陳建業(yè)

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所， 北京100029)

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汶川地震斷層帶傳輸性質(zhì)研究
——對(duì)地震同震弱化作用的啟示

陳建業(yè)

(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所， 北京100029)

斷層帶的流體壓力因關(guān)系著地震斷層滑動(dòng)強(qiáng)度以及應(yīng)力釋放過程一直倍受重視。 斷層帶滲透率結(jié)構(gòu)對(duì)于了解斷層帶內(nèi)流體活動(dòng)狀況、 斷層強(qiáng)度和摩擦穩(wěn)定性以及同震熱壓作用等至關(guān)重要。 本文全面總結(jié)了斷層帶的滲透性， 尤其是大的地震斷層帶滲透性的研究成果。 為了開展斷層巖傳輸性質(zhì)的測(cè)量工作， 開發(fā)了超低滲巖石滲流測(cè)量系統(tǒng)。 以汶川地震發(fā)震斷層映秀—北川斷層帶上兩個(gè)典型露頭剖面為對(duì)象， 分析了斷層帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 對(duì)斷層巖進(jìn)行了成分、 粒度分析。 利用新開發(fā)的超低滲透率儀對(duì)斷層巖開展了滲透率-孔隙度-比儲(chǔ)流率的聯(lián)合測(cè)量。 基于測(cè)量結(jié)果對(duì)汶川地震的同震熱壓過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。 研究取得了如下成果：

詳細(xì)介紹了超低滲透率測(cè)量?jī)x器的測(cè)量原理、 基本構(gòu)造及性能。 引入了振蕩孔隙壓力法， 其滲透率測(cè)量下限可達(dá)10-22m2量級(jí)。 使用特殊設(shè)計(jì)的微體積計(jì)， 首次實(shí)現(xiàn)了液體條件下絕對(duì)孔隙度的測(cè)量。 給出滲透率-孔隙度-比儲(chǔ)流率聯(lián)測(cè)的實(shí)驗(yàn)流程及典型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

斷層巖的粒度分布包含著巖石破裂機(jī)制、 摩擦性質(zhì)和地震能量分配等重要信息。 采用篩分-稱重和激光測(cè)量?jī)煞N方法對(duì)汶川地震斷層滑動(dòng)帶上的斷層巖(簡(jiǎn)稱斷層巖)進(jìn)行了粒度分析， 粒徑測(cè)量范圍從0.2 μm延展到16 mm， 跨度達(dá)到5個(gè)數(shù)量級(jí)。 粒徑測(cè)量結(jié)果顯示： ①在臨界粒徑dc(0.95～1.90 μm)， 粒度大于和小于dc的顆粒滿足不同的顆粒數(shù)(Nd)～粒徑(d)分布關(guān)系， 表明該斷層巖的粒徑分布不具有自相似性特征。 ②利用粒度大于dc的顆粒計(jì)算出的分形維與斷層巖類型有很好的相關(guān)性， 即斷層帶邊緣的角礫巖的平均分形維為2.6， 核部壓碎角礫巖的平均分形維約為3.0， 中心斷層泥的分形維約為3.5。 粒徑小于dc的顆粒的分形維介于1.7～2.1之間。 分形維的突變反映出斷層破裂機(jī)制的復(fù)雜性， 即在不同的粒度域， 巖石的破裂機(jī)制不盡相同。 ③依據(jù)粒度分析結(jié)果， 估算出汶川地震斷層泥的單位破裂能(Es)為0.63 MJ/m2。

采用N2作為孔隙介質(zhì)， 對(duì)汶川地震斷層帶典型的露頭剖面進(jìn)行了跨斷層不同斷層巖樣品的滲透率測(cè)量。 結(jié)果顯示， 汶川地震斷層由低滲的核部(2.4×10-19～3.8×10-16m2)、 高滲的破碎帶(3.7×10-16～3.0×10-15m2)以及含裂隙原巖(6.0×10-18～4.3×10-13m2)組成(有效壓力 40 MPa)， 其中新鮮斷層泥具有最低的滲透率。 斷層泥和兩側(cè)原巖由于滲透率低， 阻礙流體跨斷層帶流通， 斷層帶內(nèi)的流體活動(dòng)局限在高滲的破碎帶中， 這一結(jié)果與斷層巖顯微結(jié)構(gòu)和粒度分布特征能很好的吻合。 對(duì)汶川地震同震熱壓作用發(fā)生的條件進(jìn)行了簡(jiǎn)單探討， 結(jié)果顯示， 約2 km以下汶川地震主滑動(dòng)帶具有發(fā)生熱壓作用所要求的低滲透率特征。

為了定量研究汶川地震的動(dòng)態(tài)滑動(dòng)弱化過程， 對(duì)平溪剖面的斷層樣品開展了干、 濕條件下的高速摩擦實(shí)驗(yàn)。 樣品在含水條件下表現(xiàn)為比干燥樣品更為快速的弱化和更低的穩(wěn)態(tài)摩擦強(qiáng)度， 指示了熱壓過程的發(fā)生。 利用新開發(fā)的超低滲透率儀測(cè)量了斷層巖在圍壓加-卸載周期中的滲透率、 孔隙度和比儲(chǔ)流率的變化。 結(jié)果表明： 斷層帶由低滲的斷層泥(有效應(yīng)力165 MPa下為2.6×10-20m2)和高滲的破碎帶組成。 在對(duì)斷層泥樣品進(jìn)行圍壓加載的過程中， 觀測(cè)到了強(qiáng)的孔隙壓超壓現(xiàn)象。 類比分析揭示了地震過程中孔隙壓超壓的重要性。 基于所測(cè)的物性參數(shù)對(duì)汶川地震的同震熱壓過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。 其結(jié)果顯示熱壓作用及相關(guān)化學(xué)反應(yīng)， 如蒙脫石脫水， 對(duì)汶川地震的地震破裂過程起到了促進(jìn)作用。 這與研究點(diǎn)附近觀測(cè)到大的同震位錯(cuò)及滑動(dòng)加速現(xiàn)象一致。 對(duì)比分析顯示： “高速弱化”對(duì)小地震的弱化起主導(dǎo)作用。 對(duì)于大地震， 如果斷層泥的滲透率不是異常高， “熱壓弱化”將同樣重要。 對(duì)于汶川地震而言， 其滑動(dòng)弱化歸功于兩者。

關(guān)鍵詞汶川地震； 斷層滲透性； 熱壓作用； 孔隙壓超壓； 振蕩孔隙壓法； 分形維； 破裂能； 動(dòng)態(tài)滑動(dòng)弱化機(jī)制

(作者電子信箱， 陳建業(yè)： jychen@ies.ac.cn)

中圖分類號(hào)：P315.2；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.05.014