美国科学促进会(AAAS)媒体报道我院马晓冬教授课题组最新地壳应力研究成果 - 地壳岩体中的裂隙导水性能够揭示地壳岩体摩擦强度与应力状态

近期，由中国岩石力学与工程学会主办、KeAi集团出版的期刊《Rock Mechanics Bulletin》，以封面文章形式，发表了地球和空间科学学院马晓冬教授课题组与美国工程院院士、斯坦福大学Mark Zoback教授合作的最新研究成果“Determination of the crustal friction and state of stress in deep boreholes using hydrologic indicators”，全文链接：https://doi.org/10.1016/j.rockmb.2022.100024

文章上线后，美国科学促进会(AAAS)主办的全球科学新闻发布平台“EurekAlert!”以“Earth’s crustal stress can be inferred from fluid flow of fractures in deep boreholes”为题，对该项成果进行了报道。随后，Phys.org等多家科学新闻媒体予以转载。

EurekAlert!报道链接：https://www.eurekalert.org/news-releases/983434

地壳尺度岩体摩擦强度和应力状态是控制地震等地质过程的两个重要因素。然而，由于地壳岩体结构具有高度隐蔽性与复杂性，目前在地壳岩体内部直接测量这两个物理量仍十分困难。针对地壳岩体摩擦强度，目前室内岩石摩擦实验的经验结果(摩擦系数μ≈0.6)广泛用于预测岩体强度、地应力大小和断层稳定性等方面，但由于室内实验与现场原位存在巨大尺度差异，该经验结果在地壳尺度上的适用性尚未得到合理验证与解释。另一方面，传统地应力测量手段(如，水压致裂法、应力解除法)存在实施条件严苛、有效数据少且离散等局限性。受深地高温高压的复杂环境限制，目前世界范围内地应力原位测量仍局限在3 km的深度范围内。因此，寻找一种能够便捷、准确测量地壳深部岩体摩擦强度和应力状态的方法具有重要的科学和工程意义。

图1 地壳岩体裂隙导水性和应力临界性二元分类结果: a 裂隙剪应力和正应力；b 裂隙应力临界性。其中，黑色虚线为二元分类的最优决策边界，黑色点线为室内岩石摩擦实验的经验结果(摩擦系数μ≈ 0.6)。

大量现场观测表明，脆性上地壳中处于剪切滑移应力临界状态的裂隙（或断层）通常具有显著导水性，而非临界裂隙则大多不具备导水性。裂隙剪切滑移能够维持其水力开度，保持其导水性；导水性测量能够识别地质年代较近的（geologically-recent）裂隙剪切滑移，并表征应力场信息。基于此认识，论文作者提出了用裂隙导水性表征其剪切应力临界性，用以解决地壳中裂隙应力临界性无法直接测量的难题。研究人员采用二元逻辑回归方法，对裂隙应力临界性与导水性进行相关性分析，通过最大化似然概率得到裂隙导水性二元分类的最优决策边界。将此方法应用于美国Cajon Pass、Long Valley、Nevada Test Site及德国KTB等四口经典的科学钻井数据发现，所有四个案例都具有接近岩石摩擦系数经验值(μ ≈0.6)的最优决策边界，证实了实验室岩石摩擦实验结果在公里尺度地壳岩体中的适用性（图1）。利用这种新思路，研究人员进一步结合网格搜索算法，通过使裂隙导水性的二元分类获得最优解，成功获得了公里尺度地壳的应力状态（三向主应力方向与主应力比值），与现场原位独立测量结果高度吻合（图2）。该方法仅需常规钻孔成像测井和温度测井数据，通过高效的网格搜索算法，实现经济、准确地获取地壳深部岩体摩擦强度和应力状态，为深部地壳应力与裂隙岩体力学性质观测建立了新范式。

图2 应力参数反演过程及结果：a-d 欧拉角和应力比，红色虚线为应力独立测量结果；e 主应力方向反演过程下半球投影，黑色符号为应力独立测量结果。在本研究中，应力方向以欧拉角表示，应力相对大小以应力比表示，符号颜色表示二元分类的最大似然概率。

本论文的第一作者为中国科学技术大学张诗淮特任副研究员，通讯作者为中国科学技术大学马晓冬教授，合作者为美国工程院院士、斯坦福大学Mark Zoback教授。

马晓冬教授团队主要研究方向为地壳应力，深地工程与可持续发展，诱发地震和实验岩石物理。研究方法基于跨学科、多尺度的地质力学理论体系，综合现场与室内观测、理论模型和数据分析。相关研究工作包括从地壳三维应力场、岩体流变性质、孔隙压力和岩体结构面/断层等方面揭示地应力与岩体性质的相互关系，用以解释基础地质力学现象和解决相关重大工程问题(如地下工程、非常规油气储层地质力学，深层地热能源，诱发地震等)。