震后快速鉆探:歷史、現狀與未來

Emily E.Brodsky Kuo-FongMa Jim Mori Demian M.Saffer and the participants of the ICDP/SCEC International Workshop on Rap id Response FaultDrilling

引言

大地震發生后立即在斷層帶上進行鉆探可以幫助我們獲取更多的地震信息,尤其是可獲得決定斷層動態破裂的摩擦水平和強度,觀測斷層的愈合過程及可能觸發余震的應力變化,并可獲取控制破裂過程的重要的物理和化學屬性。在 2008年 11月由國際大陸科學鉆探項目 (ICDP)和南加州地震中心

(SCEC)聯合在日本東京舉辦的為期 3天的“震后快速鉆探:歷史、現狀與未來”研討會上,共有代表 10個國家的 44位科學家針對震后快速鉆探的科學和技術問題進行了深入的研討。會議梳理了震后快速鉆探可能解決的科學問題,主要議題包括震后快速鉆探和斷層帶鉆探所取得的主要成果、先進的經驗技術以及觀測策略,詳細探討了如何權衡震后快速鉆探與滿足多領域科學目標的能力之間的關系,并對適宜進行鉆探的場所進行了評估。本文概要性地介紹了會議探討的重點科學問題、觀測策略和建議,供大地震后快速鉆探項目立項參考,詳細的報告參見http:∥www.pm c.ucsc.edu/～rap id/。

1 科學動機

科學家一直在研究地震的物理過程以期能在一定程度上減輕地震災害。目前主要的研究成果包括大致勾畫出地震可能發生的區域,用地震波測定地震的大小和地點,模擬理想狀態下的斷層破裂和地面震動,還可設計出足以抵御近震的房屋等,這些成果已經為保護地震災害頻發區域中生存的上億人作出了直接的貢獻。

但是,要發揮更有效的減災作用,還需要許多與地下深部斷層的受力情況和演化進程相關的基礎數據。只有知道了斷層滑動過程中的應力分布特征,才有可能預測斷層的破裂時間和滑動量。對于地震后斷層如何演化以及變化后的斷層是否會再繼續造成地震等問題我們尚一無所知,甚至連最有預報前景的余震,我們也不了解其機理。科學家也一直在努力尋求一些特殊的地質特征來將孕震斷層與通過簡單蠕滑作用釋放應力的斷層區分開來。大地震發生后立即對斷裂進行監測,為填補這些認識上的空白提供了有利的機會。過去的兩年中,我們已經獲取了斷層變化的信息,通過斷層深鉆也推進了對地震物理特征的認識。具體來說,深鉆可能解決如下問題:

1.1 是什么控制了地震的大小?

當區域應力超過斷層本身的摩擦強度時,就會有地震發生,而當斷層的摩擦強度普遍較低或斷層大范圍內積累的應力較高時,則有大地震發生。相對而言,區域累積應變比較容易被監測到,而斷層的強度及其隨時間和滑動的變化特征則無法被直接觀測到。大地震往往伴隨著較大的位移和較高的滑動速度,雖然目前對斷層的摩擦強度及其變化知之甚少,但大地震發生時斷層的弱化現象卻非常顯著。要認識斷層的運動過程,必然首先要了解斷層摩擦強度的變化及其對地震的控制機理。

1.2 斷層是如何愈合并開始孕育下一次地震的?

在兩次地震之間,斷層的強度恢復得非常緩慢。地震后,雖然絕大部分的斷層恢復過程尚不可監測,但最近的研究表明,地震波速、地表變形、滲透率以及余震速率等這些間接參數均發生了快速的變化[1-2]。實驗室中則記錄到滑動之后出現的與速率-狀態相關的斷層愈合過程以及物理化學過程。盡管實驗室的斷層尺度與天然狀態有很大的差距[3-4],但直接的野外觀測資料將有助于進行更深入的實驗室模擬。

1.3 地震之間是如何相互作用的?

現有的數據顯示,近 80%的地震是被另外的地震事件觸發的[5],甚至有一部分的后續地震不論是震級還是破壞力都比前一個地震大。雖然余震是所有地震中最可能被預報出來的地震事件,但我們對于可激發下一個地震究竟是地震波的動態應力還是靜態應力尚一無所知。應力變化是如何在主震之后幾周甚至幾個月引發一個新的地震的?認識地震觸發機理是實現地震預報的重要一步。

1.4 發震斷層有哪些物性和化學特征?

最近在活斷層上的鉆探表明,流體、礦物和變形構造均可以影響斷層的行為[3,6-7],某些特殊的物性組合可能會導致斷層發生周期性的快速滑動,而非漸變性的蠕動[8]。在斷層上取樣并測量,將有助于分析是何種物性的組合最終導致了大破裂的發生。而如在震后的斷層愈合過程中發生了地震,新的表面破裂區可能發生快速化學作用,進而破壞已有的滑動痕跡,因此在破裂帶上的取樣越快越好。

2 解決方案:觀測什么?為什么?

為了研究斷層的摩擦、愈合、相互作用以及成核過程,需要對熱、應力、地質構造、摩擦特征、滲透性、地震波速、流體化學以及區域地面運動進行觀測。

2.1 溫度測量

穿過斷層做若干個溫度剖面是定量研究同震摩擦的最直接方法[9]。由于大部分的摩擦阻力轉換為熱,因此地震時斷層上任何的溫度增加都可以用于斷層滑動中摩擦生熱的累積量測量。為測定地震的摩擦水平,應在地震后盡快測量發震斷層的溫度,而斷層深部剪應力比較大、足以產生可觀測到的溫度異常的區域是進行溫度測量的首選地點,其中剪應力是有效正應力與有效摩擦系數的函數 (圖 1)。在進行鉆孔溫度數據分析時,還必須考慮震后流體的平流作用對溫度觀測的影響[10]。Fulton等[11]利用多個二維數值模型模擬了瞬時流體與熱流,結果顯示,熱增壓或剪切擠壓等作用導致斷層局部孔隙壓力增大,由此被擠出斷層的流體直接影響了斷層上的溫度變化。這些模擬結果表明,如果真的存在高滲透等平流作用,那么盡管摩擦熱異常的形態可能受到影響,這種異常也將在兩年左右的時間中消失殆盡。另外,采用重復測井的方式監視熱異常隨時間的變化則有可能將摩擦熱信號與因水壓變化導致的平流作用分開。

2.2 直接應力測量

直接觀測斷層的絕對應力可以定量地給出斷層的強度。震后快速鉆探時通過在不同深度獲取三維應力的方向與大小則可以給出斷層破裂時的應力變化。盡管估算三維應力的大小和方向比較困難,但通過密度測井可以估算垂向應力,通過泄漏試驗、小型預壓裂測試及水壓致裂試驗等可以估算最小水平應力,通過斷裂寬度可以估算最大水平應力[12]。利用非彈性應變恢復法 (ASR)分析巖芯也可給出互補的應力數據[13]。震后鉆探得越晚,就越難獲得應力數據。

圖 1 當擴散率α取 10-6 m 2·s-1時滑動量為 5 m的逆沖型地震產生的摩擦溫度異常[11]。(a)鉆孔深度為 1 km時的溫度異常。圖中曲線是有效摩擦系數為 0.6和0.1時的摩擦熱,分別代表強度較大和較小的斷層。實線和虛線分別表示震后 1年和 2年的摩擦熱異常。垂直虛線為假設可以被探測到的最低溫度變化,即0.2℃。(b)鉆孔深度為 2 km時的溫度異常。(c)曲線為可以觀測到 0.2℃溫度異常的最小鉆孔深度,頂部直線表示不同斷裂上鉆孔的深度和完鉆時間

2.3 巖芯地質分析

巖芯的微尺度構造中保留了斷層活動與摩擦損耗的詳細信息,例如假玄武巖玻璃就是斷層滑動初期具有高摩擦系數的直接證據,因為這類物質是巖石在高溫下熔融產生的。根據熔融組份和母巖的滲透率就可以推斷地震中被熔融物質浸染的斷層面具有較低的摩擦系數。巖芯中微尺度的構造還可用于認識斷層泥流化的動力學特征以及流變特征[14]。如果在巖芯發現了假玄武巖玻璃或流化痕跡,就需要通過實驗手段分析熔融物的流變特征或粒子流。顆粒的尺度也包含了擴散過程的關鍵信息。在物質開裂和表面生成過程中吸收的能量不會因摩擦等被消耗掉。用地層微電阻率掃描成像測井 (FMI)和鉆頭電阻率測井 (RAB)等井內成像方法測定鉆孔和巖芯中裂隙的密度,則可以估算包括主滑動面在內的能量損耗。因此,巖芯中的微構造反映了斷層的摩擦特征。斷層帶上的礦物會在斷層愈合過程中發生快速的變化,因而需要在震后盡快取樣 (圖 2)。

圖 2 科林斯巖芯滑動面上的擦痕

2.4 實驗室測量

多數的斷層摩擦工作是基于室內巖石有限速度滑動實驗進行的。但是天然環境中斷層的礦物特性、顆粒分布、水文環境以及破裂構造等都使區域摩擦特性變得非常復雜。在實驗室可通過精確控制有效應力和滑動條件來模擬實驗材料的可觀測應力,此外,直接的實驗室摩擦測量還可采用大型巖體來逼近真實的斷層環境。為了解在地震中何種物理機制具有相對較強的控制能力,必須采集到帶有摩擦痕跡的斷層泥,并將實驗室結果與溫度測量和巖芯應力測量結果對比。巖芯斷層泥高速實驗顯示斷層在滑動過程中出現了明顯的弱化現象[15]。

2.5 地震波速測量

地震后斷層上的波速會有所降低[16]。噪聲互相關研究表明,2004年帕克菲爾德地震之后波速的變化與區域應變的緩慢衰減有關[1]。但目前尚不知道地震波速的變化僅僅是淺表現象還是由于斷層流變引起的深部過程,因而深井觀測尤為重要。而震后時間越長,這種波速變化就越不明顯。在斷層上近場觀測地殼深部的垂向地震波速變化(VSPs)可能會捕捉到斷層的愈合過程,并得到強余震期內的彈性模量變化。在進行鉆孔觀測的同時,還應該在地表布設短周期地震儀并定期復測。

2.6 水文地質分析

熱或多孔彈性過程會導致斷層上的孔隙流體壓增高,而動態斷層弱化機制與孔隙壓的瞬時變化密切相關。斷層滲透性測量將有助于認識斷層的愈合進程。斷層中流體的受禁程度可以用于估算地震時的剪切應力以及下一次地震前的斷層閉鎖強度。另外,斷層的滲透性與斷層的破裂程度直接相關。

地震后斷層的滲透性很快就發生了變化[2]。孔隙壓增加可以使斷層有效正應力減小、剪切強度降低,因此孔隙壓的測量結果可用于估算斷層的靜摩擦強度[17]。圣安德烈斯斷層深部觀測鉆探 (SAFOD)[18]和臺灣車籠埔斷裂[19]鉆探顯示,鉆孔穿過的斷層帶并沒有處于過壓狀態,這表明用孔隙壓的長期衰減無法解釋這些斷層帶上觀測到的弱化現象。

2.7 流體化學分析

化學沉淀作用會導致裂隙消失和粘連,因此,參照破碎帶和斷層核心區域中角礫巖給出的時間序列,通過流體化學采樣可以為斷層的愈合過程建立物理-化學模型。現場還應進行實時的氣體和水文監測。

3 以往震后快速鉆探項目帶來的啟示

震后快速鉆探工作已經在日本的野島斷裂、臺灣地區的車籠埔斷裂進行過。未來還會有相關的項目不斷開展。此次會議的全文版報告中還提及了一些非地震后的斷層鉆探項目,如圣安德烈斯斷層深部觀測鉆探(SAFOD)項目、科林斯斷裂的埃永 (A igion)正斷層鉆探項目及南非地震天然實驗室實施的鉆探項目。

3.1 野島斷裂鉆探項目

1995年日本神戶地震 (MW6.9)后,全球首個震后快速鉆探項目在野島斷裂上開始實施,鉆孔附近地震造成的地表破裂為 1～2m。震后 14個月開始陸續完成了 7口深度為 500～1800m的鉆井。同時進行了標準測井、鉆孔電視 (BHTV)、成像測井 (FMI)、偶極橫波聲波成像 (DSI)等地球物理探測工作。在識別斷層帶和認識其他鉆井物理性質時還使用了電阻率、地震波速及多種成像技術。測井結果與斷層泥、碎屑巖等巖芯地質分析結果吻合[20]。標準測井過程中進行的溫度觀測精度較低,沒有捕捉到與摩擦熱有關的信號,但斷層附近發現了與摩擦熱有關的現象。

在斷裂帶上的花崗巖層連續取芯后發現其地質結構復雜。同時還發現地震活動周期與強烈的熱液蝕變有相伴關系[6,21-22],在地表 10 km以下深度形成的超級碎屑巖和假玄武玻璃與歷史上的 6～7級地震有關[23-24]。通過對巖芯進行水壓致裂試驗和應力測量,得到了區域應力場的方向[25-27],結果給出最大壓應力方向與斷層垂直,這說明斷層的靜摩擦系數較低。

為研究斷層滲透率的變化,還在1800m的鉆孔中重復進行了注水試驗。從地震發生后一年開始,多年多次對斷層注水以誘發小地震。誘發地震的位置和時間以及電阻率變化表明地震發生兩年后該地點的滲透率為10-16m2～10-14m2[28],此后三年,滲透率則減少了至少 50%[2]。

3.2 臺灣地區車籠埔斷裂鉆探項目

1999年臺灣地區發生的集集MW7.6地震在車籠埔斷裂造成了較大的地表破裂,地表可見破裂達 100 km,位移為 1～12m。較淺的斷層滑動為開展孕震斷裂鉆探提供了良好的機會。在地表破裂 12m的地方,臺灣車籠埔斷裂鉆探項目 (TCDP)于震后 65個月和73個月在逆沖斷層上鉆探完成了相距 40m、深度約 1 km的 2口鉆井。此前,震后 18個月時,在斷層的北側和南側分別完成了330m和 180m的淺鉆井各 1口[29]。

TCDP項目選定地震中地表破裂和地表滑動速率較大的大坑鎮研究地震能量補償和斷層滑動弱化現象[30]。對斷層巖芯的綜合分析顯示,此次地震造成的滑動位于 A號鉆孔 1111m和 B號鉆孔 1136m深處[7,31-35]。鉆探中發現的黑色斷層泥從其粘土礦物組成、具有明顯的各向異性結構以及不含有更新的微構造等方面可以確認是在此次地震中斷層面滑動生成的,而其中所含的細小顆粒則表明此地區在地震中釋放了較多的破裂能[7]。

在滑動量較大的斷層北側對深井和淺井均進行了溫度測量[10,29],均發現了斷層附近有較低水平的殘余熱,推測局部摩擦系數較低,約為 0.1～0.2(圖 3)。在溫度觀測受到了水流和熱擴散的影響,但這也從另外一個角度說明了震后快速鉆探測溫的重要性。

圖 3 臺灣鉆孔中觀測到的溫度異常及其與最大摩擦系數的關系[10]

H irono等[36]采用非破壞性方法研究了巖芯的物理特征。鉆孔A中發現的主滑動帶上出現了粘土碎屑以及異常的粒子尺度分布,這說明摩擦產生的熱量以及熱增壓造成了斷層泥液化[37-38]。磁化系數異常[39-40]、粘土礦物組份[31,41]、巖石化學特性[42-43]和斷層泥注入[44,38]等分析均證實了鉆探中發現的主滑動帶是集集地震造成的,和歷史地震產生的滑動帶一樣,局部溫度曾達到 900℃,且均出現了熱增壓和液化現象[42]。流體的循環似乎只局限在車籠埔斷裂上,但在地震帶和破壞區中起到控制作用的是分解-擴散-沉積過程產生的熱變化和同震變形[38]。

跨鉆孔的注水實驗顯示,斷層的滲透率為 10-16m2～10-18m2,實時監測數據表明斷層處于過壓狀態[19]。淺孔巖芯樣品的實驗室分析則表明,斷層北側的滲透率比南側低一個數量級[15]。

TCDP項目在采用軟巖石進行摩擦實驗并進一步分析滑動弱化過程等方面廣泛地引起了國際地學界的關注。研究表明,主滑動帶構造及地殼厚度有明顯的橫向變化,而斷層泥中的粘土和礦物在同震滑動的弱化過程中發揮了重要的作用。成像測井 (FMI)和偶極橫波聲波成像 (DSI)測井也顯示,主滑動帶附近應力方向發生了變化,這表明最大水平主應力與最小水平主應力方向交換時斷層上應力降最大[45]。

3.3 中國汶川斷裂科學鉆探項目

本次研討會期間,也就是 2008年 5月12日中國四川發生 MW7.9級地震后的第178天,汶川斷裂科學鉆探項目即付實施。這是目前震后鉆探實施最快的一個項目,計劃在汶川地區穿過斷層帶完成 4口深鉆。

4 地震鉆探項目推薦方案

震后鉆探關鍵之處在于快。本次會議力圖制定一個類似藍圖的規劃以供將來的快速鉆探項目參照。所有的參與者均認識到現實工作中可能會遇到各種難題,且沒有發生地震時無論什么樣的設計均無法涵蓋可能出現的細節。但仔細探討震后快速鉆探可能解決哪些科學問題,或許可以為震后快速實施鉆探工程提供一些有益的參考。

震后快速鉆探項目適于在造成地表 1m以上滑動的大陸型地震后進行,以期能在鉆探可及的深度上獲取因較大滑動而造成的地球物理和地質異常。具體多大的地震后可實施快速鉆探項目視科學目標而定。在大陸上每隔 2～3年就會發生造成地表滑動超過1m的 7級以上地震,例如 1992年的蘭德斯地震、1999年的伊茲米特地震、1999年赫克托礦地震、2002年德納里 (Denali)地震都比較適宜進行震后快速鉆探,當然還有 1995年神戶地震、1999年集集地震和 2008年汶川地震。比較適宜進行震后快速鉆探的國家包括中國、伊朗、日本、新西蘭、土耳其和美國。有部分國家已經開始在斷層帶上進行鉆探,這將大大利于未來可能進行的震后快速鉆探項目的實施。

地震鉆探項目的主要目的是研究地震能量補償和斷層帶活動過程。首先,應該選擇已知的和相對簡單的斷層和地質構造,因為在單一的主斷層比在斷裂系更容易獲取地震學資料。其次,應該在地震反演和地表變形數據給出的斷層上同震位移較大的地區鉆探,因為地表位移量大于 1m時能捕獲到摩擦信息。理想狀態下,鉆探應盡量接近或達到地震成核的深度,并將科學問題鎖定在摩擦、增溫及地震相互作用等方面。第三,盡量獲取結晶巖石,因為與沉積巖相比,結晶巖的滲透率較低且帶有更多的摩擦信息,另外,松散沉積物也不利于對孕震斷層進行深入研究。第四,應盡量選擇傾向斷層,以便垂直鉆孔可以高角度穿過斷層面。最后,鉆探地點最好選擇在有地震觀測臺和 GPS觀測臺的地區以便獲取充足的地震信息。

為有效利用井內空間并避免相互干擾,在設計鉆探計劃時還應對綜合鉆孔測量和井中觀測系統做好規劃。為在時間和空間上盡量實現眾多科學目標,還應注意觀測次序,優選觀測手段,例如盡量采用對井孔擾動較小的應力測試和水壓實驗,或者僅在某一段上進行某種實驗。在現場觀測時,溫度測量、地震觀測、應力觀測、水壓試驗、流體采樣等在時間上或空間上都可能發生沖突。

圖 4 快速鉆探方案示例

圖 4是一個現場如何觀測避免沖突的例子。設計中主要考慮的因素是用最小的鉆探深度獲取有意義的摩擦熱信息、探測到儀器精度可識別的信號以及與用平均剪應力和滑動總量推算出的熱異常量級相當的熱信號。上述學術目標與鉆探時間總時長是需要均衡考慮的。在震后 6～12個月鉆進 2 km對于觀測熱過程非常有利,雖然鉆孔越深越好,但時間和經費均會隨著深度增加而呈指數增加。上述深度也正好適于地球物理觀測設備的安置。圖中的案例是以孔深2 km、距地面1750m處穿過斷層而設計的。該設計的各項細節可以根據目標深度而調整。

5 建議

此次研討會的主要建議是,大陸地區發生地表位移超過 1m的地震之后,在有條件的地區應盡快實施鉆探工作。鉆探的優選地點是具有明顯地質特征的傾向斷層上的結晶巖體。鉆探應在震后 6個月內開始,鉆探深度至少應達 2 km。為實現此目標,與會學者建議 ICDP和其他相關學術組織進行如下工作。

5.1 對 ICDP的建議

(1)ICDP應成立斷層鉆探分委員會。

(2)形成震后快速鉆探的評價與資助機制。

(3)斷層鉆探項目中增加應對大地震的臨時項目。

(4)在新成立的鉆探分委員會指導下,建立各主要斷裂的鉆探數據資料庫。相關資料包括已經完成和正在進行的鉆孔信息、地震與大地形變測量信息及古地震信息,以及已完成井孔的地球物理測井信息。

(5)配備應急組合工具,包括樣品庫、鉆孔設備及特殊的井下工具等。

(6)對適于深井熱環境觀測的傳感器的研發和改進予以資助。

5.2 對其他學術組織的建議

(1)各國和地區均應制定針對區域特征的鉆探計劃。事先擁有斷層帶附近詳實的地質學和地球物理學背景資料對于震后快速鉆探的選址非常重要。

(2)在可能發生大地震的地區開展地震學和地質學研究,并對已有鉆孔進行測井。這些基礎資料將有助于震后資料分析。

致謝

本次研討會受到國際大陸科學鉆探項目、南加州地震中心、加州大學圣克魯茲分校及東京大學的大力支持,特此感謝。感謝Emily Brodsky教授為本刊提供了原稿。

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