自生差异应力与挥发物消耗反应触发的级联破裂及渗透性增强机制研究

本研究通过高温高压流变实验，揭示了MgO水化反应中自生差异应力如何引发级联破裂和渗透性增强的机制。研究人员采用流动实验与批次实验对比，首次实现反应进程、应力场与渗透率的同步监测，发现低孔隙样品中反应诱导应力积累导致渗透率提升2个数量级，为理解蛇纹石化(serpentinization)和碳酸化(carbonation)等地质过程提供新范式。

　　

在地球深部碳循环和海洋岩石圈演化过程中，蛇纹石化(serpentinization)和碳酸化(carbonation)是两类关键的挥发物消耗反应。这些反应不仅能改变岩石物理性质，还影响着地震活动、微生物栖息环境乃至全球碳收支。然而长期以来，科学家们面临一个核心矛盾：理论上这些体积膨胀反应(如橄榄石水化体积增加50.1%)应导致孔隙闭合，但自然界却普遍观测到千米尺度的完全蚀变岩体伴生复杂裂隙网络。这种"自破壁"现象背后的力学-化学耦合机制始终是未解之谜。

日本东北大学Atsushi Okamoto团队在《Geochimica et Cosmochimica Acta》发表的研究，通过精巧的高温高压实验设计破解了这一悖论。研究人员选用MgO-H₂O→Mg(OH)₂模型体系(体积膨胀119%)，在20MPa围压和180-200°C条件下，首次实现反应进程、三维应力场、渗透率和声发射信号的同步监测。关键技术包括：①定制流动实验装置实现流体压力(3-5MPa)精确控制；②采用X射线断层扫描量化反应前沿；③声发射传感器阵列定位微破裂事件；④对比高/低孔隙度(12.8% vs 4.3%)烧结方镁石样品的差异响应。

主要结果

1. 批次实验的孔隙度效应
   高孔隙样品呈现均匀水化(50分钟转化率67.4%)，而低孔隙样品形成尖锐反应前沿，证实孔隙连通性决定反应传质效率。

2. 流动实验的力学响应
   高孔隙样品表现为渐进式形变，渗透率保持稳定；低孔隙样品则经历"静默期-突发破裂-级联反应"三阶段，最终渗透率暴增100倍，反应速率较批次实验提升18倍。

3. 自生应力机制
   通过声发射信号反演，发现低孔隙样品中反应诱导应力(P_cry)积累导致各向异性膨胀，当差异应力超过屈服阈值时引发连锁破裂，形成自持(self-sustaining)的反应-破裂正反馈。

讨论与意义
该研究首次实验证实：①岩石弹性各向异性会放大反应诱导应力，产生远超材料抗拉强度(通常<10MPa)的局部应力集中(理论预测>100MPa)；②低渗透岩体的突发性破裂可解释天然蛇纹岩中观察到的"灾难性蚀变"现象；③为CO₂地质封存提供新见解——封存初期的人工压裂可能非必需，反应自身产生的P_cry应力足以维持流体通道。这些发现架起了原子尺度置换反应与千米尺度构造现象之间的桥梁，对理解慢地震成因、海底氢能源生成等具有深远意义。