頁巖中有機(jī)質(zhì)力學(xué)性能的精確測定對于頁巖儲層力學(xué)性能的預(yù)測和表征具有重要意義。由于有機(jī)質(zhì)顆粒在頁巖中一般以微米級且呈分散狀分布，準(zhǔn)確評估其實(shí)際力學(xué)響應(yīng)具有一定的挑戰(zhàn)性。

近日，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后王建豐在熊永強(qiáng)研究員和彭平安研究員的指導(dǎo)下，與挪威奧斯陸大學(xué)Fran?ois Renard教授合作，選取四川盆地五峰組-龍馬溪組的頁巖樣品，提出了一種基于原子力顯微鏡（AFM）與光學(xué)顯微鏡結(jié)合的方法，用于定位頁巖中的有機(jī)質(zhì)，并通過AFM來可視化和量化其楊氏模量（圖1和圖2）。通過對比分析原子力顯微鏡（AFM）與傳統(tǒng)納米壓痕技術(shù)在測定頁巖中有機(jī)質(zhì)力學(xué)性能方面的優(yōu)劣（圖1），表明原位納米壓痕和原位AFM測試相結(jié)合能更準(zhǔn)確地表征頁巖中有機(jī)質(zhì)的力學(xué)性能。相同熱成熟度下，頁巖中筆石的楊氏模量和硬度略大于頁巖中固體瀝青的力學(xué)參數(shù)值。原位AFM和原位納米壓痕的結(jié)果均表明，隨著成熟度的增加，有機(jī)質(zhì)的力學(xué)參數(shù)也隨之增加（圖3）。總體而言，兩種技術(shù)相結(jié)合的方法在頁巖有機(jī)質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的精確表征顯示出巨大的潛力。

上述實(shí)驗(yàn)提出了精確表征頁巖中有機(jī)質(zhì)力學(xué)性質(zhì)的方法，對于促進(jìn)準(zhǔn)確建立相應(yīng)巖石力學(xué)模型，預(yù)測頁巖的宏觀力學(xué)行為具有重要的實(shí)際意義。

研究成果近期發(fā)表在地學(xué)國際地學(xué)期刊《International Journal of Coal Geology》。研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)A類（XDA14010102）的資助。

論文信息：Jianfeng Wang（王建豐）;Dziadkowiec Joanna*;Yuke Liu（柳宇柯）;Wenmin Jiang（蔣文敏）;Yijun Zheng（鄭益軍）;Yongqiang Xiong（熊永強(qiáng)）*;Ping’an Peng（彭平安）and Fran?ois Renard. Combining atomic force microscopy and nanoindentation helps characterizing in-situ mechanical properties of organic matter in shale. International Journal of Coal Geology. 281,104406.

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.coal.2023.104406

圖1 納米壓痕和原子力顯微鏡測試有機(jī)質(zhì)的實(shí)際曲線及其示意圖

圖2（a）AFM獲取的有機(jī)質(zhì)光學(xué)顯微鏡圖像，（b）~100×100 μm²和（c）10×10 μm²掃描區(qū)域粗糙度（R_a）的相應(yīng)變化；（d）對應(yīng)的楊氏模量的圖像；（e）對應(yīng)的粘附力圖像。

圖3 有機(jī)質(zhì)楊氏模量與成熟度（Ro）的關(guān)系圖。（a）原位納米壓痕測試的結(jié)果；（b）AFM方法測試的結(jié)果。