科学钻探与地震关系研究与展望

赵帅

【摘 要】 钻探技术，特别是深部钻探技术的发展，为人类打开了了解地球内部信息的窗户；利用钻探技术，研究地震发生机制，进而成功预测地震发生，避免人员伤亡和财产损失成了地震研究的热点之一。美国圣安德列斯活动断裂地震带科学钻探与实时监测项目（SAFOD）、台湾车笼埔断层深井钻探计划（TCDP）以及汶川地震断裂带科学钻探（WFSD）是依托钻探技术研究地震发震机理的三个典型案例。本文从宏观上总结了三个项目的部分信息，并对地震科学钻探进行了展望，供科研人员参考。

【关键词】 科学钻探；地震；SAFOD； TCDP；WFSD

【Abstract】 Drilling technique， especially the deep drilling makes it possible for us to get the information of the inner Earth directly. Thus， studying the mechanism for the generation of earthquake and then predicting earthquake by means of drilling technique have become one of the hot spots of earthquake study. Here， we conclude some information about The San Andreas Fault Observatory at Depth （SAFOD）， Taiwan Chelungpu Fault Drilling Project（TCDP） and Wenchuan Fault Scientific Drilling（WFSD）. All of the three projects are the typical cases on earthquake study.

【Key words】 Scientific drilling；Earthquake；SAFOD；TCDP；WFSD

1. 引言

（1）在眾多的自然灾害中，特别是在造成人员伤亡方面，地震造成的死亡人数占各类自然灾害造成的死亡人数总数的一半以上，地震灾害堪称群灾之首[1]。如何有效监测和预报地震发生，避免地震给人类社会造成的巨大损害一直是全人类的共同愿望和公认的世界性科学难题。

（2）钻探是从被大洋覆盖的70 %的地球表面获取沉积物和岩石的主要工具，也是从海底以下数米深处采集样品的唯一手段[2]。随着人类对地球认识不断深入，钻探设备不断改进，钻探技术水平不断提高，钻探为地质学的研究提供了有力的技术保障。特别是近几十年发展起来的地质深钻甚至是超深钻，更为人类打开了了解地球内部世界的窗户[3]。

（3）“国际专家普遍认为，在地震断裂带上实施科学钻探，特别是在大地震发生后，利用科学钻探，通过对温度、地震波速度和发震断层渗透性等物理参数的精确测量，有可能获取有关地震愈合和破裂周期、地震摩擦热、岩脉填充、渗透性、流体作用、应力状态等重要基础数据，大地震后的快速钻探是研究地震机制和捕捉余震直接信息的有效方法之一”[4]。因此，在地震活动地区进行以探测震源区为目的的科学钻探，钻探到发震层所在深度对震源区作直接观测，对于地震预测理论和实践都具有十分重要的意义。

（4）鉴于此，在全世界范围内开展的国际大陆科学钻探计划（ICDP）和综合大洋钻探计划 （IODP）将发震带列为其重点研究领域之一。美国和我国台湾都曾在地震活动带上实施科学钻探，并取得积极的成果，成为依靠科学钻探技术研究地震难题的典型案例。2008年，我国汶川大地震发生后，国家和地震科研人员从地震带来的巨大悲痛中走出来，抓住有利时机，快速组织实施了汶川地震断裂带科学钻探（WFSD）。如今，该项目正在顺利实施。

（5）科学钻探是入地的重要手段，被称为伸入地球内部的“望远镜”[5]，必将在未来地震研究中继续发挥更大的作用。鉴于此，笔者了解了美国圣安德列斯活动断裂地震带科学钻探与实时监测项目（SAFOD）、台湾车笼埔断层深井钻探计划（TCDP）以及汶川地震断裂带科学钻探（WFSD）的相关工程技术信息，供科研人员参考。

2. 圣安德列斯活动断裂地震带科学钻探与实时监测项目（SAFOD）

2.1 SAFOD地理及地质背景。

美国圣安德列斯活动断裂地震带科学钻探与实时监测项目（The San Andreas Fault Observatory at Depth，简称SAFOD）是“地球透镜计划”（EarthScope）的一个子项目，其目标是解决控制大型板块边界断层形成机制的物理化学过程等基本问题以及研究地震成因机理和地震预警[6]。SAFOD位于美国加利福尼亚州中部Parkfield小镇西北9Km处，地理坐标35° 58' 26.5"N， 120° 33' 8.73" W。在构造位置上恰好在San Andreas活动断裂带上。井位选在1966年Parkfield 6级地震断裂带的最北端，这个地区也是历史上的地震高发区，相似震级的大地震会近周期性的在这个地区发生。断层在这个地区有着明显的表现，在表层它以每年1.8cm的速率蠕变，形成宽不超过10m的断裂带[7]。

2.2 钻探工程实施过程。

2.2.1 该项目钻探施工主要分四个阶段[8]进行：（1）先导孔，2002年6月6日到7月24日，垂直钻进2168m；（2）主孔Ⅰ，2004年6月11日到10月6日，位于先导孔东北768m处，先垂直钻进1445m，后以55°倾角向断层方向打斜井，总垂向深度为3051m；（3）主孔II，2005年6月8日到2005年8月28日，在主孔Ⅰ基础上继续斜向钻进并穿过断层带，纵深度达到3987m；（4）主孔III，2007年6月14日到9月15日，在主孔II的基础上侧向钻三个侧孔，目的是深入到反复微震的具体震源位置（图1）。在钻探孔位所在断层的这一段上既有断层的无震蠕变（aseismic creep）又有反复微震（repeating microearthquakes）。

2.2.2 在钻孔中，开展了大量的地球物理测井，如电阻率测井、Gamma测井、Vs、Vp测井。测井信息表明，在断层带位置出现了一个低电阻率、Vs、Vp低速区，而且反复的多点井径测井记录了测井套管的变形，由此可以确定断层带位置大约在3200m～3400m深处[9]。

2.3 SAFOD初步科学研究。

2.3.1 钻井中的气体和流体性质一直备受科研人员关注。SAFOD采用的方法是利用搅拌机将气体从钻井泥浆中提取出来，持续的输入实验管道中，每隔十分钟对气体成分进行一次测量。测量发现，气体成分主要是CH4、H2、CO2和Rn。同時，还对这些气体的导电性、pH、温度的持续变化进行了测量。研究结果表明幔源流体对San Andreas断裂中的地震过程影响微小，San Andreas断裂对流体的运动起到了阻隔的作用。

2.3.2 SAFOD在对岩心、流体、物理测井信息分析的基础上，开展长达大约20年的实时监测。实时监测旨在通过对断层带内地震活动性、变形特征、流体压力和其他参数的观测，实时监控San Andreas断裂的活动情况，并试图对地震进行预测。SAFOD实时监测项目的实施主要包括以下几个阶段：（1） 在先导孔底部放置一些观测仪器，包括三分量地震检波器、测斜仪、激光应变计、地震加速度检波器、孔隙压力计和温度计等。这些装置最初是用于监测钻探地区的地质和地球物理特征，以此确定地质构造和地震震源区的具体位置，从而为主孔钻探作准备。2004年在Parkfield地区又发生了一次6级地震，在先导孔中的地震检波器和测斜仪就监测到了一些地震波的数据。 （2）2004年夏天，激光应变计被安置在主孔垂直部分的钻井套外侧。随后，包括地震检波器、变形传感仪在内的一系列检测设备安装在斜井部分。这些设备主要测量压力、剪切波各向异性、热流温度等。（3）2006年2月起，一系列测量设备被放入到使钻井套发生变形的地方，也就是断层带区域。如，将一个远程电子三分量检波器（Three-Component Geophones）夹在套管壁内侧，采样率4000sps，利用这个装置可以近距离监测地震现象（Ellsworth，2007）。此外还有垂直地震剖面（VSP）、虚拟地震试验等观测方法。地震带内地震活动性、变形特征、流体压力和其他参数的观测要持续约20年之久。（4）2007年夏天，在主孔III完成后，将会在其中安置一套测量设备，以便在反复微震发生的地方长时间观测地震源区的地震能量、变形状态、流体压力和地震波特性。这是科学家们第一次可以在地震发生的源区观测地震形成、扩展、锁止过程以及流体压力影响。

3. 台湾车笼埔断层深井钻探计划（TCDP）

台湾车笼埔断层深井钻探计划，即TCDP，旨在通过获得集集地震深部断层带的岩心样本，并通过一系列的深井探测和观测研究，进而分析车龙埔断层产生剧烈错动的原因，为地震理论科学和预报实践提供有益的帮助。TCDP所做的工作主要有以下几个方面[10～13]：

3.1 高精度反射剖面、地质填图、地球物理填图（大地电磁、重力等），需要围绕钻井目标地区进行。

3.2 初步钻井和加套管计划。首先钻一个深度1000 m的8″孔，加6″套管并用水泥封固这个孔，然后连续取芯到2000 m，预计在1500 m深处遇到车笼埔断层。取芯完成后，HQ（96 mm直径）孔将被扩大，以便安装3层套管并用水泥封固，套管一直达到孔的底部。如果在孔的下部遇到不可预见的地质条件，这就需要将岩芯减为NQ尺寸（45 mm）。为了能更高精度地恢复岩芯未受扰动时的状况，取芯方法使用3倍大的取芯管。为了便于控制偏移，将在每100 m使用数字化井孔测量仪-EZ shot检查偏离情况。

3.3 钻孔过程中的测量。使用在近10～15年发展起来的一套方法可以对现今应力场加以估计。比如，传统的水压致裂法的改进技术和BHTV（超声波井孔电视监测仪）以及FMI（结构微成像仪）等测井方法联合使用，可以识别井孔内的应力诱发破坏和拉张破裂现象。同时，这些方法还在整个钻井的深部区域（直到2000 m）确定应力大小和方向。用高精度的热敏电阻，在各个深度进行连续温度测量。同时，在孔内完成更长时间的温度测量。这项工作的主要目的是：（1）精确确定大地热流值；（2）探测断层区由于地震和瞬时流体流动等生热所造成的热扰动。还将在井下对物理特性和力学状态、现场的孔隙压力和渗透率进行全面的测量，同时获取流体样本等。

3.4 岩芯样本的物理性能测试。通过对取自断层泥和断层岩石以及围岩的样本研究，将获得包括强度、渗透率和摩擦性能（包括膨胀和孔隙弹性效应）等一系列物理特征参数。对集集地震时断层的动态破裂传播和弱化的数值模拟中使用这些测量结果，进行与近场地震观测得到的震源机制解做对比研究。这些物理性能测试还可以对来自岩芯样本微结构和地球化学观测的变形机制以及构造行为给出定量的约束。这些物理性能的测试将在美国加州的美国地质调查局完成，在模拟真实现场温度、等效应力和孔隙流体化学环境的岩石力学装置上进行。

3.5 孔内测量和观测。活断层上的深孔为观察正在发生的地球物理过程提供了机会。在车笼埔断层2000 m深的孔完成后，将开展一系列实地测量和井内连续观测。（1）温度测量：钻孔后期，用有线测井仪器仔细测量温度，以估计未受干扰的形变温度。温度观测要在不同时间进行，以便修正由于钻井造成的温度扰动。（2）流体观测：在跨越断层的套管上安装滤网，以观测流过断层的流体，并长期观测水位的变化。③地震观测：地震活动的深部观测，可以获得小地震的精确震源机制解，为此需要安装井内地震仪。观测穿过断层的由深部地震发射的地震波，可以对监测车笼埔断层在集集地震后的愈合情况有帮助。这些观测结果还要和来自其他断层，如兰德斯地震和神户地震后获得的地震波监测结果进行比较。另外，在钻孔后的数年内，还要重复进行高精度温度测量。

4. 汶川地震斷裂带科学钻探工程（WFSD）

4.1 2008 年5 月12 日，我国四川省发生了震惊世界的汶川8.0级特大地震，给人民的生命财产造成了巨大的损失。在为同胞蒙难悲痛之余，地震科研人员和相关部门很快意识到这一开展地震研究的难得机遇，在科学调研论证的基础上，于2008 年11 月6 日在四川省都江堰市虹口乡，快速组织实施汶川地震断裂带科学钻探工程，即WFSD。

4.2 该项目将通过“钻探、井中探测、科学研究”三位一体的方式捕捉大地震直接信息，揭示地震机制。项目将在汶川大地震和复发微地震的源区——龙门山“北川- 映秀”断裂及龙门山前缘安县- 灌县断裂傍侧先后实施5口科学群钻[14]（具体参数见表1），在主孔孔内安放科学仪器，建立深孔长期地震观测站。在此基础上，主要做以下几个方面[15]的工作：

（1）汶川地震破裂带结构、构造属性的研究：在精确校正钻探测井和岩芯深度的前提下，综合地球物理测井、岩芯的良好保存以及通过主动震源地震成像和观测，准确识别活动断裂位置、结构、产状及各种构造要素，精确测量断裂破坏带的宽度和破坏强度，并划分断层岩的类型，确定断裂的构造属性。

（2）地震断裂带物理行为的研究：通过对地震断裂带的物理参数：摩擦、温度、流体、应力、渗透性、地震波速等的测量和研究，揭示巨大的滑移量及滑移速度与断裂润滑关系，建立高分辨率（0.003度）温度剖面，研究温度变化与摩擦系数的关系，重塑破裂演化过程，深化认识地震断裂带的地震能量状态、地震愈合周期以及断裂带物理行为对地震发生机制的制约。

（3）地震断裂带化学行为和流体行为的研究：通过地震断裂带岩石、矿物和流体的地球化学特征、矿化、岩脉的充填和局部熔融的研究，应用地球化学方法来限定断裂带的热历史（磷灰石/锆石裂变径迹、U+Th/He低温热年代学技术），提供热异常证据及其时空变化。深化认识流体在地震孕育、发生和停止过程中的作用。

（4）井下长期观测：通过安装井中地震仪和综合地球物理探测仪，监测更深部的地震活动及进行地震后应力衰减的测量和记录。从三维地震台阵的角度，对汶川地震断裂带的余震趋势、余震强度和影响范围进行新的分析和探讨（汶川地震断裂带科学钻探项目的钻孔及其主要参数设计见表1）。

5. 断裂带地震科学钻探展望

5.1 我国著名构造地质学家许志琴院士等指出，经过几十年的发展，断裂带科学钻探研究地震发生机制取得的成绩主要有8个方面：（1） 断层滑移摩擦生热量和热异常研究；（2） 断裂带的流体作用；（3） 流体渗透作用和断裂带的愈合；（4） 微型地震的破裂过程；（5） 断裂带的矿化作用；（6） 余震层析成像；（7） 地下岩石在地震来临前发生的物理变化；（8） 气体地球化学异常对远程大地震的响应。

5.2 地震钻探项目的主要目的是研究地震能量补偿和断层带活动过程。

（1）对于地震钻探工程的实施及研究应该注意以下几个方面。首先，应该选择已知的和相对简单的断层和地质构造，因为在单一的主断层比在断裂系更容易获取地震学资料。其次，应该在地震反演和地表变形数据给出的断层上同震位移较大的地区钻探，因为地表位移量大于1 m时能捕获到摩擦信息。理想状态下，钻探应尽量接近或达到地震成核的深度，并将科学问题锁定在摩擦、增温及地震相互作用等方面。第三，尽量获取结晶岩石，因为与沉积岩相比，结晶岩的渗透率较低且带有更多的摩擦信息，另外，松散沉积物也不利于对孕震断层进行深入研究。第四，应尽量选择倾向断层，以便垂直钻孔可以高角度穿过断层面。最后，钻探地点最好选择在有地震观测台和GPS观测台的地区以便获取充足的地震信息。为有效利用井内空间并避免相互干扰，在设计钻探计划时还应对综合钻孔测量和井中观测系统做好规划。为在时间和空间上尽量实现众多科学目标，还应注意观测次序，优选观测手段，例如尽量采用对井孔扰动较小的应力测试和水压实验，或者仅在某一段上进行某种实验。在现场观测时，温度测量、地震观测、应力观测、水压试验、流体采样等在时间上或空间上都可能发生冲突（Emily E. Brodsk，2009）。

（2）可以预见，在未来地震科学钻探研究中，取心、测井、监测依然是地震科学钻探的主要直接目的，原状岩心获取、深井钻探技术、监测仪器研发是开展该研究的难点，长期实时监测并及时预测地震发生是将是其最为宏伟的目标。

参考文献

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