水庫誘發地震孕育與發生過程中超臨界流體作用的思考

胡先明 陳巨鵬

1）四川省地震局，成都 610041

2）四川遠光實業公司，成都 610213

水庫誘發地震作為一種因人類水利建設活動導致的地震，其地震機制多年來受到地震學界的廣泛研究，目前基本認為庫水滲漏降低斷裂帶巖石的摩擦阻力是導致發震的主要原因之一，而地震能量來源自于板塊運動的積累。筆者在對庫水滲漏可能到達的深度環境進行分析研究后，參考重力熱管的熱工原理，提出一種水庫與斷裂耦擬，受庫水影響地下水沿斷裂帶滲漏到超過水的臨界溫度條件下發生二級相變的一種熱抽運體制，導致淺部地溫升高形成大量水二級相變超壓，導致水封蓋地層破壞而發生地震的物理模型—水庫誘發地震的水二級相變孕震模型。

大陸板塊內部的地震，多發生在地殼中時層平10～25 km深度內是一個普遍事實，人們將大陸板塊內部震源相對集中的層平稱為“多震層”或“易震層”。水以礦物的結構水形式被帶入到15.5～25.1 km深度以下的巖石圈中；若礦物結構水完全脫出，在俯沖帶中水臨界溫度至礦物脫結構水的極限溫度相對應的區域內（如秦嶺15.5～64.0 km）；平平含水為0.5～1.0%。過渡帶和下地幔上部的水含量（質量分數）為1.48%，下地幔下部水含量（質量分數）為0.21%。筆者認為，從“多震層”和地下流體的存在狀態來考慮水庫誘發地震，據一些學者的研究可知在地殼和地幔中地下流體是富足的，有產生水二級相變的條件。

在近地表地溫特別高的火山活動區或張性深大斷裂附近可能存在水的一級相變，相變的方向是由高壓液態變為氣態，而在相對封閉的巖石圈中水只有二級相變而無一級相變。如今人們已經認識到，少量水的存在就可以深刻影響著巖石礦物和熔體的物理性質，例如可以使它們的粘度和強度降低，擴散速率和電導率提高，地震波衰減，以及液相擬溫度降低。這些影響表明了水在任何地質體系中都是最活躍的組分，對整個地球的演化和動力學有著巨大的意義。深部流體具有爆破作用。流體的壓力梯度越大，其爆破作用越強。與深部含流體層相交的斷層或隱伏斷層能給上涌流體提供通道，從而產生較大的流體壓力梯度，并容易發生地震。6722鈾礦床長英質隱爆碎屑（角礫）巖產出的地質條件及其分帶特征與我國地下核爆炸試驗的地質條件及其產生的地質效應在一定程度上可以對比。類比計算表明6722隱爆碎屑巖的形成伴隨著巨大能量（152 400噸TNT當量）的爆炸釋放。地下流體產生二級相變有地質動力產生，可能為水庫誘發地震帶來能量。

在巖石圈中若沒有斷裂的存在時則不可能同時達到水的臨界溫度和臨界壓力，不可能出現臨界奇異性。斷裂使壓力降至水的臨界壓力，使得在巖石圈中某處溫度和壓力可同時達到水的臨界值而出現奇異性，水的臨界奇異性和斷裂的耦擬導致熱壓劇增，可能觸發地震。流體對斷裂活動性的影響比較復雜，主要表現在水巖相互作用導致斷裂帶強度的變化以及水巖摩擦作用產生的熱應力等引起的流體壓力的變化對斷裂帶穩定性的影響，進而使斷裂帶失穩，引發地震。巖體結構在有水作用的情況下，其內部的小裂縫也有可能發展到一定規模，甚至威脅到結構的整體穩定性。實驗結果發現，在巖石主破裂前，不同類型試樣各點應變都出現趨勢性變化；除軟包體型試樣外，各點應變除趨勢性變化外，都出現應變突變。據此提出應變成核概念。眾多的潛在前兆之一就是該地區4～5級地震前的“成核”。“成核”指的是小地震密集發生，集結成4～5級地震。這樣，關鍵的問題就歸結為如何實時地識別“成核”。筆者認為，識別“成核”，重點關注特定水庫蓄水使得其下方可能出現的地下流體變化情況，對于水庫誘發地震研究，對于特定水庫可能誘發的最大震級，對于特定水庫蓄水后的水庫誘發地震監測預測，都是十分重要的。