汶川地震破裂带流体行为与震后愈合作用研究

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2008年汶川地震发生在青藏高原东南缘,使得龙门山两条断裂:映秀-北川断裂和安县-灌县断裂同时发生破裂,其中很多的科学难题至今没有得到解决,而流体到底在汶川地震前后起着什么样的作用显得尤为关键。简单而言,流体与地震之间的关系可以归纳为震前的触发作用,震时的弱化作用和震后的愈合作用。本论文基于国家科技专项“汶川地震断层科学钻探”项目一号孔(WFSD-1.)两套独立的数据:钻进过程中的随钻流体数据和完井之后长达5年的长期水位观测数据,前者包含氡气、氦气、氩气、甲烷、二氧化碳、氢气、氮气和氧气8中气体,探讨汶川地震断层带与流体有关的问题。由于数据都是震后采集的数据,我们讨论的重点是震后流体的问题,主要集中在以下4个方面:1)随钻流体在整个汶川地震断裂带中的分布情况;2)汶川地震形成的流体通道的分布情况,或者说汶川地震对断裂带的破坏特征;3)汶川地震余震和随钻流体之间的相互关系;4)汶川地震之后断裂带内部发生的愈合过程。WFSD-1作为目前全球范围内对大地震响应最为迅速的断层钻孔,我们获取到的流体数据理论上能够非常好地反映出以上四个方面的问题,其一震后形成的裂隙具有较高的可导性,随钻流体的分布特征能够敏感地反映出震后断层带里各种流体的富集情况,更有可能反映出地震对断层带的破坏情况;其二WFSD-1独特的地理位置使得其记录到的井水位变化具有明显的固体潮特征,这使得应用水位滞后固体潮体应变估算井场周围的水文地质参数成为可能。结果表明流体在WFSD-1整个钻进深度内分布不均一,以同震滑动面589米为界,断层上盘彭灌杂岩含有较高的氦气,氡气和氩气/氮气的比值,而甲烷的含量很低;相反的是下盘须家河组岩层具有较高的甲烷和二氧化碳的含量。这种流体的分布特征与上下两盘的岩性具有一定的关系,火成岩中普遍含有较高的放射性元素含量,而沉积岩层中普遍会含有较多的有机物。更深层次的分析表明,尽管随钻流体的分布在一定程度上跟岩性相关,但跟地震造成的裂隙分布相关性更大。岩性从比较大的尺度上控制各种流体含量的背景值,但更精细的流体含量的变化是受开裂的裂隙控制的,这一点通过对比岩心照片和岩心裂隙密度统计结果得以证实。此外,来次地球物理测井的资料同样证实这一观测结果的正确性,流体入侵的部位不仅经对应有较大的裂隙密度,同样对应有较低的P波速度和电阻率,暗示流体入侵不仅仅发生在张裂隙发育的部位,并且往往是以溶于水的形式发生。随钻流体在WFSD-1中的分布情况反映了汶川地震对上下盘造成了非对称性的破坏。随钻流体和地球物理异常带主要出现在同震滑动面下方近200米钻井深度内,实际宽度为117米,说明汶川地震过程中形成的裂隙主要分布在这一区域,这一特征可能与断层上下盘的力学性质差异以及破裂过程中的应力分布相关。总而言之,这是全球范围内第一例通过随钻流体的方法研究单次大地震对断层带演化的影响,不仅仅给出了其破坏的形式可以是非对称性的,并且给出了确切的破裂范围,这将深化人们对断层带发展演化的理解。汶川地震之后,断裂带内部具有及其高的导水系数和渗透率,震后1.5-6.3年间的平均水力扩散系数高达1.83×10-2m2s-1,渗透率高达10-15m2,这一超高的渗透率值比正常的实验室中获得的断层带渗透率高1-2个数量级,同时也比正常的须家河组砂岩高1个数量级。该水力扩散系数说明汶川地震之后,断层带内部存在比较明显的水循环,反过来推算汶川地震发生之时,流体也应该在断裂带中比较活跃。汶川地震断层带的水文地质参数体现出了明显的愈合过程,在整个观测时间段内导水系数和渗透率呈现出明显的下降的趋势,以数据中部出现的空缺为界限,2010年1月到2011年5月时间段的导水系数均值为2.4×10-2m2s-1,2013年1月到2014年8月为1.48×10-2m2s-1,导水系数在这一时间段内下降近50%,从观测时间段内渗透率的绝对值为标准,渗透率值下降了近一个数量级。然而,这一愈合过程并不均一,能量较大或具有较大地表振幅的近、远震会严重扰动这一过程,通常会致使渗透率短暂性地升高。类似的观测同样出现在我们对随钻流体和汶川地震余震的关系讨论中,具有大应变的余震事件最有可能导致随钻流体出现异常。
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