公海彩船

克日，公海彩船（北京）肖立志教授团队与哈佛大学Weitz实验室的研究职员在《Nature-Physics》和《AGU Advances》上揭晓论文，探索裂纹怎样成核、撒播及终止，多家媒体以及哈佛大学等相助单位对该项效果举行了报道
。

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痕撒播）揭晓在《Nature-Physics》上，公海彩船（北京）油气资源与工程天下重点实验室为第一作者和配合通讯作者单位
。

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

由公海彩船（北京）和美国哈佛大学科学家组成的跨学科研究团队，探索了裂纹最先、撒播及竣事的整个生命周期
。肖立志说，这项阶段性效果，体现了实验物理学家、质料科学家与地球物理学家及地动学家之间的亲近相助，可以增进我们对石油和自然气开采历程及地热能开发、质料科学、地动等一些基础问题的明确
。正在举行的后续研究事情可能爆发更多新的熟悉
。

2016年起，由肖立志和Weitz为相助导师的博士后研究员Thomas Cochard被向导到一个全新领域，最先系统思索水力压裂历程中的物理问题
。Cochard是这两篇论文的作者之一，他说：“我们最先这项研究是为了探索其应用，但我们很如意识到，裂纹的力学和动力学远比我们最初想象的要重大得多
。我们从工程和应用的角度来看待这个问题，最终举行了对断裂的基础研究
。”

展现裂痕扩展

肖立志先容，水平井和水力压裂是两项倾覆性手艺，促成了本世纪初最先的页岩油气革命
。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爆发裂痕的历程，以便天生连通的裂痕网络，从而显著增强地层中流体的可流动性
。这个历程，已经普遍应用于石油和自然气的开采以及地热能开发，也能够在自然界中视察到，例如在岩浆岩脉的形成中
。

由哈佛大学David A. Weitz和肖立志向导的油气科学实验室，最初想要更好地相识水力压裂历程中自然岩石的断裂情形和纪律
。研究团队包括来自公海彩船（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、美国地质视察局及以色列耶路撒冷希伯来大学的科学家
。

为了增添对水力压裂的熟悉，肖立志和Weitz曾多次深入页岩气田考察压裂作业现场
。Weitz说：“在二维情形下，断裂已经被充清楚确，但在三维空间中，现实断裂泛起出一系列重大行为，这些行为虽然获得普遍研究，但在基础层面仍然不为人所知
。”

为了明确三维空间中的断裂，该团队设计了奇异的实验装置和实验流程，在透明质料中造出裂痕，然后注入差别粘度的液体，使用每秒可以捕获100000张图像、空间区分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痕在质料中撒播时的动态历程
。研究发明，裂痕并不像一连波那样在质料中移动，而是走走停停，从起源向外通过一系列高速跳跃撒播
。

Cochard说：“这是一个很是动态的历程
。新裂痕在断裂障碍前沿线的某个地方形成，局部扭曲，导致裂痕以声速在断裂线偏向上扩展，然后液体跟进
。裂痕阻止，夜体渗透，引起断裂前沿应变，新的裂痕再次最先遵照相同的动力学历程
。”种种流体粘度下水力压裂实验的原始图像，每秒捕获100000帧
。内环和外环划分对应于液体及断裂前沿的位置
。通过视频，可以看到裂痕前沿泛起出阻止和前进的颤抖运动
。振幅和时间随流体粘度而转变
。研究发明，这些跳跃之间的振幅和时间取决于液体的粘度
。关于低粘度液体（如水），跳跃之间的时间很短，由于流体险些瞬间就渗透到裂痕中
。关于高粘度液体（如甘油，其粘度类似于蜂蜜），所谓的断裂前沿（裂痕所在的位置）和流体前沿（液体尖端所在的位置）之间的滞后时间会增添，由于高粘度流体需要更长的时间才华渗透到裂痕中并将其扩展
。

该团队同时还开发了数值模子
。团队成员、诺丁汉大学Gabriele Albertini说：“公海彩船数值模子基于相同的断裂理论数学方程和假设，但完全是三维的
。我们发明，模拟能够以定量的方法重现实验数据，而不需要新的拟合参数
。这批注公海彩船发明具有普遍性，适用于在种种情形下爆发的裂痕，而不但仅是流体驱动裂痕的特定情形
。”

破解地动机制

使用相同的实验设置和流程，团队把注重力转向自然地动——事实，地动是由结构板块中的断裂引起的
。团队详细研究了慢滑和结构震惊，也称为慢地动
。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：“慢地动很是主要，由于它们可能会引发大地动，只管与通例地动相比，它们移动得很慢
。以前的研究视察到，流体可以在调理慢滑及结构震惊事务方面施展作用，可是水力裂痕怎样调理流体流动并与剪切裂痕相互作用尚未被明确
。”

哈佛大学与来自公海彩船（北京）、华盛顿大学及美国地质视察局的研究团队发明，水力裂痕，也称为拉伸裂痕，在爆发结构震惊方面起着主要作用
。研究中通过在质料中注入流体并使用慢行动视频和声发射来映射裂痕的撒播，模拟了慢地动
。实验视察到的起停裂痕动力学，“在美国卡斯卡迪亚地区，也可以在岩石露头的地质纪录中找到水力压裂的证据，这些岩石露头位于结构震惊的深度处
。以前人研究为基础，我们提出结构震惊可能不但仅是两个板块之间的剪切滑动，还可能是由水力裂痕引起的，这些水力裂痕增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：“我们看到了地表视察到的结构震惊怎样成为深部水力裂痕的新证据
。作为地球物理学家，我们只是假设结构运动是剪切的，但现在通过实验批注，水力裂痕与地质纪录一致
。这是第一篇周全的实验室研究流体怎样影响结构震惊的论文
。”

两篇论文反应了多个研究领域——应用物理、实验物理及质料科学和地动科学的相助与前进
。

公海彩船（北京）-哈佛大学油气科学团结实验室建设于2016年，2019年成为非通例油气教育部国际相助团结实验室的主体
。其科学目的是使用多标准高区分光电声及核磁共振等视察手段，探索多孔介质结构、流动及动力学等基础问题，为地下清洁能源的勘探开发及高效使用提供新理论和新要领
。