地震活动的各阶段，流体均扮演着重要角色。其中震后与间震期，流体及其与岩石间的相互作用会使断层带逐渐愈合，断层强度逐渐恢复。随着断层的愈合，断层带中的流体压力也会随之演化。近年来，野外地质与地球物理观测，以及室内实验研究均证实了震后断层的愈合过程及其与地震周期的联系。主要表现为如下两个相互制约的过程：一是流体作用下溶解-沉淀、压实及水岩反应等物理化学过程使断层逐渐愈合、强度恢复；二是随着裂隙愈合，断层带的渗透性逐渐降低，流体压力随之积累并导致有效压力降低。因此，研究震后流体作用下断层带愈合过程，获取震后断层带压实蠕变性质与孔渗性随时间的演化规律，对判断断层强度恢复，理解断层结构演化，认识地震周期具有重要理论与实际应用意义。另外，富CO2流体渗流实验对CO2地质封存具有一定启示意义。对近年来，为了认识断层带压实蠕变与愈合机理，前人对常见断层组成矿物开展了一系列实验研究。但值得注意的是，已有实验大多是在封闭体系下进行的，很少有开放体系下的实验，限制了人们对震后断裂带长时间流体渗流作用下的压实蠕变与渗透性演化的认识。

针对以上问题，中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室段庆宝副研究员与陈建业研究员，开展了开放体系下方解石断层泥在富含CO2流体渗流条件下的压实蠕变实验研究。实验在研究团队自主研发的岩石渗流愈合实验装置（图1）上开展。实验过程中同步测量样品应力、应变、渗透率-孔隙度等参数，并采集流体样品开展化学成分测试。对实验后样品进行微观结构观察和粒度分析。研究获得如下主要认识：

（1）方解石断层泥在开放体系下表现出显著的压实蠕变，其应变速率比封闭条件下高2到3个数量级。富含CO2流体的持续渗流导致方解石断层内部结构、粒度分布、渗流性质随时间不断演化（图2）。

（2）主导变形机制包括应力腐蚀、压溶及化学溶解等作用。CO2流体渗流初始阶段，变形以应力腐蚀主导，导致显著的颗粒破碎与粒度下降（图3）；随着粒度的演化，压溶作用逐渐起作用成为主导变形机制；最终演化为化学溶解作用为主。

（3）实验结果表明，碳酸盐岩断层带内震后快速上涌的CO2流体可以通过激活应力腐蚀作用导致显著颗粒粒度下降，促进压实蠕变与压溶作用，从而实现断层快速愈合和强度恢复。间震期内，富CO2流体长时间渗流作用会促进断层带内不均匀溶解-沉淀过程，导致在优选的渗流通道内形成溶蚀孔洞的同时，通过流体矿物沉淀和压溶作用促进胶结愈合作用。这一过程导致断裂带内不均匀断层结构与愈合程度的发育与形成（图4）。

图1 自主研制开发的岩石渗流愈合实验装置。（a）流体渗流系统；（b）压力容器；（c）容器压力控制系统；（d）压力容器内部装样结构。设备可用于开展不同成分流体作用下断层/储层岩石压实蠕变与渗流愈合模拟实验。设备最高容器压力15 MPa，对应轴向压力150 MPa，孔隙流体压力2MPa，温度100℃。压力容器内可同时放置9个样品进行实验，满足长时间缓慢愈合实验的需求。实验过程可测量的参数包括应力、应变、温度、渗透率、孔隙度、流体pH值、流体化学成分等。

图2 方解石断层泥压实蠕变渗流实验结果。（a）应变、（b）应变速率、（c）渗透率、（d）孔隙度及（e, f）流体化学成分随实验时间的变化。

图3 实验后样品微观结构图。（a）样品整个切面微观结构；（b）溶解通道内方解石颗粒溶解为锯齿状颗粒边缘；（c）孔隙内聚集沉淀的方解石集合体；

（d）和（e）再沉淀方解石晶体特写；（f）压溶导致的方解石颗粒边界缝合线和压痕；（g）和（h）应力腐蚀作用导致的沿方解石解理面破裂；（i）破裂解理面上的溶解-沉淀作用。

图4 地震周期中碳酸盐岩断层带富CO₂流体渗流作用下断层微观结构与主导变形机制演化示意图。

上述研究成果近期发表在国际地学期刊Journal of Geophysical Research: Solid Earth上。研究受到国家自然科学基金面上（42074221），国家重点研发计划（2021YFC30006）和中国地震局地质研究所基本科研业务专项（IGCEA1914）项目资助。

论文信息：

Duan, Q.B.*, & Chen, J.Y.* (2024). Compaction creep and evolution of transport properties of carbonate fault gouges during the percolation of CO2-rich fluids. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 129, e2024JB029015