中国煤科集团高富强团队揭示应力与吸附竞争控制岩石弹性变形机制
近日，
中国煤炭科工集团
煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室高富强研究员团队在国际地学权威期刊Geophysical Research Letters上发表研究论文“Interplay of Loading and Adsorption Controls Elastic Deformation of Clastic and Crystalline Rocks应力与吸附竞争控制脆性岩石弹性变形”，论文第一作者为吴锐副研究员，通讯作者为高富强研究员。
在自然界中，岩石从地表到深部环境中持续受到构造应力与水汽含量的共同作用。长期以来，科研界已认识到单一的应力加载会使岩石“变硬”，而水汽升高会使岩石“变软”。然而，当应力与水汽同时存在时，它们之间如何相互影响、何者主导却一直是一个科学难题。
针对这一问题，高富强研究团队自主搭建了LabCreep长时应力–湿度耦合实验系统，实现了在可控应力与湿度环境下对岩石弹性变化的长期连续监测（图1）。实验结果表明，随着空气湿度升高，岩石在压缩下表现出明显“变软”：轴向更易压缩、径向更易膨胀，整体刚度下降。然而在高应力阶段，曲线斜率（即杨氏模量）趋于稳定，表明此时湿度的软化效应被显著抑制。
图1 湿度作用下的宏观应力–应变变化
显微尺度分析表明（图2），岩石矿物颗粒之间的接触点在水分侵入后会形成液体薄膜和毛细凝结，从而降低接触刚度；同时，在纳米孔隙中，水汽分子附着在孔壁上并产生拉普拉斯压力，使得接触刚度进一步减弱。随着外部载荷逐渐增大，颗粒间的接触区域被压实，吸附和毛细作用的影响被显著削弱。这一微观接触模型不仅合理解释了实验现象，也为自然界中岩石“受潮变软”的规律提供了坚实的理论支撑。
图2 微观接触模型：从颗粒接触到孔隙吸附的作用机制
在建立微观接触模型后研究团队发现在低应力阶段，湿度升高可使岩石弹性下降 60% 以上；随着应力增加，这种软化效应逐渐被抑制，并在高应力区间趋于稳定（图3）。模型预测与实验结果高度吻合，揭示了岩石弹性由“湿度主导”向“应力主导”转变的全过程，为理解地下岩体在不同深度环境下的力学行为提供了定量依据。
图3 模型预测的弹性变化与实验结果高度吻合
科学意义：该研究突破了传统Biot多孔弹性理论适用于“应力–流体压力”耦合的局限，首次将空气湿度条件下的吸附作用纳入岩石力学分析框架，建立了“应力–湿度”双场耦合的实验与理论体系，揭示了水汽吸附与地应力在岩石弹性变形上的竞争机制。研究成果为非饱和介质的力学建模和地下工程安全设计提供了理论支撑，对能源开发、地质灾害防控及地球环境演化研究具有重要的科学与应用价值。
本研究得到青年科学基金项目（A类）（原国家杰出青年科学基金项目，52325403）资助。
论文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025GL117126