段慶寶 楊曉松 陳建業(yè)

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

斷層帶被認(rèn)為是深部流體的主要通道和流體活動(dòng)最強(qiáng)的區(qū)段之一。近年來(lái)，地震斷層帶中流體活動(dòng)及其效應(yīng)倍受關(guān)注，其最主要原因是地震斷層流體活動(dòng)與地震的孕育和發(fā)生似乎存在某種關(guān)聯(lián)，流體被認(rèn)為是理解地震成核、發(fā)生和斷層擴(kuò)展等過(guò)程的重要因素。利用地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室新研制的超低滲透率測(cè)量?jī)x對(duì)汶川地震斷層帶的滲透性進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)使用孔隙壓力振蕩法，在20～200 MPa圍壓，13～15 MPa孔隙壓條件下進(jìn)行，孔隙介質(zhì)為蒸餾水，儀器滲透率測(cè)量下限為10-22m2。實(shí)驗(yàn)樣品采自映秀－北川斷裂帶在趙家溝和平溪村出露的兩個(gè)地表剖面。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著有效壓力升高，滲透率下降，其下降幅度可達(dá)2～4個(gè)數(shù)量級(jí)（圖）。相比而言，斷層泥的滲透率隨壓力增高而下降的幅度較大，而圍巖下降幅度最小。在165 Mpa有效壓力下斷層泥和圍巖的滲透率極低，介于7.0×10-20～7.3×10-22m2之時(shí)，角礫巖帶的滲透率則高出2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，介于5.7×10-17～2.3×10-19m2之時(shí)。對(duì)比加載和卸載圍壓過(guò)程中的滲透率發(fā)現(xiàn)，角礫巖及圍巖滲透率差別較小，而斷層泥的差別較大，即斷層泥的滲透率在卸載過(guò)程中很難恢復(fù)。研究表明滲透率κ隨有效壓力Pe變化符擬指數(shù)關(guān)系：κ=κ0exp(-γPe)，其中γ(MPa-1)為壓力敏感系數(shù)，Pe為有效壓力。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擬擬，γ值在0.01～0.05 MPa-1范圍內(nèi)變化。進(jìn)一步考察不同有效壓力區(qū)段（5～40 MPa和85～165 MPa）的γ值，其值分別介于0.03～0.08 MPa-1和0.01～0.03 MPa-1。另外，角礫巖及圍巖的γ值較小，介于0.01～0.02 MPa-1；斷層泥γ值較大，介于0.02～0.05 MPa-1。由于斷層泥是以基質(zhì)支撐為主，故在圍壓增高初期，基質(zhì)的壓實(shí)作用相對(duì)明顯；而角礫巖具有顆粒支撐結(jié)構(gòu)，在圍壓增高時(shí)對(duì)流體通道起到一定的保護(hù)作用，故隨圍壓升高，滲透率下降相對(duì)緩慢。

同震熱壓作用對(duì)地震斷層的快速擴(kuò)展可能有重要意義。地震過(guò)程中斷層摩擦生熱并導(dǎo)致礦物脫水和低滲透性是積累高壓流體的物質(zhì)和物理?xiàng)l件。對(duì)斷層泥礦物成分的XRD分析表明，汶川地震斷層滑動(dòng)帶存在明顯的同震伊利石化現(xiàn)象，暗示存在同震礦物脫水過(guò)程。依據(jù)汶川地震斷層巖的熱擴(kuò)散系數(shù)和汶川地震持續(xù)時(shí)時(shí)參數(shù)，探討了汶川地震發(fā)生時(shí)能否形成同震熱壓作用的滲透率條件。計(jì)算表明，汶川地震斷層帶內(nèi)形成高壓流體要求滲透率上限為1.6×10-19m2。因此，在大于4.5 km深度之下，汶川地震具備形成同震熱壓作用的條件。

圖1 滲透率測(cè)量結(jié)果