王建丰等-IJCG：原子力显微镜和纳米压痕的结合有助于页岩中有机质的原位力学性质表征

    页岩中有机质力学性能的精确测定对于页岩储层力学性能的预测和表征具有重要意义。由于有机质颗粒在页岩中一般以微米级且呈分散状分布，准确评估其实际力学响应具有一定的挑战性。

    近日，中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室博士后王建丰在熊永强研究员和彭平安研究员的指导下，与挪威奥斯陆大学François Renard教授合作，选取四川盆地五峰组-龙马溪组的页岩样品，提出了一种基于原子力显微镜（AFM）与光学显微镜结合的方法，用于定位页岩中的有机质，并通过AFM来可视化和量化其杨氏模量（图1和图2）。通过对比分析原子力显微镜（AFM）与传统纳米压痕技术在测定页岩中有机质力学性能方面的优劣（图1），表明原位纳米压痕和原位AFM测试相结合能更准确地表征页岩中有机质的力学性能。相同热成熟度下，页岩中笔石的杨氏模量和硬度略大于页岩中固体沥青的力学参数值。原位AFM和原位纳米压痕的结果均表明，随着成熟度的增加，有机质的力学参数也随之增加（图3）。总体而言，两种技术相结合的方法在页岩有机质力学性质的精确表征显示出巨大的潜力。

    上述实验提出了精确表征页岩中有机质力学性质的方法，对于促进准确建立相应岩石力学模型，预测页岩的宏观力学行为具有重要的实际意义。

    研究成果近期发表在地学国际地学期刊《International Journal of Coal Geology》。研究得到了中国科学院战略性先导科技专项A类（XDA14010102）的资助。

    论文信息：Jianfeng Wang（王建丰）; Dziadkowiec Joanna*; Yuke Liu（柳宇柯）; Wenmin Jiang（蒋文敏）; Yijun Zheng（郑益军）; Yongqiang Xiong（熊永强）*; Ping’an Peng（彭平安）and François 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.

图1 纳米压痕和原子力显微镜测试有机质的实际曲线及其示意图

图2（a）AFM获取的有机质光学显微镜图像，（b）~100×100 μm²和（c）10×10 μm²扫描区域粗糙度（R_a）的相应变化；（d）对应的杨氏模量的图像；（e）对应的粘附力图像。

图3 有机质杨氏模量与成熟度（R_o）的关系图。（a）原位纳米压痕测试的结果；（b）AFM方法测试的结果。