（上接第一版）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，是将加压流体注入地下从而在岩石中产生裂缝，以便生成连通的裂缝网络，显著增强地层中流体的可流动性，已被广泛应用于石油和天然气的开采以及地热能开发。
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。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，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，使用每秒可以捕获十万张图像、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。
团队还开发了数值模型。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。”
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方面发挥作用，但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、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。
文/本报特约记者