金田龍，王 勤

(南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引 言

活動(dòng)斷裂帶巖石的變形機(jī)制、力學(xué)性質(zhì)和顯微結(jié)構(gòu)演化是認(rèn)識(shí)孕震機(jī)制和斷層活動(dòng)性的重要基礎(chǔ)，一直是巖石物理學(xué)和地震學(xué)的研究熱點(diǎn)(Beeler et al.，1996；Kitajima et al.，2010；周永勝等，2014；馬瑾等，2016；Dang et al.，2017)。作為太平洋板塊與北美板塊的邊界，北西走向的圣·安德列斯轉(zhuǎn)換斷層貫穿美國(guó)西海岸的加利福尼亞，長(zhǎng)達(dá) 1 287 km，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地震活動(dòng)頻繁。圣·安德列斯斷層經(jīng)過(guò)加利福尼亞很多城市，地震危險(xiǎn)性巨大，例如：1906年4月18日的7.9級(jí)舊金山大地震導(dǎo)致3 000多人死亡、30多萬(wàn)人無(wú)家可歸，1966年、2004年又發(fā)生了 6.0級(jí)帕克菲爾德地震。因此，1991年成立了南加州地震中心(Southern California Earthquake Center，SCEC)，以美國(guó)南加州作為活動(dòng)斷裂帶的天然試驗(yàn)場(chǎng)，系統(tǒng)研究地震的形成機(jī)制、發(fā)震過(guò)程及震后的次生災(zāi)害和社會(huì)影響，為防震減災(zāi)和震后重建提供科學(xué)依據(jù)。

斷層的摩擦行為是研究活動(dòng)斷裂帶強(qiáng)度、地震破裂的成核及傳播過(guò)程的基礎(chǔ)。觀察成熟的殼內(nèi)斷層發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)蝹€(gè)滑移事件主要發(fā)生在厚度小于1～5 mm的剪切帶中，強(qiáng)烈的剪切作用集中于100～300 μm厚度內(nèi)。這意味著當(dāng)滑移發(fā)生時(shí)，除非存在某種機(jī)制使斷層強(qiáng)度突然降低，否則剪切帶溫度的迅速升高將導(dǎo)致巖石熔融。雖然在計(jì)算巖石圈流變結(jié)構(gòu)時(shí)，廣泛使用的Byerlee′s law假定上地殼巖石的摩擦系數(shù)是0.6(Kohlstedt et al.，1995)，但摩擦生熱導(dǎo)致的假玄武玻璃非常少見(jiàn)，表明地震發(fā)生時(shí)斷層的摩擦系數(shù)不可能保持恒定，至少不可能保持為0.6或更高。板塊邊界斷層的強(qiáng)度非常低，滑動(dòng)速率較高，因此，板塊邊界斷層的摩擦行為、斷層巖的顯微結(jié)構(gòu)、斷層帶的流變結(jié)構(gòu)與孕震機(jī)制是地震動(dòng)力學(xué)和板塊邊界構(gòu)造演化的關(guān)鍵問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)斷裂帶深鉆樣品開(kāi)展巖石物理實(shí)驗(yàn)，可以獲得原位溫度、壓力及流體活動(dòng)條件下的巖石力學(xué)參數(shù)，有效減少深部結(jié)構(gòu)模型的不確定性，提高模型對(duì)天然地震的預(yù)測(cè)性，實(shí)現(xiàn)地震災(zāi)害預(yù)測(cè)與評(píng)估、地震早期預(yù)警和震后快速響應(yīng)。圣·安德列斯斷層深部實(shí)驗(yàn)室(San Andreas Fault Observatory at Depth，SAFOD)提供了圣·安德列斯斷層巖樣品，使南加州地震中心可以原位監(jiān)測(cè)圣·安德列斯斷層的應(yīng)力、流體和地震活動(dòng)。

總結(jié)了南加州地震中心對(duì)圣·安德列斯斷層科鉆巖芯樣品的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展，結(jié)合近年來(lái)與地震相關(guān)的大陸科學(xué)鉆探項(xiàng)目，探討在中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)開(kāi)展科鉆巖芯研究的意義及策略。

1 圣·安德列斯斷層深部實(shí)驗(yàn)室

圣·安德列斯斷層深部實(shí)驗(yàn)室的鉆孔位于美國(guó)加利福尼亞州帕克菲爾德(Parkfield)北部10 km，屬于圣·安德列斯斷層中部無(wú)震蠕滑段與南部強(qiáng)震段的過(guò)渡區(qū)(圖1)。該地區(qū)的地殼變形以2～3 cm/a的地表蠕滑速率和震源深度為2.5～12 km的大量微震(震級(jí)約2級(jí))為特征(Titus et al.，2005，2006；Thurber et al.，2006)。SAFOD項(xiàng)目以板塊邊界斷裂的地震形成的物理化學(xué)過(guò)程為研究目標(biāo)，通過(guò)1口垂直井和1口斜井穿過(guò)圣·安德列斯斷層，直達(dá)微震的震源，主孔(圖2)近垂直向下探至約1 800 m，再向斜下方鉆入太平洋板塊的Salinian花崗巖和長(zhǎng)石石英砂巖，于2 700 m處穿過(guò)圣·安德列斯斷層，在約3 100 m處終止于北美板塊的Great Valley組。SAFOD鉆孔穿過(guò)了圣·安德列斯斷層的3條分支：西南變形帶(southwest deforming zone)、中央變形帶(central deforming zone)、東北邊界斷層(northeast boundary fault)，西南變形帶和中央變形帶均表現(xiàn)為活動(dòng)蠕滑。

圖1 圣安德列斯斷層和南加州斷裂分布圖(南加州斷裂分布圖據(jù)SCEC官網(wǎng))Fig. 1 Location of the San Andreas Fault and fault distribution in southern California(distribution map of faults in Southern California according to SCEC offical website)

圖2 圣·安德列斯斷層深部實(shí)驗(yàn)室(SAFOD)鉆孔的地質(zhì)剖面(據(jù)Zoback et al.，2011修改)1-第四系沖積層；2-第四系Paso Robles組；3-古近—新近系Santa Margarita組；4-古近—新近系Etchegoin組；5-Arkosic砂巖和礫巖；6-Salinian花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖；7-古近—新近系；8-白堊系Great Valley組；9-白堊系Franciscan組；10-復(fù)發(fā)微震群①西南變形帶；②中央變形帶；③東北邊界斷層Fig. 2 Geologic cross section at the location of the San Andreas Fault Observatory at Depth (SAFOD)(modified from Zoback et al.,2011)

2002年完成2.2 km的垂直先導(dǎo)井，SAFOD的總鉆探深度由此達(dá)7 345.6 m，但僅在斷層面附近取巖芯樣，巖芯長(zhǎng)度為62.92 m(Bradbury et al.，2011；Zobak et al.，2011)。SAFOD為南加州地震中心提供了原位微震和應(yīng)力監(jiān)測(cè)以及斷層巖的顯微構(gòu)造、礦物組成和力學(xué)性質(zhì)等重要信息。2002年以來(lái)，南加州地震中心連續(xù)開(kāi)展了4期研究計(jì)劃：SCEC二期(2002-02—2007-01)、SCEC三期(2007-02—2012-01)、SCEC四期(2012-02—2017-01)、SCEC五期(2017-05—2022-04)。通過(guò)數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)整合，建立并逐漸完善了一系列公共平臺(tái)模型：SCEC二期和三期的地殼速度結(jié)構(gòu)模型(community velocity model)、斷裂分布模型(community fault model)，SCEC四期啟動(dòng)的大地測(cè)量模型(community geodetic model)、應(yīng)力模型(community stress model)以及統(tǒng)一的殼幔構(gòu)造模型(unified structural representation)(Shaw et al.，2015)，為建立基于物理過(guò)程的圣·安德列斯斷層地震系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型及地震災(zāi)害模擬奠定了基礎(chǔ)，推動(dòng)了地震科普和加州防震減災(zāi)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，成為科學(xué)研究、宣傳教育與社區(qū)互動(dòng)的典范。

2 斷層巖的摩擦性質(zhì)

Tembe 等(2006)對(duì)來(lái)自SAFOD鉆孔1.85～3.10 km垂直深度的樣品進(jìn)行了半穩(wěn)態(tài)摩擦實(shí)驗(yàn)，有效正應(yīng)力為10、40、80 MPa，軸向縮短速率為0.01～1.0 μm/s，發(fā)現(xiàn)圣·安德列斯斷層巖樣品的摩擦系數(shù)較低：頁(yè)巖、泥巖、粉砂巖的摩擦系數(shù)為0.40～0.55，長(zhǎng)石石英砂巖的摩擦系數(shù)≥0.6，整體摩擦系數(shù)約為0.6，強(qiáng)度較高，這與圣·安德列斯斷層低強(qiáng)度、正常熱流值的觀測(cè)結(jié)果相矛盾。

但是，Tembe 等(2006)對(duì)斷層巖樣品進(jìn)行的摩擦實(shí)驗(yàn)是在天然正應(yīng)力條件下的低速滑移(<1 mm/s)，無(wú)法反映地震發(fā)生時(shí)高速滑移產(chǎn)生的動(dòng)力弱化機(jī)制。Kitajima等(2010)采集圣·安德列斯斷層帶Punchbowl斷層露頭上含黏土礦物的長(zhǎng)英質(zhì)超碎裂巖，制備成1 mm厚的斷層泥，置于花崗巖或輝長(zhǎng)巖的圓柱體之間，模擬先存斷層。使用高速扭轉(zhuǎn)剪切儀在0.2～1.3 MPa下進(jìn)行高速摩擦實(shí)驗(yàn)，滑動(dòng)速率為0.1～1.3 m/s。采用熱力學(xué)FEM模型模擬分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)剪切位移為5 m、滑動(dòng)速率為0.1 m/s時(shí)，斷層泥的摩擦系數(shù)為0.4～0.6，斷層面的溫度為70～110 ℃(圖3a)；當(dāng)滑動(dòng)速率升至1.3 m/s時(shí)，摩擦系數(shù)降至0.2，斷層面的溫度升至230～300 ℃(圖3b)，顯示出非常顯著的摩擦生熱效應(yīng)。相同滑動(dòng)速率下，正應(yīng)力高的樣品摩擦系數(shù)較低、溫度較高，這可能是摩擦生熱效應(yīng)的影響。

圖3 高速摩擦實(shí)驗(yàn)中不同正應(yīng)力和摩擦速率下斷層泥摩擦系數(shù)(實(shí)線)和溫度(曲線)隨位移的變化(據(jù)Kitajima et al.，2010修改)veq-等效滑動(dòng)速率；σn-正應(yīng)力Fig. 3 Friction coefficient (solid lines)and temperature (dashed lines)as a function of displacement for gouge sheared at different normal stresses and slip velocities (modified from Kitajima et al.,2010)

在剪切過(guò)程中，斷層泥發(fā)育了4種顯微結(jié)構(gòu)域：當(dāng)摩擦生熱效應(yīng)不明顯時(shí)，微弱剪切斷層泥(單元1)和強(qiáng)烈剪切并發(fā)育層理的斷層泥(單元2)的摩擦系數(shù)為0.4～0.6；隨著滑移速率和正應(yīng)力的增加，摩擦生熱效應(yīng)明顯，在達(dá)到水汽化(沸騰)臨界溫度時(shí)形成具有無(wú)序組構(gòu)和磨圓碎斑的斷層泥(單元 3)，伴隨滑動(dòng)集中到具有非常細(xì)粒顯微層理的斷層泥(單元4)，其摩擦系數(shù)降至0.2(圖4)。

圖4 高速摩擦實(shí)驗(yàn)中剪切斷層泥的顯微結(jié)構(gòu)(據(jù)Kitajima et al.，2010修改)Fig. 4 Microstructure in the four units of the sheared gouge layer in the high-speed friction experiment(modified from Kitajima et al.,2010)

Kitajima等(2011)使用相同樣品進(jìn)行斷層泥的不同速率、不同加速度的高速摩擦實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在半穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行的剪切實(shí)驗(yàn)不能用于解釋同震滑移速率下的巖石摩擦行為。在地震滑移速率下，斷層泥的摩擦系數(shù)與溫度相關(guān)，低溫下的摩擦系數(shù)隨溫度升高而上升，高溫下的摩擦系數(shù)隨溫度升高而降低。動(dòng)力弱化與摩擦生熱導(dǎo)致的滑動(dòng)集中與溫度升高同時(shí)發(fā)生，反映了斷層面急速加熱(flash heating)導(dǎo)致的弱化。因此，動(dòng)力弱化現(xiàn)象只在高速滑移時(shí)發(fā)生，伴隨著摩擦生熱導(dǎo)致滑移面的溫度增加，剪切層的顯微結(jié)構(gòu)和成分改變，應(yīng)變局部集中，巖石的摩擦系數(shù)顯著降低。

此外，斷層的愈合速率控制了斷層帶巖石的強(qiáng)度恢復(fù)和地震的復(fù)發(fā)周期，是研究地震動(dòng)力學(xué)的重要參數(shù)。在巖石摩擦實(shí)驗(yàn)中，愈合速率定義為一段時(shí)間內(nèi)巖石摩擦系數(shù)的變化與時(shí)間對(duì)數(shù)的比值。愈合速率>0，表明巖石的摩擦系數(shù)增加，斷層強(qiáng)度恢復(fù)，可以繼續(xù)積累應(yīng)變從而激發(fā)下一次地震；愈合速率≤0，意味著斷層的持續(xù)弱化。值得注意的是，圣·安德列斯斷層在SAFOD鉆孔區(qū)同時(shí)存在無(wú)震蠕滑和復(fù)發(fā)微震，深鉆樣品提供了研究斷層帶原位的巖性、顯微構(gòu)造和摩擦性質(zhì)的機(jī)會(huì)。來(lái)自SAFOD鉆孔西南變形帶和中央變形帶的蠕滑斷層泥具有非常低的摩擦系數(shù)(<0.15)和速度強(qiáng)化的摩擦行為，愈合速率近于零或?yàn)樨?fù)，是因?yàn)閿鄬幽嘀懈绘V黏土礦物(蒙脫石、柯綠泥石)的富集顯著降低了斷層的摩擦系數(shù)，導(dǎo)致應(yīng)變集中于中央變形帶的斷層泥帶，這解釋了圣·安德列斯斷層的低強(qiáng)度、正常的熱流值和蠕滑行為。斷層帶圍巖的摩擦系數(shù)為0.3～0.6，具有速度弱化的摩擦行為，愈合速率為正，意味著地震可以在圍巖中成核，與該地區(qū)反復(fù)發(fā)生微震一致(Carpenter et al.，2011，2012，2015；Lockner et al.，2011；Coble et al.，2014)。Carpenter 等(2012)對(duì)SAFOD中央變形帶巖芯樣品進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：從摩擦系數(shù)>0.4的高強(qiáng)度圍巖到摩擦系數(shù)<0.1的低強(qiáng)度活動(dòng)蠕滑帶的過(guò)渡帶寬度<0.5 m，意味著黏土礦物的不均一分布可導(dǎo)致活動(dòng)斷裂帶變形和地震分布的突變。

在SAFOD鉆孔的變形帶及其圍巖中均含有低溫蛇紋石，前人猜測(cè)蛇紋石有助于降低斷層的摩擦系數(shù)。對(duì)分離出來(lái)的蛇紋石進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蛇紋石的摩擦系數(shù)為0.29～0.51，隨纖蛇紋石含量的增加而降低，并與圍巖類(lèi)似，具速度強(qiáng)化和愈合速率為正的特征。因此蛇紋石不是圣·安德列斯斷層蠕滑的“潤(rùn)滑劑”，而是反映了斷層帶地震活動(dòng)導(dǎo)致的水巖反應(yīng)(Carpenter et al.，2015)。

3 巖石的粉碎機(jī)制與顯微結(jié)構(gòu)

快速傳播的地震的端區(qū)(tip region)具有強(qiáng)應(yīng)力和高應(yīng)變速率，粉碎作用可集中在幾毫米厚的區(qū)域，使巖石粉碎并形成斷層泥(Reches et al.，2005)。Dor 等(2006)對(duì)圣·安德列斯斷裂帶長(zhǎng)達(dá)140 km的Mojave段的粉碎斷層巖進(jìn)行填圖，發(fā)現(xiàn)該斷層段100 m寬度范圍內(nèi)幾乎每一處結(jié)晶巖的露頭均被粉碎，但缺乏顯著的剪切作用。這種粉碎作用發(fā)生在淺層幾千米的深度內(nèi)，對(duì)應(yīng)斷裂帶的低速層，是地震圍陷波的波導(dǎo)層。此外，Mojave段斷層約70%的粉碎破裂巖出現(xiàn)在圣·安德列斯斷裂的北東方向，反映了斷層破碎帶的不對(duì)稱(chēng)性。

Rockwell 等(2009)對(duì)圣·安德列斯斷層和附近Garlock斷層的粉碎花崗巖進(jìn)行粒度分析，發(fā)現(xiàn)粉碎花崗巖的粒徑在26～208 μm之間，遵循冪指數(shù)連續(xù)變化的假冪律分布(pseudo-power law with a continuously changing exponent)，提出粉碎作用不僅是剪切的結(jié)果，動(dòng)態(tài)破裂前鋒經(jīng)過(guò)時(shí)垂直斷層面正應(yīng)力的突然降低可能也有影響。Wechsler 等(2011)對(duì)比研究了圣·安德列斯斷層南部Littlerock附近42 m鉆孔的新鮮巖芯樣品與露頭樣品，通過(guò)巖性化學(xué)成分變化、粒徑分布和孔隙率研究斷層巖的破壞結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)粉碎巖的孔隙率很高，部分樣品達(dá)20%，斷層泥的孔隙率僅為1%。根據(jù)顯微結(jié)構(gòu)可區(qū)分出2類(lèi)斷層巖：① 粉碎帶(pulverized zone)具有張性破裂，晶粒呈棱角狀，粒徑較大(10～100 μm)，流體包裹體密度高，顯示多期破裂-愈合歷史；② 碎裂帶(cataclasitic zone)的晶粒粒徑較小(0.5～10 μm)，略有磨圓，黏土含量高，經(jīng)歷了多期方解石膠結(jié)和剪切作用(圖5)。該研究建立了粉碎斷層巖的圖像識(shí)別系統(tǒng)，確定了粉碎斷層巖的粒徑分布規(guī)律、顯微結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特征，證實(shí)了粉碎巖只能形成于快速傳播地震的斷裂端部，孔隙率、滲透率高，流體活動(dòng)性強(qiáng)，與低孔、低滲的斷層泥顯著不同，為研究地震的物理機(jī)制提供了重要信息。

圖5 圣·安德列斯斷層粉碎巖和碎裂巖的顯微結(jié)構(gòu)對(duì)比(a)來(lái)自Littlerock鉆孔9.3 m深度的粉碎花崗巖，斜長(zhǎng)石沿解理面裂開(kāi)，白云母基本保持不變，鉀長(zhǎng)石經(jīng)歷了多期破碎和愈合(據(jù)Wechsler et al.，2011)；(b)來(lái)自SAFOD鉆孔3 189.7 m深度的面理化碎裂粉砂巖(據(jù)Bradbury et al.，2011)G-石榴子石；K-鉀長(zhǎng)石；M-白云母；P-斜長(zhǎng)石；Q-石英Fig. 5 Microstructures of pulverized and cataclastic rocks from the San Andreas Fault(a)Pulverized granitoid from a depth of 9.3 m of the Littlerock borehole,plagioclase split along cleavage plane,muscovite remained basically unchanged,and potassium feldspar underwent multiple stages of fracture and healing (after Wechsler et al.,2011);(b)Foliated cataclastic sandstone from a depth of 3 189.7 m of the SAFOD borehole (after Bradbury et al.,2011)

4 斷層巖的有機(jī)質(zhì)熱成熟度與古地震的關(guān)系

地震時(shí)的摩擦生熱會(huì)導(dǎo)致滑動(dòng)面上的溫度升高(圖3)，由于熱擴(kuò)散的時(shí)間尺度不同，只有地震能形成較大的溫度異常峰值。圣·安德列斯斷裂帶的蠕滑段現(xiàn)今不具有任何熱異常，因此，可通過(guò)測(cè)量斷層巖的有機(jī)質(zhì)熱成熟度來(lái)追蹤蠕滑段是否發(fā)生過(guò)大地震。

Polissar等(2011)基于有機(jī)地球化學(xué)的分析技術(shù)，開(kāi)發(fā)了從SAFOD斷層巖中提取瀝青的方法，建立了研究斷層面的摩擦熱的新方法——?dú)浣庾饔?。由于有機(jī)質(zhì)體系不受后期退變的影響，因此保留了最高的古溫度，可用于研究古地震造成的熱異常。對(duì)于沒(méi)有發(fā)生摩擦熔融(假玄武玻璃)的斷層，該方法可用于估計(jì)剪切摩擦導(dǎo)致的溫度升高和滑移量。

首先提取斷層巖中的瀝青，通過(guò)干酪根在高溫(>500 ℃)、高氫壓(>10 MPa)下的催化反應(yīng)獲得有機(jī)分子，對(duì)碳架進(jìn)行分析，獲得與地震滑移相關(guān)的摩擦應(yīng)力(Polissar et al.，2011)、與摩擦生熱相關(guān)的生物標(biāo)志物(Savage et al.，2014)、熱成熟度(Sheppard et al.，2015)等信息。根據(jù)甲基菲指數(shù)計(jì)算的鏡質(zhì)體反射率，圣·安德列斯斷裂帶南段Punchbowl斷層和圍巖沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)差異加熱(圖6)，暗示斷層可能在低應(yīng)力下滑動(dòng)，或者活動(dòng)滑移面厚度>1 mm，或者地震震級(jí)<6級(jí)(Polissar et al.，2011)。

圖6 Punchbowl斷層巖的鏡質(zhì)體反射率計(jì)算結(jié)果(據(jù)Polissar et al.，2011修改)Fig. 6 Inferred result of vitrinite reflectance of Punchbowl Fault rocks (modified from Polissar et al.,2011)

5 討 論

5.1 斷層帶的大陸科學(xué)鉆探項(xiàng)目

斷層的孕震機(jī)制和破裂過(guò)程一直是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、巖石物理學(xué)和地球物理學(xué)研究的熱點(diǎn)。穿過(guò)活動(dòng)斷裂帶的鉆孔不僅可以提供新鮮樣品以研究斷層巖的巖性、顯微結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，而且可以與地表露頭和地震剖面對(duì)比，約束斷裂帶的三維展布狀況。此外，鉆孔還提供了原位觀測(cè)近震微震造成的地下應(yīng)力、溫度、流體活動(dòng)變化的實(shí)驗(yàn)室。因此，在活動(dòng)斷裂上打深鉆已成為國(guó)際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃(International Continental Scientific Drilling Program，ICDP)的重要資助方向。除了SAFOD外，ICDP還資助了在新西蘭Alpine走滑斷裂帶、意大利Central Apennines、臺(tái)灣車(chē)籠埔斷層、希臘Corinth灣、印度Koyna水庫(kù)、土耳其N(xiāo)orth Anatolian斷層等地開(kāi)展的科學(xué)鉆探，建立了原位地震觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室。

2008年5月12日8.0級(jí)汶川地震后，中國(guó)在當(dāng)年11月6日啟動(dòng)了汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目(Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling，WFSD)，獲得了穿過(guò)汶川地震滑移面的連續(xù)巖芯記錄，找到了斷層帶多次活動(dòng)的證據(jù)和主滑移面(Li et al.，2013)，并通過(guò)滲透率監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)在大地震的余震過(guò)程中斷裂帶已經(jīng)逐漸愈合(Xue et al.，2013)。WFSD的鉆井已成為長(zhǎng)期的地震監(jiān)測(cè)井，為研究龍門(mén)山斷裂帶的地震活動(dòng)性提供了第一手觀測(cè)資料。

5.2 川滇地區(qū)地震實(shí)驗(yàn)場(chǎng)與科學(xué)鉆探

川滇地區(qū)是我國(guó)地震多發(fā)帶，構(gòu)造復(fù)雜，地形起伏很大，地震后的滑坡、泥石流等次生災(zāi)害嚴(yán)重。自2014年成立以來(lái)，川滇國(guó)家地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)借鑒美國(guó)南加州地震中心的運(yùn)行方式，編制了川滇地區(qū)地表破裂帶分布圖(吳熙彥等，2018)和地震目錄(史翔宇等，2020)，完成了川滇地區(qū)的地殼速度結(jié)構(gòu)模型(Yao，2020)。2018年5月12日開(kāi)始建設(shè)以川滇為研究區(qū)的中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，由于不同斷裂帶的構(gòu)造背景、發(fā)震機(jī)制、震源深度、地貌特征和巖性不同，中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的建設(shè)將提升對(duì)大陸匯聚和轉(zhuǎn)換擠壓過(guò)程中的地震動(dòng)力學(xué)、應(yīng)變分配和構(gòu)造演化的認(rèn)識(shí)，為川滇地區(qū)的地震監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和防震減災(zāi)工作提供重要的理論支撐。

深鉆項(xiàng)目是地震實(shí)驗(yàn)場(chǎng)不可或缺的組成部分?？紤]到科學(xué)鉆探所需的資金和技術(shù)水平，每個(gè)ICDP項(xiàng)目都需要經(jīng)過(guò)研討會(huì)申請(qǐng)(workshop proposal)和鉆探申請(qǐng)(full drilling proposal)2個(gè)階段的評(píng)審：① 通過(guò)召開(kāi)研討會(huì)吸引全球的科學(xué)家對(duì)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研討，組建一流的研究隊(duì)伍；② 提交鉆探申請(qǐng)進(jìn)行鉆探。巖芯樣品對(duì)全球公開(kāi)，通過(guò)國(guó)際合作推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步。這一流程可集中全球的科學(xué)家對(duì)巖芯樣品進(jìn)行多學(xué)科綜合研究，將有限的資金用于解決重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題。

5.3 建議

建議將科學(xué)鉆探列入規(guī)劃，組織參加ICDP的鉆探研討會(huì)和培訓(xùn)，吸引國(guó)內(nèi)外的一流科學(xué)家，為深鉆的成功實(shí)施做好人才、技術(shù)、裝備和管理的準(zhǔn)備，使中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)成為地震學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、巖石物理學(xué)、地質(zhì)工程、防震減災(zāi)技術(shù)等領(lǐng)域的國(guó)際合作平臺(tái)。以深鉆選址和科學(xué)研究為目的，確定目標(biāo)斷層，開(kāi)展地質(zhì)和地球物理綜合研究。利用該區(qū)礦產(chǎn)勘查和開(kāi)發(fā)過(guò)程中已有的淺鉆和先導(dǎo)孔，采用最新的技術(shù)方法開(kāi)展原位觀測(cè)，積累經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，再向ICDP提交深鉆申請(qǐng)，與之前的先導(dǎo)孔一并建立原位地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)，從而促進(jìn)對(duì)川滇地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)、地震活動(dòng)、變形機(jī)制以及強(qiáng)震災(zāi)害評(píng)估與震后長(zhǎng)期效應(yīng)的認(rèn)識(shí)。

目前，國(guó)內(nèi)在構(gòu)造物理方面的實(shí)驗(yàn)條件已與國(guó)際接軌，某些科研院所及高校也擁有大型巖石力學(xué)和巖石物理實(shí)驗(yàn)室以及顯微結(jié)構(gòu)分析平臺(tái)。通過(guò)對(duì)川滇活動(dòng)斷裂帶的科鉆巖芯樣品開(kāi)展系統(tǒng)的顯微構(gòu)造分析和巖石物理實(shí)驗(yàn)，可以深化對(duì)不同變形條件下活動(dòng)斷裂帶巖石的變形機(jī)制和摩擦性質(zhì)的認(rèn)識(shí)，為揭示典型地震斷裂帶的孕震機(jī)制、破裂過(guò)程和復(fù)發(fā)周期提供關(guān)鍵信息。

6 結(jié) 論

(1)近年來(lái)美國(guó)南加州地震中心對(duì)圣·安德列斯斷層的巖石摩擦性質(zhì)、顯微結(jié)構(gòu)和成分的研究表明：動(dòng)力弱化現(xiàn)象只在高速滑移時(shí)才發(fā)生，富黏土礦物的斷層泥具有非常低的摩擦系數(shù)(<0.15)和速度強(qiáng)化特征，導(dǎo)致斷層強(qiáng)度降低、應(yīng)變集中和蠕滑的變形行為；斷層粉碎巖與快速傳播地震相關(guān)，與斷層泥和碎裂巖在顯微結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)上具有顯著差異；斷層巖有機(jī)質(zhì)熱成熟度提供了研究古地震事件的新手段。

(2)活動(dòng)斷裂帶的科學(xué)鉆探項(xiàng)目為研究斷層帶巖石的顯微構(gòu)造、力學(xué)性質(zhì)和變形歷史提供了寶貴的巖芯樣品，將科學(xué)鉆探與地震實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的建設(shè)相結(jié)合，為探索不同構(gòu)造背景下活動(dòng)斷裂帶的孕震機(jī)制和地震過(guò)程提供重要信息。