隙度带形成过程中的渗透率演化

脉冲发生时样品整体渗透率仍保持高位（≥10^?16 m²），排除“断层阀”机制（即渗透率屏障导致流体被困），支持脉冲直接来自压实带的体积突变。

3.4 低孔隙度带与孔隙压力脉冲的尺度关系

脉冲流体体积与低孔隙度带尺寸（长≤40 mm、厚≤2 mm）定量匹配，验证了脉冲源于局部孔隙坍塌。

4.1 静水压实中低孔隙度带的特征

α-硬石膏的低孔隙度带呈无剪切特征的“弥漫式压缩带”，与砂岩中定向排列的压实带不同，其网状结构归因于静水应力状态下针状颗粒接触的应力集中。

4.2 控制压实带传播速度的物理机制

研究提出，快速加载时，带尖端的应力强度因子（K）超过临界值（K_C），导致带的不稳定扩展（类似Ⅲ型裂纹扩展）；慢速加载时，K<>_C，带缓慢稳定生长。这一机制首次将断裂力学理论应用于压实带传播速率的解释。

结论表明，矿物颗粒形状（针状vs.片状）和加载速率共同控制多孔岩石的变形局部化与流体压力脉冲的产生。该研究为理解俯冲带等环境中流体触发地震提供了新视角，即快速构造加载可能通过局部压实作用产生瞬态高压流体，进而促进断层活化。