汶川地震断层带传输性质研究——对地震同震弱化作用的启示

陈建业

(中国地震局地质研究所， 北京100029)



汶川地震断层带传输性质研究
——对地震同震弱化作用的启示

陈建业

(中国地震局地质研究所， 北京100029)

断层带的流体压力因关系着地震断层滑动强度以及应力释放过程一直倍受重视。 断层带渗透率结构对于了解断层带内流体活动状况、 断层强度和摩擦稳定性以及同震热压作用等至关重要。 本文全面总结了断层带的渗透性， 尤其是大的地震断层带渗透性的研究成果。 为了开展断层岩传输性质的测量工作， 开发了超低渗岩石渗流测量系统。 以汶川地震发震断层映秀—北川断层带上两个典型露头剖面为对象， 分析了断层带的内部结构， 对断层岩进行了成分、 粒度分析。 利用新开发的超低渗透率仪对断层岩开展了渗透率-孔隙度-比储流率的联合测量。 基于测量结果对汶川地震的同震热压过程进行了数值模拟。 研究取得了如下成果：

详细介绍了超低渗透率测量仪器的测量原理、 基本构造及性能。 引入了振荡孔隙压力法， 其渗透率测量下限可达10-22m2量级。 使用特殊设计的微体积计， 首次实现了液体条件下绝对孔隙度的测量。 给出渗透率-孔隙度-比储流率联测的实验流程及典型的实验结果。

断层岩的粒度分布包含着岩石破裂机制、 摩擦性质和地震能量分配等重要信息。 采用筛分-称重和激光测量两种方法对汶川地震断层滑动带上的断层岩(简称断层岩)进行了粒度分析， 粒径测量范围从0.2 μm延展到16 mm， 跨度达到5个数量级。 粒径测量结果显示： ①在临界粒径dc(0.95～1.90 μm)， 粒度大于和小于dc的颗粒满足不同的颗粒数(Nd)～粒径(d)分布关系， 表明该断层岩的粒径分布不具有自相似性特征。 ②利用粒度大于dc的颗粒计算出的分形维与断层岩类型有很好的相关性， 即断层带边缘的角砾岩的平均分形维为2.6， 核部压碎角砾岩的平均分形维约为3.0， 中心断层泥的分形维约为3.5。 粒径小于dc的颗粒的分形维介于1.7～2.1之间。 分形维的突变反映出断层破裂机制的复杂性， 即在不同的粒度域， 岩石的破裂机制不尽相同。 ③依据粒度分析结果， 估算出汶川地震断层泥的单位破裂能(Es)为0.63 MJ/m2。

采用N2作为孔隙介质， 对汶川地震断层带典型的露头剖面进行了跨断层不同断层岩样品的渗透率测量。 结果显示， 汶川地震断层由低渗的核部(2.4×10-19～3.8×10-16m2)、 高渗的破碎带(3.7×10-16～3.0×10-15m2)以及含裂隙原岩(6.0×10-18～4.3×10-13m2)组成(有效压力 40 MPa)， 其中新鲜断层泥具有最低的渗透率。 断层泥和两侧原岩由于渗透率低， 阻碍流体跨断层带流通， 断层带内的流体活动局限在高渗的破碎带中， 这一结果与断层岩显微结构和粒度分布特征能很好的吻合。 对汶川地震同震热压作用发生的条件进行了简单探讨， 结果显示， 约2 km以下汶川地震主滑动带具有发生热压作用所要求的低渗透率特征。

为了定量研究汶川地震的动态滑动弱化过程， 对平溪剖面的断层样品开展了干、 湿条件下的高速摩擦实验。 样品在含水条件下表现为比干燥样品更为快速的弱化和更低的稳态摩擦强度， 指示了热压过程的发生。 利用新开发的超低渗透率仪测量了断层岩在围压加-卸载周期中的渗透率、 孔隙度和比储流率的变化。 结果表明： 断层带由低渗的断层泥(有效应力165 MPa下为2.6×10-20m2)和高渗的破碎带组成。 在对断层泥样品进行围压加载的过程中， 观测到了强的孔隙压超压现象。 类比分析揭示了地震过程中孔隙压超压的重要性。 基于所测的物性参数对汶川地震的同震热压过程进行了数值模拟。 其结果显示热压作用及相关化学反应， 如蒙脱石脱水， 对汶川地震的地震破裂过程起到了促进作用。 这与研究点附近观测到大的同震位错及滑动加速现象一致。 对比分析显示： “高速弱化”对小地震的弱化起主导作用。 对于大地震， 如果断层泥的渗透率不是异常高， “热压弱化”将同样重要。 对于汶川地震而言， 其滑动弱化归功于两者。

关键词汶川地震； 断层渗透性； 热压作用； 孔隙压超压； 振荡孔隙压法； 分形维； 破裂能； 动态滑动弱化机制

(作者电子信箱， 陈建业： jychen@ies.ac.cn)

中图分类号：P315.2；

文献标识码：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.05.014