斷層封閉性和穩定性是許多地質(zhì)工程建設中必須考慮的問(wèn)題。諸如地下油氣藏開(kāi)采、核廢物地質(zhì)處置、干熱巖增強地熱系統和CO₂地質(zhì)封存等作業(yè)時(shí)會(huì )擾動(dòng)地應力，繼而存在劣化相鄰斷層的封閉性和結構穩定性的風(fēng)險。前人對于斷層應力擾動(dòng)對應變和滲透率耦合作用機制研究較少。特別是在含成核斷層泥結構中，斷層面和斷層泥等內部應變整體滲透率相互影響機理缺乏有效實(shí)驗手段進(jìn)行觀(guān)測。

　　針對這一問(wèn)題，中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所二氧化碳地質(zhì)封存研究團隊在斷層內部（伊利石斷層泥和頁(yè)巖斷層面）和斷層外部（環(huán)向和軸向）埋設高精度光纖布拉格光柵傳感器，采用恒靜水圍壓應力模擬斷層在原始地應力環(huán)境下，通過(guò)改變靜水圍壓應力模擬斷層受到應力擾動(dòng)，結合壓力脈沖法連續同步測量應力擾動(dòng)下斷層的內外部應變響應和滲透率演化規律。結果表明：應變和滲透率之間沒(méi)有明顯的關(guān)系，滲透率主要由有效應力控制；當原始地應力恒定時(shí)，未固結的斷層泥會(huì )產(chǎn)生明顯蠕變現象；滲透率演化規律與有效應力呈明顯的指數關(guān)系。此外，發(fā)現當有效應力小于原始地應力時(shí)，斷層會(huì )產(chǎn)生明顯的界面流，類(lèi)似于流體在斷層破壞區的流動(dòng)；當有效應力大于原始地應力時(shí)，斷層泥的法向應變不僅控制著(zhù)斷層整體結構的體積應變，而且還控制著(zhù)整體滲透率的演化規律；最后，在應力擾動(dòng)下，斷層厚度方向的變形最大。因此，當儲層開(kāi)發(fā)過(guò)程中無(wú)法避免對斷層的擾動(dòng)時(shí)，應首先避免斷層泥厚度垂直方向的應力擾動(dòng)。該研究為地質(zhì)工程開(kāi)發(fā)和建設中斷層受到擾動(dòng)時(shí)的斷層封閉性和結構穩定性評價(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)基金項目(Nos. 41872210, 41274111, 41874113)和巖土力學(xué)與巖土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)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。a-e將直徑0.2 mm的FBG傳感器分別布設于內部斷層面、內部斷層泥、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 應力擾動(dòng)下斷層應變的時(shí)程演化曲線(xiàn)。a-d分別是斷層外部軸向、內部斷層面、內部斷層泥和外部環(huán)向的應變時(shí)程演化曲線(xiàn)

圖3 應力擾動(dòng)時(shí)應力、滲透率與體積應變的關(guān)系曲線(xiàn)