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(fā)生后立即在斷層帶上進(jìn)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(dòng)態(tài)破裂的摩擦水平和強(qiáng)度,觀測(cè)斷層的愈合過程及可能觸發(fā)余震的應(yīng)力變化,并可獲取控制破裂過程的重要的物理和化學(xué)屬性。在 2008年 11月由國(guó)際大陸科學(xué)鉆探項(xiàng)目 (ICDP)和南加州地震中心

(SCEC)聯(lián)合在日本東京舉辦的為期 3天的“震后快速鉆探:歷史、現(xiàn)狀與未來”研討會(huì)上,共有代表 10個(gè)國(guó)家的 44位科學(xué)家針對(duì)震后快速鉆探的科學(xué)和技術(shù)問題進(jìn)行了深入的研討。會(huì)議梳理了震后快速鉆探可能解決的科學(xué)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(jìn)的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)以及觀測(cè)策略,詳細(xì)探討了如何權(quán)衡震后快速鉆探與滿足多領(lǐng)域科學(xué)目標(biāo)的能力之間的關(guān)系,并對(duì)適宜進(jìn)行鉆探的場(chǎng)所進(jìn)行了評(píng)估。本文概要性地介紹了會(huì)議探討的重點(diǎn)科學(xué)問題、觀測(cè)策略和建議,供大地震后快速鉆探項(xiàng)目立項(xiàng)參考,詳細(xì)的報(bào)告參見http:∥www.pm c.ucsc.edu/～rap id/。

1 科學(xué)動(dòng)機(jī)

科學(xué)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(zāi)害。目前主要的研究成果包括大致勾畫出地震可能發(fā)生的區(qū)域,用地震波測(cè)定地震的大小和地點(diǎn),模擬理想狀態(tài)下的斷層破裂和地面震動(dòng),還可設(shè)計(jì)出足以抵御近震的房屋等,這些成果已經(jīng)為保護(hù)地震災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域中生存的上億人作出了直接的貢獻(xiàn)。

但是,要發(fā)揮更有效的減災(zāi)作用,還需要許多與地下深部斷層的受力情況和演化進(jìn)程相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。只有知道了斷層滑動(dòng)過程中的應(yīng)力分布特征,才有可能預(yù)測(cè)斷層的破裂時(shí)間和滑動(dòng)量。對(duì)于地震后斷層如何演化以及變化后的斷層是否會(huì)再繼續(xù)造成地震等問題我們尚一無所知,甚至連最有預(yù)報(bào)前景的余震,我們也不了解其機(jī)理?？茖W(xué)家也一直在努力尋求一些特殊的地質(zhì)特征來將孕震斷層與通過簡(jiǎn)單蠕滑作用釋放應(yīng)力的斷層區(qū)分開來。大地震發(fā)生后立即對(duì)斷裂進(jìn)行監(jiān)測(cè),為填補(bǔ)這些認(rèn)識(shí)上的空白提供了有利的機(jī)會(huì)。過去的兩年中,我們已經(jīng)獲取了斷層變化的信息,通過斷層深鉆也推進(jìn)了對(duì)地震物理特征的認(rèn)識(shí)。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(dāng)區(qū)域應(yīng)力超過斷層本身的摩擦強(qiáng)度時(shí),就會(huì)有地震發(fā)生,而當(dāng)斷層的摩擦強(qiáng)度普遍較低或斷層大范圍內(nèi)積累的應(yīng)力較高時(shí),則有大地震發(fā)生。相對(duì)而言,區(qū)域累積應(yīng)變比較容易被監(jiān)測(cè)到,而斷層的強(qiáng)度及其隨時(shí)間和滑動(dòng)的變化特征則無法被直接觀測(cè)到。大地震往往伴隨著較大的位移和較高的滑動(dòng)速度,雖然目前對(duì)斷層的摩擦強(qiáng)度及其變化知之甚少,但大地震發(fā)生時(shí)斷層的弱化現(xiàn)象卻非常顯著。要認(rèn)識(shí)斷層的運(yùn)動(dòng)過程,必然首先要了解斷層摩擦強(qiáng)度的變化及其對(duì)地震的控制機(jī)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(qiáng)度恢復(fù)得非常緩慢。地震后,雖然絕大部分的斷層恢復(fù)過程尚不可監(jiān)測(cè),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(shù)均發(fā)生了快速的變化[1-2]。實(shí)驗(yàn)室中則記錄到滑動(dòng)之后出現(xiàn)的與速率-狀態(tài)相關(guān)的斷層愈合過程以及物理化學(xué)過程。盡管實(shí)驗(yàn)室的斷層尺度與天然狀態(tài)有很大的差距[3-4],但直接的野外觀測(cè)資料將有助于進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn)室模擬。

1.3 地震之間是如何相互作用的?

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)顯示,近 80%的地震是被另外的地震事件觸發(fā)的[5],甚至有一部分的后續(xù)地震不論是震級(jí)還是破壞力都比前一個(gè)地震大。雖然余震是所有地震中最可能被預(yù)報(bào)出來的地震事件,但我們對(duì)于可激發(fā)下一個(gè)地震究竟是地震波的動(dòng)態(tài)應(yīng)力還是靜態(tài)應(yīng)力尚一無所知。應(yīng)力變化是如何在主震之后幾周甚至幾個(gè)月引發(fā)一個(gè)新的地震的?認(rèn)識(shí)地震觸發(fā)機(jī)理是實(shí)現(xiàn)地震預(yù)報(bào)的重要一步。

1.4 發(fā)震斷層有哪些物性和化學(xué)特征?

最近在活斷層上的鉆探表明,流體、礦物和變形構(gòu)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(huì)導(dǎo)致斷層發(fā)生周期性的快速滑動(dòng),而非漸變性的蠕動(dòng)[8]。在斷層上取樣并測(cè)量,將有助于分析是何種物性的組合最終導(dǎo)致了大破裂的發(fā)生。而如在震后的斷層愈合過程中發(fā)生了地震,新的表面破裂區(qū)可能發(fā)生快速化學(xué)作用,進(jìn)而破壞已有的滑動(dòng)痕跡,因此在破裂帶上的取樣越快越好。

2 解決方案:觀測(cè)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(duì)熱、應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造、摩擦特征、滲透性、地震波速、流體化學(xué)以及區(qū)域地面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)。

2.1 溫度測(cè)量

穿過斷層做若干個(gè)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(zhuǎn)換為熱,因此地震時(shí)斷層上任何的溫度增加都可以用于斷層滑動(dòng)中摩擦生熱的累積量測(cè)量。為測(cè)定地震的摩擦水平,應(yīng)在地震后盡快測(cè)量發(fā)震斷層的溫度,而斷層深部剪應(yīng)力比較大、足以產(chǎn)生可觀測(cè)到的溫度異常的區(qū)域是進(jìn)行溫度測(cè)量的首選地點(diǎn),其中剪應(yīng)力是有效正應(yīng)力與有效摩擦系數(shù)的函數(shù) (圖 1)。在進(jìn)行鉆孔溫度數(shù)據(jù)分析時(shí),還必須考慮震后流體的平流作用對(duì)溫度觀測(cè)的影響[10]。Fulton等[11]利用多個(gè)二維數(shù)值模型模擬了瞬時(shí)流體與熱流,結(jié)果顯示,熱增壓或剪切擠壓等作用導(dǎo)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(jié)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(tài)可能受到影響,這種異常也將在兩年左右的時(shí)間中消失殆盡。另外,采用重復(fù)測(cè)井的方式監(jiān)視熱異常隨時(shí)間的變化則有可能將摩擦熱信號(hào)與因水壓變化導(dǎo)致的平流作用分開。

2.2 直接應(yīng)力測(cè)量

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

圖 1 當(dāng)擴(kuò)散率α取 10-6 m 2·s-1時(shí)滑動(dòng)量為 5 m的逆沖型地震產(chǎn)生的摩擦溫度異常[11]。(a)鉆孔深度為 1 km時(shí)的溫度異常。圖中曲線是有效摩擦系數(shù)為 0.6和0.1時(shí)的摩擦熱,分別代表強(qiáng)度較大和較小的斷層。實(shí)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(shè)可以被探測(cè)到的最低溫度變化,即0.2℃。(b)鉆孔深度為 2 km時(shí)的溫度異常。(c)曲線為可以觀測(cè)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(shí)間

2.3 巖芯地質(zhì)分析

巖芯的微尺度構(gòu)造中保留了斷層活動(dòng)與摩擦損耗的詳細(xì)信息,例如假玄武巖玻璃就是斷層滑動(dòng)初期具有高摩擦系數(shù)的直接證據(jù),因?yàn)檫@類物質(zhì)是巖石在高溫下熔融產(chǎn)生的。根據(jù)熔融組份和母巖的滲透率就可以推斷地震中被熔融物質(zhì)浸染的斷層面具有較低的摩擦系數(shù)。巖芯中微尺度的構(gòu)造還可用于認(rèn)識(shí)斷層泥流化的動(dòng)力學(xué)特征以及流變特征[14]。如果在巖芯發(fā)現(xiàn)了假玄武巖玻璃或流化痕跡,就需要通過實(shí)驗(yàn)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(kuò)散過程的關(guān)鍵信息。在物質(zhì)開裂和表面生成過程中吸收的能量不會(huì)因摩擦等被消耗掉。用地層微電阻率掃描成像測(cè)井 (FMI)和鉆頭電阻率測(cè)井 (RAB)等井內(nèi)成像方法測(cè)定鉆孔和巖芯中裂隙的密度,則可以估算包括主滑動(dòng)面在內(nèi)的能量損耗。因此,巖芯中的微構(gòu)造反映了斷層的摩擦特征。斷層帶上的礦物會(huì)在斷層愈合過程中發(fā)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(dòng)面上的擦痕

2.4 實(shí)驗(yàn)室測(cè)量

多數(shù)的斷層摩擦工作是基于室內(nèi)巖石有限速度滑動(dòng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的。但是天然環(huán)境中斷層的礦物特性、顆粒分布、水文環(huán)境以及破裂構(gòu)造等都使區(qū)域摩擦特性變得非常復(fù)雜。在實(shí)驗(yàn)室可通過精確控制有效應(yīng)力和滑動(dòng)條件來模擬實(shí)驗(yàn)材料的可觀測(cè)應(yīng)力,此外,直接的實(shí)驗(yàn)室摩擦測(cè)量還可采用大型巖體來逼近真實(shí)的斷層環(huán)境。為了解在地震中何種物理機(jī)制具有相對(duì)較強(qiáng)的控制能力,必須采集到帶有摩擦痕跡的斷層泥,并將實(shí)驗(yàn)室結(jié)果與溫度測(cè)量和巖芯應(yīng)力測(cè)量結(jié)果對(duì)比。巖芯斷層泥高速實(shí)驗(yàn)顯示斷層在滑動(dòng)過程中出現(xiàn)了明顯的弱化現(xiàn)象[15]。

2.5 地震波速測(cè)量

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

2.6 水文地質(zhì)分析

熱或多孔彈性過程會(huì)導(dǎo)致斷層上的孔隙流體壓增高,而動(dòng)態(tài)斷層弱化機(jī)制與孔隙壓的瞬時(shí)變化密切相關(guān)。斷層滲透性測(cè)量將有助于認(rèn)識(shí)斷層的愈合進(jìn)程。斷層中流體的受禁程度可以用于估算地震時(shí)的剪切應(yīng)力以及下一次地震前的斷層閉鎖強(qiáng)度。另外,斷層的滲透性與斷層的破裂程度直接相關(guān)。

地震后斷層的滲透性很快就發(fā)生了變化[2]?？紫秹涸黾涌梢允箶鄬佑行д龖?yīng)力減小、剪切強(qiáng)度降低,因此孔隙壓的測(cè)量結(jié)果可用于估算斷層的靜摩擦強(qiáng)度[17]。圣安德烈斯斷層深部觀測(cè)鉆探 (SAFOD)[18]和臺(tái)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(tài),這表明用孔隙壓的長(zhǎng)期衰減無法解釋這些斷層帶上觀測(cè)到的弱化現(xiàn)象。

2.7 流體化學(xué)分析

化學(xué)沉淀作用會(huì)導(dǎo)致裂隙消失和粘連,因此,參照破碎帶和斷層核心區(qū)域中角礫巖給出的時(shí)間序列,通過流體化學(xué)采樣可以為斷層的愈合過程建立物理-化學(xué)模型。現(xiàn)場(chǎng)還應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的氣體和水文監(jiān)測(cè)。

3 以往震后快速鉆探項(xiàng)目帶來的啟示

震后快速鉆探工作已經(jīng)在日本的野島斷裂、臺(tái)灣地區(qū)的車籠埔斷裂進(jìn)行過。未來還會(huì)有相關(guān)的項(xiàng)目不斷開展。此次會(huì)議的全文版報(bào)告中還提及了一些非地震后的斷層鉆探項(xiàng)目,如圣安德烈斯斷層深部觀測(cè)鉆探(SAFOD)項(xiàng)目、科林斯斷裂的埃永 (A igion)正斷層鉆探項(xiàng)目及南非地震天然實(shí)驗(yàn)室實(shí)施的鉆探項(xiàng)目。

3.1 野島斷裂鉆探項(xiàng)目

1995年日本神戶地震 (MW6.9)后,全球首個(gè)震后快速鉆探項(xiàng)目在野島斷裂上開始實(shí)施,鉆孔附近地震造成的地表破裂為 1～2m。震后 14個(gè)月開始陸續(xù)完成了 7口深度為 500～1800m的鉆井。同時(shí)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)測(cè)井、鉆孔電視 (BHTV)、成像測(cè)井 (FMI)、偶極橫波聲波成像 (DSI)等地球物理探測(cè)工作。在識(shí)別斷層帶和認(rèn)識(shí)其他鉆井物理性質(zhì)時(shí)還使用了電阻率、地震波速及多種成像技術(shù)。測(cè)井結(jié)果與斷層泥、碎屑巖等巖芯地質(zhì)分析結(jié)果吻合[20]。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)井過程中進(jìn)行的溫度觀測(cè)精度較低,沒有捕捉到與摩擦熱有關(guān)的信號(hào),但斷層附近發(fā)現(xiàn)了與摩擦熱有關(guān)的現(xiàn)象。

在斷裂帶上的花崗巖層連續(xù)取芯后發(fā)現(xiàn)其地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)地震活動(dòng)周期與強(qiáng)烈的熱液蝕變有相伴關(guān)系[6,21-22],在地表 10 km以下深度形成的超級(jí)碎屑巖和假玄武玻璃與歷史上的 6～7級(jí)地震有關(guān)[23-24]。通過對(duì)巖芯進(jìn)行水壓致裂試驗(yàn)和應(yīng)力測(cè)量,得到了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的方向[25-27],結(jié)果給出最大壓應(yīng)力方向與斷層垂直,這說明斷層的靜摩擦系數(shù)較低。

為研究斷層滲透率的變化,還在1800m的鉆孔中重復(fù)進(jìn)行了注水試驗(yàn)。從地震發(fā)生后一年開始,多年多次對(duì)斷層注水以誘發(fā)小地震。誘發(fā)地震的位置和時(shí)間以及電阻率變化表明地震發(fā)生兩年后該地點(diǎn)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(tái)灣地區(qū)車籠埔斷裂鉆探項(xiàng)目

1999年臺(tái)灣地區(qū)發(fā)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(dá) 100 km,位移為 1～12m。較淺的斷層滑動(dòng)為開展孕震斷裂鉆探提供了良好的機(jī)會(huì)。在地表破裂 12m的地方,臺(tái)灣車籠埔斷裂鉆探項(xiàng)目 (TCDP)于震后 65個(gè)月和73個(gè)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(gè)月時(shí),在斷層的北側(cè)和南側(cè)分別完成了330m和 180m的淺鉆井各 1口[29]。

TCDP項(xiàng)目選定地震中地表破裂和地表滑動(dòng)速率較大的大坑鎮(zhèn)研究地震能量補(bǔ)償和斷層滑動(dòng)弱化現(xiàn)象[30]。對(duì)斷層巖芯的綜合分析顯示,此次地震造成的滑動(dòng)位于 A號(hào)鉆孔 1111m和 B號(hào)鉆孔 1136m深處[7,31-35]。鉆探中發(fā)現(xiàn)的黑色斷層泥從其粘土礦物組成、具有明顯的各向異性結(jié)構(gòu)以及不含有更新的微構(gòu)造等方面可以確認(rèn)是在此次地震中斷層面滑動(dòng)生成的,而其中所含的細(xì)小顆粒則表明此地區(qū)在地震中釋放了較多的破裂能[7]。

在滑動(dòng)量較大的斷層北側(cè)對(duì)深井和淺井均進(jìn)行了溫度測(cè)量[10,29],均發(fā)現(xiàn)了斷層附近有較低水平的殘余熱,推測(cè)局部摩擦系數(shù)較低,約為 0.1～0.2(圖 3)。在溫度觀測(cè)受到了水流和熱擴(kuò)散的影響,但這也從另外一個(gè)角度說明了震后快速鉆探測(cè)溫的重要性。

圖 3 臺(tái)灣鉆孔中觀測(cè)到的溫度異常及其與最大摩擦系數(shù)的關(guān)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(fā)現(xiàn)的主滑動(dòng)帶上出現(xiàn)了粘土碎屑以及異常的粒子尺度分布,這說明摩擦產(chǎn)生的熱量以及熱增壓造成了斷層泥液化[37-38]。磁化系數(shù)異常[39-40]、粘土礦物組份[31,41]、巖石化學(xué)特性[42-43]和斷層泥注入[44,38]等分析均證實(shí)了鉆探中發(fā)現(xiàn)的主滑動(dòng)帶是集集地震造成的,和歷史地震產(chǎn)生的滑動(dòng)帶一樣,局部溫度曾達(dá)到 900℃,且均出現(xiàn)了熱增壓和液化現(xiàn)象[42]。流體的循環(huán)似乎只局限在車籠埔斷裂上,但在地震帶和破壞區(qū)中起到控制作用的是分解-擴(kuò)散-沉積過程產(chǎn)生的熱變化和同震變形[38]。

跨鉆孔的注水實(shí)驗(yàn)顯示,斷層的滲透率為 10-16m2～10-18m2,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明斷層處于過壓狀態(tài)[19]。淺孔巖芯樣品的實(shí)驗(yàn)室分析則表明,斷層北側(cè)的滲透率比南側(cè)低一個(gè)數(shù)量級(jí)[15]。

TCDP項(xiàng)目在采用軟巖石進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)并進(jìn)一步分析滑動(dòng)弱化過程等方面廣泛地引起了國(guó)際地學(xué)界的關(guān)注。研究表明,主滑動(dòng)帶構(gòu)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(dòng)的弱化過程中發(fā)揮了重要的作用。成像測(cè)井 (FMI)和偶極橫波聲波成像 (DSI)測(cè)井也顯示,主滑動(dòng)帶附近應(yīng)力方向發(fā)生了變化,這表明最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力方向交換時(shí)斷層上應(yīng)力降最大[45]。

3.3 中國(guó)汶川斷裂科學(xué)鉆探項(xiàng)目

本次研討會(huì)期間,也就是 2008年 5月12日中國(guó)四川發(fā)生 MW7.9級(jí)地震后的第178天,汶川斷裂科學(xué)鉆探項(xiàng)目即付實(shí)施。這是目前震后鉆探實(shí)施最快的一個(gè)項(xiàng)目,計(jì)劃在汶川地區(qū)穿過斷層帶完成 4口深鉆。

4 地震鉆探項(xiàng)目推薦方案

震后鉆探關(guān)鍵之處在于快。本次會(huì)議力圖制定一個(gè)類似藍(lán)圖的規(guī)劃以供將來的快速鉆探項(xiàng)目參照。所有的參與者均認(rèn)識(shí)到現(xiàn)實(shí)工作中可能會(huì)遇到各種難題,且沒有發(fā)生地震時(shí)無論什么樣的設(shè)計(jì)均無法涵蓋可能出現(xiàn)的細(xì)節(jié)。但仔細(xì)探討震后快速鉆探可能解決哪些科學(xué)問題,或許可以為震后快速實(shí)施鉆探工程提供一些有益的參考。

震后快速鉆探項(xiàng)目適于在造成地表 1m以上滑動(dòng)的大陸型地震后進(jìn)行,以期能在鉆探可及的深度上獲取因較大滑動(dòng)而造成的地球物理和地質(zhì)異常。具體多大的地震后可實(shí)施快速鉆探項(xiàng)目視科學(xué)目標(biāo)而定。在大陸上每隔 2～3年就會(huì)發(fā)生造成地表滑動(dòng)超過1m的 7級(jí)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(jìn)行震后快速鉆探,當(dāng)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(jìn)行震后快速鉆探的國(guó)家包括中國(guó)、伊朗、日本、新西蘭、土耳其和美國(guó)。有部分國(guó)家已經(jīng)開始在斷層帶上進(jìn)行鉆探,這將大大利于未來可能進(jìn)行的震后快速鉆探項(xiàng)目的實(shí)施。

地震鉆探項(xiàng)目的主要目的是研究地震能量補(bǔ)償和斷層帶活動(dòng)過程。首先,應(yīng)該選擇已知的和相對(duì)簡(jiǎn)單的斷層和地質(zhì)構(gòu)造,因?yàn)樵趩我坏闹鲾鄬颖仍跀嗔严蹈菀撰@取地震學(xué)資料。其次,應(yīng)該在地震反演和地表變形數(shù)據(jù)給出的斷層上同震位移較大的地區(qū)鉆探,因?yàn)榈乇砦灰屏看笥?1m時(shí)能捕獲到摩擦信息。理想狀態(tài)下,鉆探應(yīng)盡量接近或達(dá)到地震成核的深度,并將科學(xué)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(jié)晶巖石,因?yàn)榕c沉積巖相比,結(jié)晶巖的滲透率較低且?guī)в懈嗟哪Σ列畔?另外,松散沉積物也不利于對(duì)孕震斷層進(jìn)行深入研究。第四,應(yīng)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(diǎn)最好選擇在有地震觀測(cè)臺(tái)和 GPS觀測(cè)臺(tái)的地區(qū)以便獲取充足的地震信息。

為有效利用井內(nèi)空間并避免相互干擾,在設(shè)計(jì)鉆探計(jì)劃時(shí)還應(yīng)對(duì)綜合鉆孔測(cè)量和井中觀測(cè)系統(tǒng)做好規(guī)劃。為在時(shí)間和空間上盡量實(shí)現(xiàn)眾多科學(xué)目標(biāo),還應(yīng)注意觀測(cè)次序,優(yōu)選觀測(cè)手段,例如盡量采用對(duì)井孔擾動(dòng)較小的應(yīng)力測(cè)試和水壓實(shí)驗(yàn),或者僅在某一段上進(jìn)行某種實(shí)驗(yàn)。在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí),溫度測(cè)量、地震觀測(cè)、應(yīng)力觀測(cè)、水壓試驗(yàn)、流體采樣等在時(shí)間上或空間上都可能發(fā)生沖突。

圖 4 快速鉆探方案示例

圖 4是一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)如何觀測(cè)避免沖突的例子。設(shè)計(jì)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(cè)到儀器精度可識(shí)別的信號(hào)以及與用平均剪應(yīng)力和滑動(dòng)總量推算出的熱異常量級(jí)相當(dāng)?shù)臒嵝盘?hào)。上述學(xué)術(shù)目標(biāo)與鉆探時(shí)間總時(shí)長(zhǎng)是需要均衡考慮的。在震后 6～12個(gè)月鉆進(jìn) 2 km對(duì)于觀測(cè)熱過程非常有利,雖然鉆孔越深越好,但時(shí)間和經(jīng)費(fèi)均會(huì)隨著深度增加而呈指數(shù)增加。上述深度也正好適于地球物理觀測(cè)設(shè)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(shè)計(jì)的。該設(shè)計(jì)的各項(xiàng)細(xì)節(jié)可以根據(jù)目標(biāo)深度而調(diào)整。

5 建議

此次研討會(huì)的主要建議是,大陸地區(qū)發(fā)生地表位移超過 1m的地震之后,在有條件的地區(qū)應(yīng)盡快實(shí)施鉆探工作。鉆探的優(yōu)選地點(diǎn)是具有明顯地質(zhì)特征的傾向斷層上的結(jié)晶巖體。鉆探應(yīng)在震后 6個(gè)月內(nèi)開始,鉆探深度至少應(yīng)達(dá) 2 km。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo),與會(huì)學(xué)者建議 ICDP和其他相關(guān)學(xué)術(shù)組織進(jìn)行如下工作。

5.1 對(duì) ICDP的建議

(1)ICDP應(yīng)成立斷層鉆探分委員會(huì)。

(2)形成震后快速鉆探的評(píng)價(jià)與資助機(jī)制。

(3)斷層鉆探項(xiàng)目中增加應(yīng)對(duì)大地震的臨時(shí)項(xiàng)目。

(4)在新成立的鉆探分委員會(huì)指導(dǎo)下,建立各主要斷裂的鉆探數(shù)據(jù)資料庫(kù)。相關(guān)資料包括已經(jīng)完成和正在進(jìn)行的鉆孔信息、地震與大地形變測(cè)量信息及古地震信息,以及已完成井孔的地球物理測(cè)井信息。

(5)配備應(yīng)急組合工具,包括樣品庫(kù)、鉆孔設(shè)備及特殊的井下工具等。

(6)對(duì)適于深井熱環(huán)境觀測(cè)的傳感器的研發(fā)和改進(jìn)予以資助。

5.2 對(duì)其他學(xué)術(shù)組織的建議

(1)各國(guó)和地區(qū)均應(yīng)制定針對(duì)區(qū)域特征的鉆探計(jì)劃。事先擁有斷層帶附近詳實(shí)的地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)背景資料對(duì)于震后快速鉆探的選址非常重要。

(2)在可能發(fā)生大地震的地區(qū)開展地震學(xué)和地質(zhì)學(xué)研究,并對(duì)已有鉆孔進(jìn)行測(cè)井。這些基礎(chǔ)資料將有助于震后資料分析。

致謝

本次研討會(huì)受到國(guó)際大陸科學(xué)鉆探項(xiàng)目、南加州地震中心、加州大學(xué)圣克魯茲分校及東京大學(xué)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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