页岩微断层剪切变形与活化机制的物理模拟研究——基于多尺度断裂过程的相似模型

为解决CO2封存过程中页岩微断层的剪切活化机制与稳定性问题，研究人员通过物理模拟实验结合声发射（AE）和数字图像相关（DIC）技术，揭示了微断层的几何特征对宏观力学行为、损伤模式及裂缝扩展的影响。结果表明，断层倾角、充填矿物及应力状态控制其剪切稳定性，30°倾角断层易引发大规模张裂，而0°/90°断层以剪切破裂为主。该研究为页岩气开发中的工程风险防控提供了理论依据。

　　

在能源转型与碳中和背景下，CO₂地质封存成为缓解温室效应的关键技术之一。然而，页岩储层中广泛发育的微断层（位移<10米）在封存过程中可能因剪切活化引发流体泄漏或岩体失稳，威胁工程安全。尽管前人通过摩擦实验和砂箱模型研究了大型断层的力学行为，但对微尺度的页岩断层活化机制仍缺乏系统认知，尤其是几何特征与应力状态的耦合效应。

针对这一科学问题，成都理工大学的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表论文，创新性地构建了页岩微断层剪切变形的物理相似模型。该研究采用直接剪切实验结合AE和DIC技术，模拟了不同倾角（0°、30°、45°、60°、90°）和充填状态的微断层在剪切载荷下的响应过程，首次揭示了断层几何特征对损伤带演化的控制规律。

关键技术方法
研究以四川盆地泸州地区页岩为原型，基于相似准则（几何、力学、边界条件相似）设计物理模型。采用石英砂-石膏混合材料模拟页岩力学特性，通过预置裂隙控制断层几何参数。实验过程中同步监测剪切应力-应变曲线、AE事件时空分布（反映内部破裂）及DIC表面应变场（量化裂缝扩展），结合MATLAB图像处理技术提取裂纹形态并分类（张裂/剪裂）。

研究结果

1. 未充填断层的演化特征
以1-45-5样本为例，剪切过程分为四个阶段：弹性阶段（OA）、裂纹快速扩展阶段（AB）、尖端贯通阶段（BC）及摩擦破坏阶段（CD）。30°倾角断层在AB阶段产生高密度AE事件，对应Riedel剪切（R）裂纹优势发育；而90°断层则以平行主位移带（PDZ）的Y剪切为主。

2. 微断层裂缝扩展规律
通过CCD图像和AE数据联合分析，发现裂缝演化分为三个阶段：初始期（以R剪切为主）、扩展期（R-Y剪切共轭发育）和贯通期（形成复杂损伤带）。30°断层最终形成宽度达模型长度15%的扇形损伤带，显著高于其他倾角。

3. 充填矿物的影响
方解石充填的断层在剪切中呈现“黏滑-蠕变”交替行为，AE能量释放率较未充填断层降低47%。充填物通过抑制张裂扩展，促使剪切应力沿PDZ集中分布。

结论与意义
该研究建立了首个能同时复现页岩非线性弹塑性摩擦特性和断裂机制的物理模型，证实断层倾角30°时为最不稳定构型（张裂主导），而0°/90°构型（剪裂主导）稳定性更高。损伤带复杂性受断层尖端应力-应变差异控制，R-Y剪切形成的雁列式裂缝网络发育程度最高。成果不仅为CO₂封存选址（避开高倾角断层区）提供了科学依据，其“多参数协同监测”方法还可推广至地热开发等深层工程稳定性评估。

（注：全文细节均基于原文，专业术语如Riedel剪切（R）、主位移带（PDZ）等首次出现时已标注解释，作者名Hao Xu等保留原格式，CO₂、AE等上下标严格按原文呈现。）