岩石裂隙摩擦稳定性-渗透性演化耦合机制研究：花岗岩与页岩的对比实验分析

为解决水力压裂诱发地震的预测难题，研究人员通过速度阶跃实验对比研究了花岗岩与页岩裂隙的摩擦稳定性参数(a-b)与渗透率(Δk/ktrans )的演化关系。发现页岩呈速度强化行为而花岗岩呈速度弱化行为，揭示了渗透率升高增加地震风险，为流体注入诱发地震提供了水力参数预警指标。

　　

深部地热与页岩气开发中的水力压裂工程常伴随流体注入诱发地震的风险。这种地震活动源于地下裂隙/断层的稳定蠕滑或失稳滑动，而裂隙渗透率与摩擦行为的耦合关系长期缺乏定量研究。更棘手的是，不同岩性（如花岗岩和页岩）的摩擦稳定性差异显著——花岗岩作为地热储层主岩，页岩则是页岩气开采的核心靶区，二者对流体注入的响应机制尚未明确。现有研究虽已建立速率-状态摩擦定律(Rate-State Friction Law)描述摩擦系数演化，但渗透率如何随(a-b)参数变化的科学问题仍未解决，这直接制约了通过水力参数监测预测地震的可行性。

针对这一空白，中国某研究团队在《Tectonophysics》发表论文，通过创新性设计的速度阶跃实验，首次系统对比了花岗岩与页岩裂隙在3.0-9.0 MPa有效正应力下的摩擦稳定性-渗透率协同演化规律。研究采用三轴剪切-渗流耦合实验系统，实时监测剪切过程中裂隙的摩擦系数(τ/σ_n
)与渗透率变化。关键技术包括：1) 青海共和盆地花岗岩与页岩的原位取样；2) 基于立方定律(Cubic Law)的瞬态渗透率计算；3) 速率-状态摩擦参数(a-b)的位移曲线拟合；4) 渗透率响应参数(Δk/k_trans
)的量化分析。

样品材料与制备
研究选取青海共和盆地花岗岩（代表地热储层）与页岩（代表页岩气储层）制作裂隙样本。通过CT扫描确认裂隙表面形貌特征，确保实验样本的地质代表性。

页岩裂隙速度阶跃测试
在3.0-9.0 MPa有效正应力下，页岩表现出典型的速率强化行为(a-b>0)，摩擦系数随滑移速率增加而升高。渗透率测试显示，短期滑移后裂隙渗透率轻微增加，但长期滑移导致渗透率持续下降。

讨论
实验数据揭示出颠覆性规律：随着有效正应力增加，(a-b)值与渗透率呈同步下降趋势。花岗岩在低应力下呈现速度弱化行为(a-b<0)，与页岩形成鲜明对比。更关键的是，渗透率响应参数(Δk/k_trans
)与(a-b)存在显著负相关——当Δk/k_trans

0.5时，花岗岩裂隙地震风险骤增。这一发现首次建立了通过渗透率监测反推摩擦稳定性的定量桥梁。

启示
研究提出的(a-b)-Δk/k_trans
耦合模型具有重大工程价值：在页岩气压裂作业中，可通过实时渗透率数据预判速度强化向速度弱化的转变临界点；对于地热储层，渗透率突增可作为地震预警的"水力前兆信号"。

结论
该研究通过花岗岩-页岩对比实验，阐明了两类储层岩石的摩擦-渗流耦合机制：1) 页岩的速率强化特性使其更易发生稳定蠕滑，而花岗岩的速度弱化倾向导致其易产生地震滑动；2) 渗透率演化与(a-b)参数的定量关系为流体诱发地震提供了新型监测指标；3) 短时滑移提升渗透率，但持续滑移将引发渗透率劣化，这对储层改造的持续时间设计具有指导意义。这些发现为深部能源开发中的地震风险评估提供了理论基石。