采自汶川地震断层带样品渗透性的初步实验研究

断层带被认为是深部流体的主要通道和流体活动最强的区段之一.近年来,地震断层带中流体活动及其效应倍受关注,其最主要原因是地震断层流体活动与地震的孕育和发生似乎存在某种关联,流体被认为是理解地震成核、发生和断层扩展等过程的重要因素.     

地震断层带流体作用的岩石化学-物理响应——来自矿物学、岩石化学、岩石物理学的启示

地震断层带是壳内深部流体的通道。流体与地震破裂带内的岩石相互作用导致其具有与地壳完整岩石完全不同的特性,包括其矿物成分、化学成分、粒度分布、孔隙度、渗透性和弹性等方面,这些特征可以视为流体与地震断层带相互作用的响应。深入研究断层岩的岩石化学和岩石物理性质将有助于准确和精细地了解地震断层岩的形成过程,分析地震能量分配,认识物质迁移的方式,解释或约束地震断层带深部探测结果等。文中以汶川地震破裂带内的断层岩为例,研究并总结了地震断层岩的渗透率、孔隙度、纵波速度、粒度分布和矿物组成等特征。结果显示,地震破裂带上的断层岩形成与地震破裂作用有关,但表现出的性质更大程度上烙有间震期流体与断层岩相互作用的印记。汶川地震破裂带上的断层岩本身并不是汶川地震破裂的直接产物,而是多次地震破裂和间震期流体与断层带相互作用的综合结果。此外,还探讨了地震破裂能、地震破裂扩展、围陷波形成及解释的问题。     

汶川地震断层岩气体和液体渗透率实验研究

以N2和水为孔隙流体在20-180 MPa围压范围内详细测量了汶川地震断裂带断层岩的渗透率,并同时测量了作为参照的砂岩的渗透率.实验结果表明,气体和液体渗透率均随围压增加而幂次衰减.在相同围压和孔隙压条件下,N2渗透率高于水渗透率接近1个数量级.将Klinkenberg效应校正后的气体渗透率（绝对渗透率）与水渗透率进行了比较.对比结果显示,砂岩的绝对渗透率与水渗透率基本一致;但断层岩绝对渗透率显著高于水渗透率,表明断层岩气体渗透率与水渗透率之差别不能完全由Klinkenberg效应解释.对实验数据的拟合分析表明,滑脱因子b值与绝对渗透率kl存在幂律关系（b=λkld）.断层岩符合b=0.2×10–3kl–0.557关系（R2=0.998）,显示绝对渗透率在10^–16-10^–20 m2范围内,控制断层岩渗透率的因素是一致的.另一方面,断层岩的d值明显小于砂岩的d值,暗示二者的滑脱效应存在差异.分析表明,断层岩中的粘土矿物颗粒表面吸附水及粘土矿物吸水膨胀导致有效孔隙尺寸减小是造成断层岩渗透率显著低于绝对渗透率的主要原因.研究结果显示,对于富含粘土矿物的断层岩,经Klinkenberg校正后的气体渗透率与水渗透率并不一致,因此采用相应的液体作为测量介质才能够更为准确和真实地揭示地下流体的渗流状况.     

水库蓄水与断层带流体孔隙压时-空分布的数值模拟——以紫坪铺水库为例

通过对汶川地震破裂带上的断层岩及围岩的渗透率测量,获得了研究区岩石的渗透率随深度变化的规律。依据所得到的渗透率实验数据,数值模拟了紫坪铺水库蓄水所产生的流体孔隙压的时空分布。模拟结果显示,渗透率是否随深度变化,其流体孔隙压的模拟结果也相差很大。由于断层带具有高渗的特点,因此与水库底部存在水力联系的断层带及其宽度对流体渗透的模拟结果有明显的影响。断层带越宽,下渗作用越明显,流体孔隙压的分布与断层带的产状越接近。若断层带宽度为100~300m,2008年汶川MS8.0地震发生时,其震源区的流体孔隙压为0.1~0.15MPa,与库体载荷在断层面上产生的附加正应力相当。该模拟结果可以作为进一步分析汶川地震的发生是否与紫坪铺水库蓄水存在关联的重要约束。     

汶川地震断裂带水岩相互作用及其对断裂带演化影响

汶川地震断层岩的矿物学和地球化学特征揭示出地震断层经历了漫长时间演化和复杂的水岩相互作用.间震期水岩相互作用导致断层岩中的破碎矿物蚀变,尤其是长石等矿物含量渐渐减少甚至消失,而黏土矿物（蒙脱石、伊利石、伊/蒙混层、绿泥石等）含量逐渐增高,以及如黄铁矿、石膏、重晶石、坡缕石等热液系统中常见的矿物大量出现;Mg、P、Ti、Mn、Fe等元素倾向富集在断层带中,而Si、K和Na等出现明显的亏损;元素的大量迁移导致断层带的体积巨量亏损.实验结果表明,黏土矿物的亲水性引起水渗透率比干燥气体渗透率明显偏低,并且二者偏差无法通过Klinkenberg校正消除.蒙脱石吸水膨胀和黏土矿物颗粒表面吸附孔隙流体造成孔隙度降低是导致水渗透率偏低的重要原因.断层岩碎屑结构使得其中的孔隙可能在600 MPa围压下得以保存,从而有助于流体沿断层带下渗,并在断层带深部形成高流体孔隙压.地震断层的主要矿物学及粒度分布特征并非在地震破裂过程中形成,因此利用断层岩粒度分布资料估算地震破裂能并不合适.     

断层岩气体渗透率及Klinkenberg效应

在围压2~40MPa变化范围内,以恒流法多次变化上游压力测量了以断层岩为主的样品的气体(N2)渗透率,将实验结果进行了Klinkenberg效应校正。对实验数据的拟合分析表明,滑脱因子b值与绝对渗透率kl存在b=λkl-d形式的幂律关系,断层岩符合b=0.004 6kl-0.476的变化关系。与沉积岩相比,断层岩的气体滑脱效应更强,采用气体测量渗透率时,其滑脱效应不能忽略。断层岩气体渗透率和绝对渗透率与测量所用的孔隙压力间的关系为kg/kl=1+(0.009 2kl-0.476)/(Pu+Pd)。结果表明样品渗透率越低,滑脱效应越强,提高孔隙压力,滑脱效应逐渐减小;对于高渗(10-15m2~10-18m2)的样品,高孔隙压力下(4MPa以上)的气体渗透率与绝对渗透率基本一致,对于超低渗(10-22m2~10-20m2)的样品,即使提高孔隙压力亦很难避免滑脱效应。在40MPa有效压力下断层泥样品的绝对渗透率为4.54×10-19m2~2.43×10-17m2,角砾岩的绝对渗透率较断层泥高出1~2个数量级,为2.25×10-17m2~7.94×10-16m2,表明汶川地震断层带具有核部低、破碎带高的渗透结构,断层带核部具备热压作用发生所要求的低渗条件。