晶体涂层可以帮助解决断裂模式的奥秘

它们是人行道上的裂缝。道路开裂中的裂痕。砖石中的蜘蛛纹理。这些只是表面可见的裂缝。地下的裂缝会散布在整个岩石中，形成延伸数英里的复杂网络。

了解裂缝的形成方式和位置是地球科学中的基本问题，对日常生活具有重要意义。裂缝会影响页岩层中可流动的石油和天然气量。他们可能控制着地下水丰富或难以开采的地方，以及注入地下的二氧化碳是否会滞留或泄漏回到大气中，从而助长了气候变化。

大多数科学家都通过地下观测和基于力学的研究来寻求这些问题的答案。但是，这些方法甚至未能成功回答关于更深，更热环境中的裂缝的基本问题。回答这些问题对于做出更准确的地下裂缝模式预测和更好的工程决策至关重要。

由德克萨斯大学奥斯汀分校领导的研究小组通过论证仅凭力学是不够的，正在挑战当前的科学范式。为了使断裂研究取得进展，科学家需要开始考虑化学的作用。

德克萨斯大学奥斯汀·杰克逊地球科学学院经济地质局德克萨斯大学断裂与成岩计划负责人史蒂芬·劳巴赫(Stephen Laubach)站在大提顿国家公园(Grand Teton National Park)的一块碎石中露头。露头是地下储气库的绝佳模拟。图片来源：Ann Laubach

研究人员于2019年8月在《地球物理学评论》(Reviews of Earthphysics)上发表了一篇论文，提出了采用化学观点来了解裂缝模式如何发展的理由。例如，最近发表的研究表明，裂缝内部的矿物可以记录有关何时以及为什么形成裂缝的重要证据。晶体涂层也可能影响压裂过程本身。密歇根大学经济地质局研究部门的资深作者斯蒂芬·劳巴赫说，化学分析，实验，建模和理论有可能增加科学家对不同地质时间尺度上裂缝模式发展的理解。杰克逊地球科学学院。

劳巴赫说：“它们是充满热流体的热岩石，因此它们具有极大的化学反应性。”

劳巴赫(Laubach)是该局骨折与成岩计划的负责人，并与其他18位合作者共同撰写了该论文。该论文建立在2016年由基础能源科学能源部能源与能源学院主办的关于裂缝模式发展的化学研讨会上讨论的观点的基础上。

从山峰到英里深的岩层，裂缝是许多地质环境中最常见的岩石结构。它们的绝对丰度会影响围岩和流体流动的强度。但是，裂缝的表面简单性也使它们难以解决。仅凭力学和几何形状，实际上不可能弄清楚促使一个裂缝相对于另一个裂缝形成的过程。化学提供了进行这些区分所需的环境。

劳巴赫说：“一个简单的开放式骨折，可能是由许多不同的过程形成的。” “当您看到一块岩心中的裂缝时，您就无法确切地说出它是何时形成的或为什么形成的。您没有什么可继续推断出井眼中的井眼形态。”

阿曼山脉的裂缝网络。图片来源：Laubach等。

在本文中，作者解释了化学如何在形成裂缝的因素中提供更多的特异性，而研究的重点是在地下1至10公里处形成的裂缝。

在这些环境中的裂缝经常在其内部容纳矿藏。由于在特定条件下会形成不同的矿物，因此矿物涂层可以记录岩石随时间变化的环境。矿物本身也可以影响压裂过程和流体流经裂缝网络的程度。

劳巴赫说，分析裂缝化学已经导致了重要发现。例如，无线电通信局的研究发现，德克萨斯州东部的裂缝网络已经缓慢稳定地增长了大约5000万年，比预期的要长得多。杰克逊地球科学学院的校友Abdulaziz Almansour(他于2017年从学校的能源和地球资源计划获得硕士学位)最近根据他的论文研究发表了一篇论文，该论文利用对宿主岩石的化学分析来成功预测裂缝如何增强或破裂。根据它们是用矿物水泥密封还是敞开并能够用作碳氢化合物的导管来阻止石油生产。

然而，尽管化学方法具有很大的潜力来揭示断裂行为，但劳巴赫说，化学方法仍然是一个相对不寻常的观点，需要全面的研究。

他说：“我们怀疑可能需要进行一代代的观察和实验工作，无论是使用模拟材料还是在高温下进行的化学反应，都会发生诸如沉淀的反应。” “在60年代，与实验室有关的断裂力学得到了极大的推动。我认为我们可能应该再进行一轮此类研究。”

骨折研究人员乔凡尼·贝尔托蒂(Giovanni Bertotti)并未参与该出版物的撰写，而是代尔夫特理工大学土木工程与地球科学部门的负责人，称该论文为“里程碑”，并表示他希望这篇文章能被广泛阅读。学术界和行业人士的范围。

他说：“劳巴赫(Laubach)等​​人的论文是对这些断裂系统的现有知识的出色概述，并对未来的挑战有启发性的看法。”