近日，中國石油大學（北京）肖立志教授團隊與哈佛大學Weitz實驗室的研究人員在《Nature-Physics》和《AGU Advances》上發表論文，探索裂紋如何成核、傳播及終止，多家媒體以及哈佛大學等合作單位對該項成果進行了報道。
Propagation of extended fractures by local nucleation and rapid transverse expansion of crack-front distortion（基于裂紋前端變形的局部成核和快速橫向擴展及延伸裂縫傳播）發表在《Nature-Physics》上，中國石油大學（北京）油氣資源與工程全國重點實驗室為第一作者和共同通訊作者單位。
Laboratory Hydrofractures as Analogs to Tectonic Tremors（實驗室水力壓裂模擬地質構造震顫）發表在《AGU Advances》上，作者包括Congcong Yuan、Thomas Cochard、Marine Denolle、Joan Gomberg、Aaron Wech、Lizhi Xiao和David Weitz。
由中國石油大學（北京）和美國哈佛大學科學家組成的跨學科研究團隊，探索了裂紋開始、傳播及結束的整個生命周期。肖立志說，這項階段性結果，體現了實驗物理學家、材料科學家與地球物理學家及地震學家之間的密切合作，可以增進我們對石油和天然氣開采過程及地熱能開發、材料科學、地震等一些基礎問題的理解。正在進行的后續研究工作可能產生更多新的認識。
2016年起，由肖立志和Weitz為合作導師的博士后研究員Thomas Cochard被帶領到一個全新領域，開始系統思考水力壓裂過程中的物理問題。Cochard是這兩篇論文的作者之一，他說：“我們開始這項研究是為了探索其應用，但我們很快意識到，裂紋的力學和動力學遠比我們最初想象的要復雜得多。我們從工程和應用的角度來看待這個問題，最終進行了對斷裂的基礎研究。”
揭示裂縫擴展
肖立志介紹，水平井和水力壓裂是兩項顛覆性技術，促成了本世紀初開始的頁巖油氣革命。水力壓裂，簡稱壓裂，是通過將加壓流體注入到地下從而在巖石中產生裂縫的過程，以便生成連通的裂縫網絡，從而顯著增強地層中流體的可流動性。這個過程，已經廣泛應用于石油和天然氣的開采以及地熱能開發，也能夠在自然界中觀察到，例如在巖漿巖脈的形成中。
由哈佛大學David A. Weitz和肖立志領導的油氣科學實驗室，最初想要更好地了解水力壓裂過程中天然巖石的斷裂情況和規律。研究團隊包括來自中國石油大學（北京）、英國諾丁漢大學、美國哈佛大學、塔夫茨大學、華盛頓大學、美國地質調查局及以色列耶路撒冷希伯來大學的科學家。
為了增加對水力壓裂的認識，肖立志和Weitz曾多次深入頁巖氣田考察壓裂作業現場。Weitz說：“在二維情況下，斷裂已經被充分理解，但在三維空間中，實際斷裂呈現出一系列復雜行為，這些行為雖然得到廣泛研究，但在基礎層面仍然不為人所知。”
為了理解三維空間中的斷裂，該團隊設計了獨特的實驗裝置和實驗流程，在透明材料中造出裂縫，然后注入不同粘度的液體，使用每秒可以捕獲100000張圖像、空間分辨率為數微米的高速相機，通過先進的聲發射傳感器，能夠可視化并聽到裂縫在材料中傳播時的動態過程。研究發現，裂縫并不像連續波那樣在材料中移動，而是走走停停，從起源向外通過一系列高速跳躍傳播。
Cochard說：“這是一個非常動態的過程。新裂縫在斷裂停滯前沿線的某個地方形成，局部扭曲，導致裂縫以聲速在斷裂線方向上擴展，然后液體跟進。裂縫停止，夜體滲透，引起斷裂前沿應變，新的裂縫再次開始遵循相同的動力學過程。”各種流體粘度下水力壓裂實驗的原始圖像，每秒捕獲100000幀。內環和外環分別對應于液體及斷裂前沿的位置。通過視頻，可以看到裂縫前沿呈現出停止和前進的抖動運動。振幅和時間隨流體粘度而變化。研究發現，這些跳躍之間的振幅和時間取決于液體的粘度。對于低粘度液體（如水），跳躍之間的時間很短，因為流體幾乎瞬間就滲透到裂縫中。對于高粘度液體（如甘油，其粘度類似于蜂蜜），所謂的斷裂前沿（裂縫所在的位置）和流體前沿（液體尖端所在的位置）之間的滯后時間會增加，因為高粘度流體需要更長的時間才能滲透到裂縫中并將其擴展。
該團隊同時還開發了數值模型。團隊成員、諾丁漢大學Gabriele Albertini說：“我們的數值模型基于相同的斷裂理論數學方程和假設，但完全是三維的。我們發現，模擬能夠以定量的方式重現實驗數據，而不需要新的擬合參數。這表明我們的發現具有普遍性，適用于在各種情況下產生的裂縫，而不僅僅是流體驅動裂縫的特定情況。”
破解地震機制
使用相同的實驗設置和流程，團隊把注意力轉向天然地震——畢竟，地震是由構造板塊中的斷裂引起的。團隊具體研究了慢滑和構造震動，也稱為慢地震。團隊成員、哈佛地球與行星科學系博士生、AGU Advances論文的第一作者袁聰聰說：“慢地震非常重要，因為它們可能會引發大地震，盡管與常規地震相比，它們移動得很慢。以前的研究觀察到，流體可以在調節慢滑及構造震動事件方面發揮作用，但是水力裂縫如何調節流體流動并與剪切裂縫相互作用尚未被理解。”
哈佛大學與來自中國石油大學（北京）、華盛頓大學及美國地質調查局的研究團隊發現，水力裂縫，也稱為拉伸裂縫，在產生構造震動方面起著重要作用。研究中通過在材料中注入流體并使用慢動作視頻和聲發射來映射裂縫的傳播，模擬了慢地震。實驗觀察到的起停裂縫動力學，“在美國卡斯卡迪亞地區，也可以在巖石露頭的地質記錄中找到水力壓裂的證據，這些巖石露頭位于構造震動的深度處。以前人研究為基礎，我們提出構造震動可能不僅僅是兩個板塊之間的剪切滑動，還可能是由水力裂縫引起的，這些水力裂縫促進了流體輸運和整體剪切滑動”。
袁聰聰的博士論文導師、哈佛地球與行星科學系Marine Denolle說：“我們看到了地表觀測到的構造震動如何成為深部水力裂縫的新證據。作為地球物理學家，我們只是假設構造運動是剪切的，但現在通過實驗表明，水力裂縫與地質記錄一致。這是第一篇全面的實驗室研究流體如何影響構造震動的論文。”
兩篇論文反映了多個研究領域——應用物理、實驗物理及材料科學和地震科學的合作與進步。
中國石油大學（北京）-哈佛大學油氣科學聯合實驗室創建于2016年，2019年成為非常規油氣教育部國際合作聯合實驗室的主體。其科學目標是利用多尺度高分辨光電聲及核磁共振等觀測手段，探索多孔介質結構、流動及動力學等基礎問題，為地下潔凈能源的勘探開發及高效利用提供新理論和新方法。
