圣安德烈斯断层中是否存在高孔隙压力*

Chi-yuen Wang

(Department of Earth and Planetary Science，University of California-Berkeley，Berkeley，California 94720，USA)

圣安德烈斯断层中是否存在高孔隙压力*

Chi-yuen Wang

(Department of Earth and Planetary Science，University of California-Berkeley，Berkeley，California 94720，USA)

假设圣安德烈斯断层(加州)中存在高孔隙压力流体，并用其来解释断层的主动性失稳，这或许直接影响着对地震发生机理的认识。但最近在位于加州东部圣安德烈斯断层上的钻探(SAFOD，San Andreas Fault Observatory at Depth)中，未发现存在高孔隙压力流体的相关证据[1]。假如没有高孔隙压力普遍存在的证据，这将影响我们对圣安德烈斯断层或其他活断层上地震发生机理的认识。然而，笔者认为圣安德烈斯断层深钻现有的证据，尚不足以否定高孔隙压力流体存在的假说。要充分认识断层中孔隙压力的特征，还需要在圣安德烈斯断层的钻孔上进行长期监测。以上分析结果或许对解释其他活断层钻探项目结果有所帮助。

引言

伴随着加州圣安德烈斯断裂带失稳表现出的无热流异常[2-4]和断层应力状态[5-6]，对认识地震发生机理和岩石圈板块驱动力有重要意义，但对于断层失稳的机理还不甚清楚。对于断层失稳问题目前存在3种假说:假说一认为，断裂带由粘土断层泥组成[7-9]，尤其是富含富蒙脱土的粘土断层泥，其摩擦系数较低，约为0.1[10-13]。考虑到地壳岩石的摩擦系数一般约为0.6[14]，断层泥的低摩擦系数异常造成了断层失稳。假说二认为，断裂带中摩擦系数“正常”，但是伴随地震产生的剪切热及其相关物理化学过程造成了断层动力失稳[15-16]。假说三也认为断层中摩擦系数“正常”，但是断裂带中的高孔隙压力降低了断层有效应力而使滑动摩擦阻力减小，导致断层失稳[17-18]。

这3种假说表示了3种不同的机理，分辨哪一种正确尤为重要。利用来自于圣安德烈斯断裂带的断层泥实验数据，我们对获得的地震波速度、重力异常和穿过圣安德烈斯断裂带的电阻数据等分析，认为断裂带可能由延伸至孕震深度的断层泥组成[9，19]。随后，也收集了一些在活断层上的深部钻探结果，以期获得断层中物质组成与孔隙压力的直接观测资料。这些钻探研究包括:早期的靠近加州中部干湖谷的圣安德烈斯断层钻探[20];靠近南加州Cajon Pass的圣安德烈斯断层钻探[21]，最近的加州中部帕克菲尔德附近的圣安德烈斯断层钻探(SAFOD)[1]，日本野岛断裂带探测，台湾车笼埔断层钻探项目[22]和计划实施的新西兰South Island Alpine断层项目[23]。

在这些断层钻探项目中，SAFOD项目(图1a)得到了完整的科钻记录和报告，并且提供了与圣安德烈斯断裂带内部结构有关的重要信息[1]。在SAFOD项目中，在深度约2.7 km处发现了3条活动并富含粘土断层泥的滑动带(即断层核，图1b)，每条宽度约2～3m。Zoback等[1]基于钻探过程中的3项观测结果推断，在断层核中不存在高孔隙压力:(1)没有多余的水相流体从断裂带涌入钻孔;(2)没有多余的气相流体流入钻孔;(3)穿过断裂带的vP/vS值接近常数(vP和vS分别是纵波和横波速度)。如果结论成立，那么将否定断层失稳机理中的第3种假说，并将对我们认识地震发生机理有重要影响。然而，我认为这些观测结果不足以完全否定高孔隙压力存在的假说，要充分认识断层中孔隙压力的特征，还需要在SAFOD项目的钻孔上进行长期监测。以上分析结果也许对解释其他活断层钻探项目的结果有所帮助。

图1 (a)SAFOD钻孔路径的三维透视图，图中标有地震，朝上为北，朝右为东，朝下为深度(轴线单位为千米，摘自Zoback等[24])。(b)断裂带部分剖面图，近垂直的线表示了活动变形的断层核;图为西北朝向，与圣安德烈斯断层平行(修改自Zoback等[1])。(c)用于模拟水相流体流入井筒的简化几何图形

1 两种渗透率模型

计算岩层水相或气相流体向井筒涌入量的关键决定于断层核部的渗透率。现主要有两种渗透率模型:Rice提出断层中的渗透率比周围地壳大3个数量级或者更多[17]。针对于通用的地壳渗透率模型[25-26]，深度约2.7 km处的断层中渗透率至少为10－13～10－11m2。我们把上述的断层模型称作高渗透率模型。

然而，经实验室对圣安德烈斯断裂带的断层泥的测定，包括早期靠近霍利斯特的干湖谷钻探[11，27]和靠近帕克菲尔德的圣安德烈斯钻探[28-29]，都表现出了很低的渗透率(10－22到10－18m2，见表1)。表1中分散的渗透率数据很可能反映了断层泥的各向异性，即与断层泥面理平行时渗透率相对较高，垂直时相对较低(表1;文献[29])。考虑到断裂带的各向异性和高度非均质性，那么通过实验测定的收集于断裂带不同部位的断层泥样品的渗透率分散程度将非常小，这也表明了断层泥的普遍属性，即富集渗透率很低的粘土。因此，在接下来的分析中使用实验测定的数据来代表富粘土的低渗透性模型。值得注意的是，这两个模型中的渗透率相差5～11个数量级，这表明:当孔隙压力一定时，流体在不同渗透率模型下向井筒中的涌入量不同。

表1 实验测定圣安德烈斯断层泥的渗透率

2 岩层水相流体的涌入

如上文所述，对于两个不同渗透模型，其水相流体涌入量之间相差5～11个数量级，以下研究中将按数量级的顺序来模拟流体从断层核到井筒的涌入量。因此，对实际问题的几何描述可简化为以下模型:活动断层核的平均厚度为2m，井筒垂直于断层核面(图1c)，实际上井筒轴线偏离垂直方向约30°(图1b)。基于上述简化，求解下面微分方程来估算水相流体的流量。

P为断层核中的孔隙压力，大于井筒中的泥浆压力。κ为渗透系数，其被定义为:

k和Ss分别是渗透率和多孔基体的储水率，g是重力加速度，ρ和μ分别是水相流体的密度和粘度。这些参数常被当作常数，但它们会因温度和压力的变化而变。

岩层水相流体的密度和粘度是温度和压力的函数，可参照纯水进行估计[30-31]。深度约2.7m处，SAFOD井筒与断层核相交，静岩压力约为70mPa，假定断裂带的平均密度约为2500 kg/m3[9，32]，温度约为110℃。水相流体在此温压条件下的密度同在标准状态下大致相同;然而，其粘度将随3个参数(κ，k和Ss)变化。储水率可表示为:

a和n分别为断裂带物质的压缩系数和孔隙率。ρ和β分别是孔隙流体的密度和压缩系数。使用干湖谷钻探项目[33]中断层泥在高压下测得的a和n，纯水的ρ和β，计算得到约2.7 km深度的储水率Ss为10－6m－1。Saar和Manga[26]、Ingebritsen和Manning[34]在估计地壳渗透性中得到了相似值(Ss=10－6m－1)，该值将用于高渗透性模型。

钻井泥浆的重量对钻孔井壁施加的压力将超过静岩压的40%[1]。为了估计水相流体涌入量的上限，假定断层核处的最初孔隙压力处于静岩压力状态，并且流体可以渗透通过围岩[17]。基于上述条件和微分方程(1)求解得到P，应用达西定律，单位面积上透过钻孔壁的水相流体流量(单位面积的流体流速)可通过下式计算[35]:

q是流量，a是井筒半径，t是监测时间，Po是断层核的最初孔隙压力与钻孔泥的压力之差，Jo和Yo分别是第一类和第二类零阶贝塞尔函数。

图2a和2b分别表示了高低渗透率模型通过方程(4)计算得到的水相流体的流量随时间变化的函数关系;0时刻代表断层核被井筒穿过的时刻。对井壁面积和时间进行积分，得到井筒中水相流体的体积随时间变化的函数关系(图2c)。

流入井筒的水相流体体积测定是通过监测钻井泥浆含量变化而实现的，但探测钻井泥浆含量变化的阈值却没确定。假定断层泥含量变化的探测阈值为1m，那么探测水相流体向井筒涌入量的阈值约为0.03m3。在实际钻探过程中，停机后观察钻井泥浆含量的持续时间变化很大:几小时或几天。按数量级进行估计，假设对穿过断层核部后的井筒观测的平均持续时间为一天。对流量在井筒面积范围和一天时间范围进行积分，计算得到了井筒中水相流体的涌入量:高渗透性模型下约为87～8700m3，低渗透模型下约为9×10－6～9×10－4m3(图2c)。对于高渗透模型，水相流体的涌入量超过了探测阈值(0.03m3)，而对于低渗透性模型，尽管孔隙压力在断层核部等于静岩压，但其流入量也远低于探测阈值。换句话说，比如在渗透性低的情况下，SAFOD钻探中尽管没有发现水相流体流入井筒，也不能排除存在高孔隙压力的可能性。反之，在高渗透率模型下，不存在高孔隙压力的结论才会成立。

图2 (a)高渗透率模型下，渗透率在两个数量级范围内的水相流体流量q随时间t变化的函数关系。(b)低渗透率模型下，渗透率在两个数量级范围内的水相流体流量q随时间t变化的函数关系。(c)低渗透率模型下，钻孔中积聚的水相流体体积随时间变化的函数关系，并与探测阈值比较

SAFOD钻探过程中，取自钻井泥浆中的气相流体和钻井管材中的起钻气体主要成分是碳氢化合物[36]。起钻气体的浓度在SAFOD与断裂带相交的区间内普遍较低[36]。由于气相流体的流动需要由水相流体的流动来实现，其浓度大小反映了岩层水相流体的涌入量。因此，缺少水相流体将导致缺少气相流体，所以不能因为缺少气相和水相流体而排除低渗透率下断层中存在高孔隙压力的可能。

3 v P/v S值

对SAFOD试验中vP/vS值的解释需要考虑断裂带的各向异性[37-38]。SAFOD试验中，测定速度时沿着钻孔轴线[37]并与断裂带成高角度。对SAFOD试验中高孔隙压力影响vP/vS值的认识，来自于对均匀层状沉积岩速度的测定的实验结果，因为这些沉积岩中对应的粘土薄片和云母形成的分层、各向异性结构及活动断层核中面理与各向异性结构相似[38]。Lo等[39]测定了Chicopee页岩在压力100mPa条件下不同方向上P波、SH波和SV波的速度;同时计算了所有主要方向上的弹性常数。使用上述常数和Berryman[40]文献中的方程，计算了垂直于层面和偏离垂直30°方向上的vP/vS值(图3)。Carcione和Cavallini[41]使用有效应力原理来解释Lo等[39]的实验结果，其与围压恒定情况下孔隙压力变化导致的实验结果一致。基于Caraione和Cavallini[41]的研究，图3表示了围压100mPa条件下，孔隙压力从0增加到100mPa过程中vP/vS值的变化。该图表明了Chicopee页岩在偏离垂直30°方向上的vP/vS值在孔隙压力0～100mPa范围内的最大变化值只有0.06(图3)。然而，从曲线中(文献[1]中的图2b)估算的SAFOD试验中围岩或断层核中的vP/vS值标准差基本高于0.1。换句话说，SAFOD试验中测定的vP/vS值对探测断层核中孔隙压力不够敏感。

图3 通过实验数据计算的围压从0～100mPa的v P/v S比值，圆圈表示偏离垂直30°方向，其余表示垂直方向。所有方向上的比值变化都很小[39]

4 讨论

基于上述推断:若SAFOD试验中测定的与断层面成高角度的vP/vS值对探测孔隙压力不够敏感，那么要验证断层核中存在高孔隙压力的假说就必须直接测定断层中孔隙压力。研究结果说明了在SAFOD钻探试验中，特别是在富粘土断层泥的低渗透率情况下，监测孔隙压力持续的时间太短以至于不能够断定断层核中究竟是否存在高孔隙压力。因此，想要证明SAFOD揭露的断层中是否存在高孔隙压力，需要在穿过断层核的钻孔中进行长期监测。

如图2c所示，对于低渗透率模型，渗透率分别为10－18，10－19和10－20情况下，要达到水相流体涌入量测定阈值(0.03m3)的最少持续时间分别为2个月、2年和24年。由于水相流体可能沿断层面向井孔流动，因此计算时用沿断层面的渗透率(10－18表1;文献[29])可能比垂直于断层面的渗透率更加合理。所以，监测水相流体涌入钻孔的最少持续时间为2个月(图2c)，不是2年或24年。

到目前为止，所有的活断层钻探项目均发现了富粘土断层泥[20，1，22]，尽管钻探结果支持富粘土断层模型，但以上证据尚不足以完全否定高孔隙压力模型。

译自:Geology，November 2011:1047-1050

原题:High pore pressure，or its absence，in the San Andreas Fault

(中国地震局地壳应力研究所陈涛刘耀炜译;张磊校)

(译者电子邮箱，陈涛:chentao9330@gmail.com)

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