流体孔隙压和断层面的摩擦生热

本文认真分析了地震破裂期间热迁移和流体流动对断层面热、水文学和力学响应的影响。采用数学模拟方法解释热、流体压力和应力场的耦合。结果表明,在地震期间,破裂面受热而达到孔隙流体热膨胀所需要的温度,热膨胀可抵消因流体流动产生的流体损失率和因孔隙膨胀产生的流体容积变化。这种条件一旦确立,孔隙流体增压和剪切强度迅速降低到足以将孔隙流体的热增压维持在岩石静压力值附近。如果初始流体压力是静水压力,那么破裂面上达到的最终温度将随深度而增加,这是因为达到接近岩石静压力值以前能够发生比较大的温度上升。热增压的速率主要取决于周围多孔介质的水力学特点、断层面的摩擦系数和滑动速度。如果渗透率超过10(-15)米~2,或多孔介质的压缩率超过10(-8)/帕,那么热增压起重大作用以前断层面上可能会发生摩擦熔融。如果摩擦系数低于10(-1);并且滑动速度低于10(-2)米/秒,那么在地震期间断层面上的热增压或摩擦熔融是否能引起断层动力剪切强度的降低尚不能确定。     

地震研究中的断层流体动力学问题

流体在断裂带地震周期中具有重要作用。 在地震流体研究中, 该文建议在如下几个方面加强研究力度: ① 断层渗透结构和断裂带古水文地质旋回的研究; ② 断裂带流体循环的尺度效应; ③ 流体分布、 循环与构造展布关系; ④ 断裂带深浅部流体关系研究。 在断层流体动力学研究中, 建议就某一发震断裂带开展系统研究, 并优先解决以下问题: ① 断裂带流体的起源和成分; ② 产生和维持高孔隙压力的构造环境和水文地质条件; ③ 断裂带及邻近岩体流体运移及重新分布的机制; ④ 取得断裂带孔隙压力变化的数量知识; ⑤ 垂直方向和水平方向流体孔隙压力变化范围; ⑥ 地震周期中流体迁移与孔隙压变化规律。     

考虑渗流作用的土坝地震反应分析

引入比奥固结理论采用流体-固体完全耦合的方法,考虑了孔隙水流动对坝体的孔隙水压力、应力及变形的影响,并用FLAC对土坝分别进行了耦合与非耦合数值模拟,对比结果表明考虑孔隙水流动时坝体水平变形量和竖向变形量都有所增大而孔隙水压力和有效应力的变化趋势取决于所在坝体的位置;对于地震时间较长,土层较薄,渗透系数较大的坝体需考虑孔隙水的流动。     

复杂天然断裂带流体流动数值模拟:对天然及人工诱发地震起始的意义

活动断层系统中的孔隙流体超压会驱动流体流动,并最终导致断层强度降低和地震活动。由不同破裂模式(例如,脆性与韧性)引起的变形会影响断层带的渗透率,从而影响流体流动和孔隙流体压力分布。当前的数值模拟技术主要针对流体流动对断层再活化以及相关地震活动的控制作用。然而在地震起始阶段,对于孔隙流体压力是否影响从慢速无震断层滑动到快速地震断层滑动过渡的过程,仍然知之甚少。本文中,我们对天然断层中的超压状态下超临界CO_2流体的流动进行模拟,断层中的流体流动、流体压力和岩体变形之间复杂的非线性关系控制着地震起始的长度和地震间隔周期的持续时间。我们的模型基于意大利北部亚平宁山脉最近的地震活动[例如,1997～1998年科尔菲奥里托(Colfiorito)M_W6.0地震和2016年诺尔恰M_W6.5地震]进行设置。我们对达西(Darcy)流体流动模拟的结果表明,在将实际复杂断层带构造、孔隙压力和岩石变形相关渗透率三个因素同时考虑在内时,起始阶段的持续时间可以减少几个数量级。特别地,起始阶段的持续时间可以从10年以上减少到几天,甚至是几分钟,而地震矩可减少6倍。值得注意的是,在本研究中,通过地震起始模拟获得的无震滑移地震矩(M_0=10~9N·m),与使用应变计进行局部应变测量的检测极限数量级相同。这些发现对于地震早期预警系统具有重要意义,因为地震起始阶段的持续时间和力矩将影响地震前兆信号探测的可能性。有趣的是,在最近的一些大地震之前的几个月,已经测量到了无震滑移,尽管这些地震的构造背景与本文所构建的模型有所不同,但这也重新引起了我们对地震起始的兴趣。此外,我们的结果对于短期和长期地震预报也具有重要意义,因为在地震间隔期间地壳流体的迁移可能会控制断层强度和地震重现期。     

地震触发、震群与余震活动过程中的孔隙压力作用

国际上对地震过程中孔隙压力作用的研究已成为认识和理解地壳流体作用的关键科学问题.普遍认为,孔隙压力作用是地震触发和影响震群与余震活动过程的重要因素之一.许多地震震源附近存在着低波速、高泊松比的异常区域,通常认为该区域赋存流体,存在高孔隙压力.     

断层带流体对断层强度和强震孕育的影响

大量研究表明,流体在断层弱化中起着非常重要的作用.在地壳浅部脆性域,自由水通过流体孔隙压力减小断层有效正压力,从而降低断层摩擦强度;在地壳深部,矿物中的微量结构水弱化岩石流变强度.另外,流体-岩石相互作用等化学过程,如长石水解反应,对断层强度的影响也非常显著.断层深部流体通过物理作用与化学作用影响着岩石的变形机制,从而影响断层力学性质与地震孕育和发生.断层内部流体孔隙压力周期性变化是断层带脆-塑性转化、裂缝张开与愈合等的直接体现,这种变化控制着断层强度与强震周期性发生现象.     

水库诱发地震时空演化与库水加卸载及渗透过程的关系 ——以紫坪铺水库为例

为了解水库蓄水过程中,水库诱发地震活动的动态响应机制,本文建立了针对水库诱发地震(Reservoir-induced seismicity,RIS)定量化研究的数理模型,并以紫坪铺水库为例,对库区地质构造及水文地质结构条件、水库蓄水后库区小震活动时空演化特征进行了详细的研究.在此基础上,利用有限元方法计算了水库蓄水过程中弹性附加应力场、有效附加应力场、孔隙压力和断层稳定性的动态变化,讨论了RIS时空演化与库水加卸载及渗透过程的动态响应关系.结果表明:(1) RIS诱发机制的定量化模型可分为2个层次:一是以孔隙介质为载体的流体渗流对岩体变形和稳定性的影响,由流-固耦合形式的岩体变形与孔隙渗流模型进行描述;二是对断层相关的RIS定量研究可将水库附加水头压力沿断层面(区)的扩散与断层库仑应力变化联系起来.两种形式模型方法的结合能为RIS定量研究提供一个相对宏观的力学框架;(2) 断裂渗透结构对孔隙压力变化下断裂的力学响应具有重要的影响,研究区主干断裂可能属于一种上盘破碎带导水、下盘地层及断层核阻水的"下阻上导型"的渗透结构类型,不同程度的具有使地表水体向深部渗流的通道性.库区深部岩体渗透稳定性的差异在很大程度上导致了诱发地震活动对岩性条件的依赖.(3) 紫坪铺水库蓄水后,小震活动在空间分布上呈现出条带状分布、丛集分布和地震迁移的特点,小震震源深度优势分布在地下4~10 km范围内,在通济场断裂与安县-灌县断裂的深部汇聚区域震源分布最为密集.同时,小震活动主要集中发生在脆性程度高、渗透稳定性低的碳酸盐岩地层中,而在岩性较软弱、渗透稳定性高的三叠系须家河组砂泥岩和煤系地层中很少有地震发生.在水库蓄水后地震活动的时间响应特征上,水库西南侧和东北侧两个丛集区的小震活动可能属于"快速响应型"RIS,而都江堰小震群活动可能属于"滞后响应型"诱发地震活动;(4) RIS的发生与库水加卸载及渗透过程中库底岩体有效应力的变化密切相关.在以挤压为主的构造应力环境中,库体荷载作用的结果一般会使库底断层更趋向稳定,而水库附加水头压力扩散的效应则是促使断层趋向失稳,正是这个矛盾双方相互制约与平衡的动态过程,控制了断层库仑应力变化的取向,从而决定了RIS时空演化的规律.     

地质变化过程内孔隙压力在形变中的作用

水可以存在于地壳中很深的部位。由于水的可压缩性很小,再加上毛细作用,水就在含水孔隙中造成流体压力,从而改变了岩体中的应力状态。而岩石的形变性质和流体的形变性质有明显的差别,所以流体压力所造成的应力场的改变以及流动的地下水的动态性质所造成的流体压力的连续变化,都对地质体系的形变特点起着不可忽视的影响。从油、气、水及地热资源的开发,地震的成因及控制,用土壤及岩石来支撑工程建筑,地壳对电波及机械波的响应,热液矿床的形成等许多方面来说,了解流体渗透的地质体系的形变特点显然都是重要的。各行业中的科学家和工程师都力求对支配     

龙滩水库库区地震活动与水位的互相关分析及孔隙压力扩散系数估算

对广西壮族自治区龙滩水库库区2013年3月1日至2019年10月31日的地震数目与水位进行互相关计算，得到了地震活动对库区蓄水响应的延迟时间为37天，并通过替代数据检验确认了其可靠性。37天的延迟时间说明在水位达到峰值后地震活动开始快速增强，可能暗示着现阶段库水流体作用的影响主要局限在库区内。根据延迟时间和地震深度分布，以及周期性边界条件下孔隙压力扩散方程的解，在不考虑孔隙压力扩散与应力耦合时得到孔隙压力扩散系数D=(8.66±4.11) m²/s；在考虑孔隙压力扩散与应力耦合时得到扩散系数D=(1.72±0.82) m²/s。后者在物理上更为合理，说明现阶段孔隙压力扩散与应力耦合可能是诱发龙滩库区水库地震的主要因素。     

龙门山断裂脆塑性转化带内花岗岩的流体特征与裂缝愈合的实验模拟研究

汶川Mw7.9级大地震的发震断层具有高角度逆冲滑动特征.通过对高角度逆断层滑动的力学条件的分析表明,龙门山断裂深部可能存在高孔隙流体压力有利于断层的失稳滑动.利用现有的技术手段无法获得中地壳深度断层内的流体特征.龙门山断裂带是一条逆冲推覆的构造带,这使得地质历史早期的龙门山断裂深部的彭灌杂岩体抬升到地表,并保留了当时的深部流体特征和变形特征.研究地表露头的变形花岗岩能够推断过去的龙门山地区的深部环境,从而了解过去该地区的深部强震孕育机理,这能够帮助理解现今龙门山地区类似汶川地震的强震的发生机理.     

由金矿床证明的地震期间的瞬态蒸发

世界上大部分已探明的黄金源自于一系列石英脉。这些石英脉是在约30亿年前造山运动期间从沿深大地震活动断层流动的大量水中沉淀而成1-3。石英脉是在地震期间6的震荡压力下形成的4,5,但是其压力震荡的幅度以及对矿床形成的影响尚不清楚。在此我们用一个简单的热动力学活塞模型,模拟计算在地震期间充填流体的断层空穴所经历的流体压力下降。模型的几何形态由典型断层割阶的大小限定,如在西澳大利亚的雷文奇(Revenge)金矿床7以及世界其他金矿中的断层割阶。我们发现空穴的扩张会引起割阶中封闭流体压力的急剧下降,从而膨胀为很低浓度的蒸汽。这种流体的瞬态蒸发作用导致了硅和一系列痕量元素同时迅速地沉淀,形成富金石英脉。随着瞬态蒸发作用的继续,更多流体流入新扩张形成的空穴,直至孔隙压力与环境压力一致。多次地震逐渐形成了达到工业品位的金矿。     

介观尺度孔隙流体流动作用对纵波传播特征的影响研究——以周期性层状孔隙介质为例

介观尺度孔隙流体流动是地震频段岩石表现出较强速度频散与衰减的主要作用.利用周期性层状孔隙介质模型,基于准静态孔弹性理论给出了模型中孔隙压力、孔隙流体相对运动速度以及固体骨架位移等物理量的数学解析表达式,同时利用Biot理论将其扩展至全频段条件下,克服了传统White模型中介质分界面处流体压力不连续的假设. 在此基础上对准静态与全频段下模型介质中孔隙压力、孔隙流体相对运动速度变化形式及其对弹性波传播特征的影响进行了讨论,为更有效理解介观尺度下流体流动耗散和频散机制提供物理依据.研究结果表明,低频条件下快纵波孔压在介质层内近于定值,慢纵波通过流体扩散改变总孔隙压力, 随频率的增加慢波所形成的流体扩散作用逐渐减弱致使介质中总孔压逐渐接近于快纵波孔压,在较高频率下孔压与应力的二次耦合作用使总孔压超过快纵波孔压.介质中孔隙流体相对运动速度与慢纵波形成的流体相对运动速度变化形式一致;随频率的增加孔隙流体逐渐从排水的弛豫状态过渡到非弛豫状态,其纵波速度-含水饱和度变化形式也从符合孔隙流体均匀分布模式过渡到斑块分布模式,同时介质在不同含水饱和度下的衰减峰值与慢纵波所形成的孔隙流体相对流动速度具有明显的相关性.     

地震断层带流体作用的岩石物理和地球化学响应研究综述

断层活动导致断裂带裂隙广泛发育,成为地壳中流体运移与聚集的有利通道和场所.流体在地震过程中具有重要作用.流体与地震破裂带内的岩石相互作用导致其具有与其他完整岩石不同的性质,包括矿物-化学组成、粒度分布及传输性质(渗透率、孔隙度)等.这些特性可以视为流体与地震断层带岩石相互作用的响应.一方面,较高的孔隙流体压力导致断层的有效正应力降低.另一方面,流体会与断层岩发生一系列水-岩反应导致矿物蚀变、分解,生成大量摩擦系数较低的粘土矿物,同时一些不稳定元素可能会随流体发生迁移,导致大量物质流失.在地震周期过程中,伴随着流体运移,断层带的物理性质(渗透性、流体压力等)也随之发生变化.同震快速摩擦生热会导致流体产生热压作用,促进同震滑动.另外,同震破裂导致断层带的渗透性快速上升,较高的流体压力会很快释放.在间震期过程中流体会使破裂趋向于缓慢变形,矿物溶解-沉淀、重结晶及压溶等作用胶结并愈合裂隙,断层强度恢复的同时断层带渗透性逐渐降低,孔隙压力又逐渐积累.研究流体的这些物理化学行为对理解地震成核、同震滑动及震后断层愈合等过程有重要意义.本文介绍了有关流体对断层带物理化学性质的改造及流体的动力学意义等方面的研究进展,总结了流体在地震周期过程中所产生的一系列岩石物理化学效应及其对地震过程的影响.     

引潮力作用下饱和地质岩体的力学响应

本文应用孔隙弹性理论,探讨了引潮力作用下饱和地质岩体的力学响应.首先通过引潮力作用下饱和岩体的自由能表达式,得到岩体孔压与应力、应力与应变之间的关系;然后从引潮力作用下饱和岩体的平衡微分方程出发,结合流-固耦合理论,分析了饱水岩体应变与引潮位之间的关系;最后推导出饱和岩体的两大力学物理量--孔压和潮汐应力(平均应力)与引潮位之间的物理关系.模型表明:饱和岩体孔压与引潮位成反比,平均潮汐应力与引潮位成正比;比例系数不仅与岩体骨架的Lame系数有关,而且与Biot模量有关.将模型应用于会理川-18井水位变化分析,估计出水位响应系数D,并以此为基础,求得岩体孔压、潮汐应力与引潮位的相关系数(A和C)及Skempton系数B.最后对比分析了耦合条件下与不考虑耦合时得到的各参数之间的差异,分析表明:对饱和地质岩体而言,应力、孔压对引潮力的响应是流-固耦合作用的产物;研究其力学响应时必须充分考虑耦合效应.模型的建立,为研究引潮力作用下井-承压含水层系统力学、水动力学、与地震有关的断层力学以及引潮力触发机制的定量研究提供了基础.     

圣安德烈斯断层中是否存在高孔隙压力

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.     

龙滩水库诱发地震三维孔隙弹性有限元数值模拟

本文以龙滩水库为例,根据库区地质构造、深部速度结构及数字地面高程,建立了库区三维有限元模型,基于孔隙弹性理论计算了水库蓄水过程中库底断层和围岩体孔隙压力、有效附加正应力、剪应力和库伦应力的动态变化,并结合水库蓄水后库区地震活动时空分布的特征,讨论了RIS时空演化与库水加卸载及渗透过程的动态响应关系及其可能的成因机制.结果表明：（1） 龙滩水库蓄水后地震活动呈现出明显的丛集性,主要分布在罗妥（丛Ⅰ）、八茂（丛Ⅱ）、拉浪（丛Ⅲ）、坝首（丛Ⅳ）和布柳河（丛Ⅴ）5个水库蓄水后淹没的深水区,这些区域也恰恰是库水加卸载及渗透过程中ΔCFS增加最明显的区域,而ΔCFS的影区几乎没有地震发生,表明水库蓄水后库区地震活动与ΔCFS的变化密切相关.（2） 在水库蓄水过程中,与水库有直接水力联系且渗透性较好的断裂成为地表水体附加水头压力向深部扩散的优势通道,沿此通道附加水头压力扩散的最大深度达13 km左右,震旦系-古生界以碳酸盐岩为主的地层成为附加水头压力扩散的主体层位,这与蓄水后库区中、小地震震源深度均小于13 km,且优势分布在5~10 km的特征相吻合,表明由于孔隙压力的存在降低了岩石的抗剪强度,同时部分抵消了围压的影响,致使该层位的岩体易于产生脆性破坏从而诱发地震活动.（3） 无论是深部还是浅部,各丛地震密集发生的时段绝大部分与相应深度ΔCFS加速升高或阶段性高值时段相重叠,可能说明在库水位快速抬升或阶段性高值时段,受外部荷载加载速率快速升高的影响,库底岩体和断层、裂隙等结构面更容易实现失稳扩展;深、浅部地震响应时间、活动频度和强度的差异可能与不同层位岩体力学性质及渗透性能的不均匀性有关.（4） 各丛地震诱发的物理力学机制有所不同.丛Ⅰ、丛Ⅱ、丛Ⅲ地震的诱发可能与库体重力荷载、孔隙压力扩散和库水浸润弱化3种作用都有关;丛Ⅳ地震的诱发主要受控于库体重力荷载作用,孔隙压力扩散和库水浸润弱化不起主导作用;丛Ⅴ地震的诱发主要受孔隙压力扩散和库水浸润弱化作用的影响,库体重力荷载作用一定程度上抑制了地震的发生.     

2008年MS6.1攀枝花地震震源区多参数结构成像及发震机制研究

通过联合反演123,053个P、Pn、Pg震相和100,176个S、Sn、Sg震相数据,获得了2008年M_S6.1攀枝花地震震源及其周边区域的高分辨率三维纵、横波速度(V_P,V_S)和泊松比(σ)图像.结合研究区域地壳应力数据综合分析发现,攀枝花地震发生在高-低纵、横波速度转换带,并且在震源下方存在一显著的低V_S和高σ异常体延伸至下地壳.本研究认为,该构造特征主要是由于西侧坚硬的川滇菱形块体对来自深部流体或熔融物质具有一定的阻挡作用,绝大部分流体或熔融物质通过断裂带向东南侧的块体内部迁移,造成断裂带两侧块体的岩石物理属性差异较大所致.研究结果表明,攀枝花地震发生在剪切应力较强的元谋—绿汁江断裂带上,震源下方的流体或部分熔融物质被挤入至震源的断层或裂隙中,增加了震源区岩石的流体应力,降低了横波速度(V_S)、增加了岩石的泊松比(σ).我们推测,流体侵入在攀枝花地震形成上扮演了重要角色,来自于青藏高原下地壳的大量的流体或部分熔融物质被挤入震源区岩体的断层或裂缝中,这一过程增加了震源区的孔隙流体压力、减弱岩石的机械强度,同时岩石的静摩擦力增加,导致容易引起岩体脆性形变,从而诱发地震.     

水域隧道地震响应分析

本文基于Biot动力固结理论和弹性动力学理论,考虑海床（土壤）的两相性、黏弹性人工边界及流（水）-固耦合作用,建立了隧道-土-流体相互作用的力学模型,讨论了P波作用下有无水的情况以及水深、水域隧道埋深、海床土性质和地震波入射角等因素对隧道及其周围海床应力的影响。结果表明:隧道周围海床土的孔隙水压力和隧道内应力随着水深的增加而增加;地震波特性和海床土特性对隧道的内应力和海床土的孔隙水压力均有较大的影响;海床土的渗透性和隧道埋深对隧道的内应力影响较小,而对隧道周围海床土的孔隙水压力影响较大;地震动的入射角对隧道的内应力和隧道附近土层的孔隙水压力均有较大影响。      

地震前热异常机理多物理场耦合数值模拟初步研究

地震的孕育和异常的产生是多物理场相互作用相互影响的过程,其中应力场、渗流场和热场是其中最重要的物理场.岩石变形与热效应导致流体孔隙压力和渗透特性的改变;流-固传热和岩石变形生热引起温度变化;热应力与流体孔隙压力变化影响岩石变形.     

利用统计地震模型从地震活动参数中获得流体信号

根据众所周知的库伦破裂准则,应力或孔隙压力的变化都会导致地震破裂。余震活动一般认为是地震应力变化引起的,它服从大森定律。而地震群则认为是通过地下流体侵入岩层所致。应力触发可以通过在地壳单独构建三维弹力应变模型分析,而地震引起的地下流体流动情况必须通过空隙压力变化和地震之间相互作用应力场的改变这样复杂的地震活动图像研究。我们看到ETAS模型是从复杂地震活动图像获得最初流体信号的一种适当工具。我们主要分析2000年发生在欧洲中部的波西米亚西北部Vogtland地区的大地震群。通过拟合随机的传染型余震序列模型(ETAS)我们发现应力触发在创建观测地震活动图像和解释观测事件破碎时间分布时起支配性作用。外力在直接触发引起地震活动中起到的作用是很有限的,这种外力被认为是由于流体入侵导致孔隙压力变化而产生的。然而时间上的反褶积表明显著的流体信号源于地震群。这些结果已被我们的仿真模型模拟研究证实,在这个研究中,流体侵入和应力在三维弹性半空间中沿断层面转移时触发地震。基于ETAS模型的反褶积过程能够揭示地下孔隙压力变化。