斷層封閉性和穩(wěn)定性是許多地質(zhì)工程建設(shè)中必須考慮的問題。諸如地下油氣藏開采、核廢物地質(zhì)處置、干熱巖增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)和CO₂地質(zhì)封存等作業(yè)時(shí)會(huì)擾動(dòng)地應(yīng)力，繼而存在劣化相鄰斷層的封閉性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)。前人對(duì)于斷層應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)應(yīng)變和滲透率耦合作用機(jī)制研究較少。特別是在含成核斷層泥結(jié)構(gòu)中，斷層面和斷層泥等內(nèi)部應(yīng)變整體滲透率相互影響機(jī)理缺乏有效實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行觀測。

　　針對(duì)這一問題，中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所二氧化碳地質(zhì)封存研究團(tuán)隊(duì)在斷層內(nèi)部（伊利石斷層泥和頁巖斷層面）和斷層外部（環(huán)向和軸向）埋設(shè)高精度光纖布拉格光柵傳感器，采用恒靜水圍壓應(yīng)力模擬斷層在原始地應(yīng)力環(huán)境下，通過改變靜水圍壓應(yīng)力模擬斷層受到應(yīng)力擾動(dòng)，結(jié)合壓力脈沖法連續(xù)同步測量應(yīng)力擾動(dòng)下斷層的內(nèi)外部應(yīng)變響應(yīng)和滲透率演化規(guī)律。結(jié)果表明：應(yīng)變和滲透率之間沒有明顯的關(guān)系，滲透率主要由有效應(yīng)力控制；當(dāng)原始地應(yīng)力恒定時(shí)，未固結(jié)的斷層泥會(huì)產(chǎn)生明顯蠕變現(xiàn)象；滲透率演化規(guī)律與有效應(yīng)力呈明顯的指數(shù)關(guān)系。此外，發(fā)現(xiàn)當(dāng)有效應(yīng)力小于原始地應(yīng)力時(shí)，斷層會(huì)產(chǎn)生明顯的界面流，類似于流體在斷層破壞區(qū)的流動(dòng)；當(dāng)有效應(yīng)力大于原始地應(yīng)力時(shí)，斷層泥的法向應(yīng)變不僅控制著斷層整體結(jié)構(gòu)的體積應(yīng)變，而且還控制著整體滲透率的演化規(guī)律；最后，在應(yīng)力擾動(dòng)下，斷層厚度方向的變形最大。因此，當(dāng)儲(chǔ)層開發(fā)過程中無法避免對(duì)斷層的擾動(dòng)時(shí)，應(yīng)首先避免斷層泥厚度垂直方向的應(yīng)力擾動(dòng)。該研究為地質(zhì)工程開發(fā)和建設(shè)中斷層受到擾動(dòng)時(shí)的斷層封閉性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了技術(shù)和理論支持。

　　本研究成果得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(Nos. 41872210, 41274111, 41874113)和巖土力學(xué)與巖土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(No. Z018002)的共同資助。

　　論文鏈接:https://www.researchgate.net/publication/354087427

圖1 樣品制備及FBG傳感器布設(shè)。a-e將直徑0.2 mm的FBG傳感器分別布設(shè)于內(nèi)部斷層面、內(nèi)部斷層泥、外部環(huán)向和外部軸向。f外部涂上硅膠，分隔孔壓和圍壓體系

圖2 應(yīng)力擾動(dòng)下斷層應(yīng)變的時(shí)程演化曲線。a-d分別是斷層外部軸向、內(nèi)部斷層面、內(nèi)部斷層泥和外部環(huán)向的應(yīng)變時(shí)程演化曲線

圖3 應(yīng)力擾動(dòng)時(shí)應(yīng)力、滲透率與體積應(yīng)變的關(guān)系曲線