手机屏碎了和水力压裂有关系？中石大和哈佛大学研究团队揭秘裂纹成核、传播及终止机理

这样“心碎”的经历

你很可能几乎经历过不止一次——

你的手机掉在坚硬的地面上

然后便听到那个熟悉的咔嚓声——

屏幕裂了

在心疼懊恼的那一刻

你是否曾经想过

为什么手机屏幕会以这种方式破裂？

为什么有些断层线会横跨整个屏幕，

而其他断层线却只有几毫米长？

近日，中国石油大学（北京）肖立志教授团队与哈佛大学Weitz实验室的研究人员在《Nature-Physics》和《AGU Advances》上发表论文，探索裂纹如何成核、传播及终止，多家媒体以及哈佛大学等合作单位对该项成果进行了报道。

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Propagation of extended fractures by local nucleation and rapid transverse expansion of crack-front distortion（基于裂纹前端变形的局部成核和快速横向扩展及延伸裂缝传播）发表在《Nature-Physics》上，中国石油大学（北京）油气资源与工程全国重点实验室为第一作者和共同通讯作者单位。

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Laboratory Hydrofractures as Analogs to Tectonic Tremors（实验室水力压裂模拟地质构造震颤）发表在《AGU Advances》上，作者包括Congcong Yuan、Thomas Cochard、Marine Denolle、Joan Gomberg、Aaron Wech、Lizhi Xiao和David Weitz。

由中国石油大学（北京）和美国哈佛大学科学家组成的跨学科研究团队，探索了裂纹开始、传播及结束的整个生命周期。肖立志说，这项阶段性结果，体现了实验物理学家、材料科学家与地球物理学家及地震学家之间的密切合作，可以增进我们对石油和天然气开采过程及地热能开发、材料科学、地震等一些基础问题的理解。正在进行的后续研究工作可能产生更多新的认识。

2016年起，由肖立志和Weitz为合作导师的博士后研究员Thomas Cochard被带领到一个全新领域，开始系统思考水力压裂过程中的物理问题。Cochard是这两篇论文的作者之一，他说：“我们开始这项研究是为了探索其应用，但我们很快意识到，裂纹的力学和动力学远比我们最初想象的要复杂得多。我们从工程和应用的角度来看待这个问题，最终进行了对断裂的基础研究。”

揭示裂缝扩展

肖立志介绍，水平井和水力压裂是两项颠覆性技术，促成了本世纪初开始的页岩油气革命。水力压裂，简称压裂，是通过将加压流体注入到地下从而在岩石中产生裂缝的过程，以便生成连通的裂缝网络，从而显著增强地层中流体的可流动性。这个过程，已经广泛应用于石油和天然气的开采以及地热能开发，也能够在自然界中观察到，例如在岩浆岩脉的形成中。

扩展裂缝的实验系统和特性

由哈佛大学David A. Weitz和肖立志领导的油气科学实验室，最初想要更好地了解水力压裂过程中天然岩石的断裂情况和规律。研究团队包括来自中国石油大学（北京）、英国诺丁汉大学、美国哈佛大学、塔夫茨大学、华盛顿大学、美国地质调查局及以色列耶路撒冷希伯来大学的科学家。

单个成核事件的扩展断裂扩展细节

为了增加对水力压裂的认识，肖立志和Weitz曾多次深入页岩气田考察压裂作业现场。Weitz说：“在二维情况下，断裂已经被充分理解，但在三维空间中，实际断裂呈现出一系列复杂行为，这些行为虽然得到广泛研究，但在基础层面仍然不为人所知。”

为了理解三维空间中的断裂，该团队设计了独特的实验装置和实验流程，在透明材料中造出裂缝，然后注入不同粘度的液体，使用每秒可以捕获100000张图像、空间分辨率为数微米的高速相机，通过先进的声发射传感器，能够可视化并听到裂缝在材料中传播时的动态过程。研究发现，裂缝并不像连续波那样在材料中移动，而是走走停停，从起源向外通过一系列高速跳跃传播。

横向速度

Cochard说：“这是一个非常动态的过程。新裂缝在断裂停滞前沿线的某个地方形成，局部扭曲，导致裂缝以声速在断裂线方向上扩展，然后液体跟进。裂缝停止，夜体渗透，引起断裂前沿应变，新的裂缝再次开始遵循相同的动力学过程。”各种流体粘度下水力压裂实验的原始图像，每秒捕获100000帧。内环和外环分别对应于液体及断裂前沿的位置。通过视频，可以看到裂缝前沿呈现出停止和前进的抖动运动。振幅和时间随流体粘度而变化。研究发现，这些跳跃之间的振幅和时间取决于液体的粘度。对于低粘度液体（如水），跳跃之间的时间很短，因为流体几乎瞬间就渗透到裂缝中。对于高粘度液体（如甘油，其粘度类似于蜂蜜），所谓的断裂前沿（裂缝所在的位置）和流体前沿（液体尖端所在的位置）之间的滞后时间会增加，因为高粘度流体需要更长的时间才能渗透到裂缝中并将其扩展。

破裂事件的局部成核和横向传播微分图像

该团队同时还开发了数值模型。团队成员、诺丁汉大学Gabriele Albertini说：“我们的数值模型基于相同的断裂理论数学方程和假设，但完全是三维的。我们发现，模拟能够以定量的方式重现实验数据，而不需要新的拟合参数。这表明我们的发现具有普遍性，适用于在各种情况下产生的裂缝，而不仅仅是流体驱动裂缝的特定情况。”

破解地震机制

使用相同的实验设置和流程，团队把注意力转向天然地震——毕竟，地震是由构造板块中的断裂引起的。团队具体研究了慢滑和构造震动，也称为慢地震。团队成员、哈佛地球与行星科学系博士生、AGU Advances论文的第一作者袁聪聪说：“慢地震非常重要，因为它们可能会引发大地震，尽管与常规地震相比，它们移动得很慢。以前的研究观察到，流体可以在调节慢滑及构造震动事件方面发挥作用，但是水力裂缝如何调节流体流动并与剪切裂缝相互作用尚未被理解。” 

哈佛大学与来自中国石油大学（北京）、华盛顿大学及美国地质调查局的研究团队发现，水力裂缝，也称为拉伸裂缝，在产生构造震动方面起着重要作用。研究中通过在材料中注入流体并使用慢动作视频和声发射来映射裂缝的传播，模拟了慢地震。实验观察到的起停裂缝动力学，“在美国卡斯卡迪亚地区，也可以在岩石露头的地质记录中找到水力压裂的证据，这些岩石露头位于构造震动的深度处。以前人研究为基础，我们提出构造震动可能不仅仅是两个板块之间的剪切滑动，还可能是由水力裂缝引起的，这些水力裂缝促进了流体输运和整体剪切滑动”。

袁聪聪的博士论文导师、哈佛地球与行星科学系Marine Denolle说：“我们看到了地表观测到的构造震动如何成为深部水力裂缝的新证据。作为地球物理学家，我们只是假设构造运动是剪切的，但现在通过实验表明，水力裂缝与地质记录一致。这是第一篇全面的实验室研究流体如何影响构造震动的论文。”

两篇论文反映了多个研究领域——应用物理、实验物理及材料科学和地震科学的合作与进步。

中国石油大学（北京）-哈佛大学油气科学联合实验室创建于2016年，2019年成为非常规油气教育部国际合作联合实验室的主体。其科学目标是利用多尺度高分辨光电声及核磁共振等观测手段，探索多孔介质结构、流动及动力学等基础问题，为地下洁净能源的勘探开发及高效利用提供新理论和新方法。

来源：科学技术处

编辑：罗子怡

责任编辑：华南

审核：李丽平 刘志庆

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