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（孔隙）及裂隙图像识别与分析系统（PCAS），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（如图），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。



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

该研究得到国家自然科学基金重点项目（41230636）和青年项目（41302216），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）