采自汶川地震斷層帶樣品滲透性的初步實驗研究

段慶寶 楊曉松 陳建業

（中國地震局地質研究所，地震動力學國家重點實驗室，北京 100029）

斷層帶被認為是深部流體的主要通道和流體活動最強的區段之一。近年來，地震斷層帶中流體活動及其效應倍受關注，其最主要原因是地震斷層流體活動與地震的孕育和發生似乎存在某種關聯，流體被認為是理解地震成核、發生和斷層擴展等過程的重要因素。利用地震動力學國家重點實驗室新研制的超低滲透率測量儀對汶川地震斷層帶的滲透性進行了初步實驗研究。實驗使用孔隙壓力振蕩法，在20～200 MPa圍壓，13～15 MPa孔隙壓條件下進行，孔隙介質為蒸餾水，儀器滲透率測量下限為10-22m2。實驗樣品采自映秀－北川斷裂帶在趙家溝和平溪村出露的兩個地表剖面。

實驗結果顯示，隨著有效壓力升高，滲透率下降，其下降幅度可達2～4個數量級（圖）。相比而言，斷層泥的滲透率隨壓力增高而下降的幅度較大，而圍巖下降幅度最小。在165 Mpa有效壓力下斷層泥和圍巖的滲透率極低，介于7.0×10-20～7.3×10-22m2之時，角礫巖帶的滲透率則高出2～3個數量級，介于5.7×10-17～2.3×10-19m2之時。對比加載和卸載圍壓過程中的滲透率發現，角礫巖及圍巖滲透率差別較小，而斷層泥的差別較大，即斷層泥的滲透率在卸載過程中很難恢復。研究表明滲透率κ隨有效壓力Pe變化符擬指數關系：κ=κ0exp(-γPe)，其中γ(MPa-1)為壓力敏感系數，Pe為有效壓力。對實驗結果進行了擬擬，γ值在0.01～0.05 MPa-1范圍內變化。進一步考察不同有效壓力區段（5～40 MPa和85～165 MPa）的γ值，其值分別介于0.03～0.08 MPa-1和0.01～0.03 MPa-1。另外，角礫巖及圍巖的γ值較小，介于0.01～0.02 MPa-1；斷層泥γ值較大，介于0.02～0.05 MPa-1。由于斷層泥是以基質支撐為主，故在圍壓增高初期，基質的壓實作用相對明顯；而角礫巖具有顆粒支撐結構，在圍壓增高時對流體通道起到一定的保護作用，故隨圍壓升高，滲透率下降相對緩慢。

同震熱壓作用對地震斷層的快速擴展可能有重要意義。地震過程中斷層摩擦生熱并導致礦物脫水和低滲透性是積累高壓流體的物質和物理條件。對斷層泥礦物成分的XRD分析表明，汶川地震斷層滑動帶存在明顯的同震伊利石化現象，暗示存在同震礦物脫水過程。依據汶川地震斷層巖的熱擴散系數和汶川地震持續時時參數，探討了汶川地震發生時能否形成同震熱壓作用的滲透率條件。計算表明，汶川地震斷層帶內形成高壓流體要求滲透率上限為1.6×10-19m2。因此，在大于4.5 km深度之下，汶川地震具備形成同震熱壓作用的條件。

圖1 滲透率測量結果