www.469net,图:采用改进的离散元法模拟了砂岩不同形态压密带的形成

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高孔隙度砂岩中的压密破坏带阻碍地下水和油气等流体的运移,其形成机制一直是国际岩石力学领域研究的一个热点。地球科学与工程学院施斌教授团队刘春副教授,近5年来与美国斯坦福大学地质与环境科学系David
D.
Pollard教授合作,结合该团队在微观结构分析和微观力学方面的研究成果,解译了不同形态压密带的形成机制,本月在Nature
Index期刊JGR-Solid Earth上连续发表两篇论文:“Mechanism of formation of
wiggly compaction bands in porous sandstone: 1. Observations and
conceptual model”和“2. Numerical simulation using discrete element
method”。刘春副教授为第一作者和通讯作者。

两篇论文主要基于该团队自主研发的两个软件系统,即颗粒及裂隙图像识别与分析系统,以及三维离散元数值模拟软件MatDEM。第一篇论文采用PCAS软件定量地分析了不同形态的压密带原岩孔隙和颗粒系统结构,发现当压密带由V型向波浪型和平直型转变时,其原岩的孔隙度和分选等级呈增加的趋势。据此推断砂岩孔隙度和分选等级的增加引起岩石力学性质的变化,使得砂岩破坏角增加,并形成不同形态的压密带。第二篇论文采用改进的离散元工程数值法和MatDEM软件(Liu
et al., JGR,
2013)来模拟砂岩的破坏过程。模拟结果表明:砂岩模型破坏角,压密带形态与砂岩的屈服包络面形状紧密相关,并受砂岩的屈服应力、抗压强度等因素影响。两篇论文结果相互印证,揭示了砂岩压密带的形态受砂岩的微观结构和力学性质作用。该成果将进一步应用于地面沉降、页岩气水力压裂和滑坡演化等的定量分析和数值模拟研究。

该研究得到国家自然科学基金重点项目和青年项目,中央高校基本科研业务费(020614380014)资金资助。

(地球科学与工程学院 科学技术处)

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