胡先明，陳巨鵬

(1.四川省地震局，四川 成都 610041;2.四川遠(yuǎn)光實(shí)業(yè)公司，四川 成都 610213）

0 引言

近年來超臨界流體以其獨(dú)特性質(zhì)，作為溶劑和反應(yīng)介質(zhì)在許多領(lǐng)域有諸多應(yīng)用。從過去的固體地球觀向今后流體地球觀轉(zhuǎn)變的概念更新，建立整體地球科學(xué)必須找到一條邏輯串綱，這條主綱就是幔汁輻射[1]。借鑒多位研究者的工作結(jié)果，筆者根據(jù)對水庫誘發(fā)地震的思索，提出了一種新的水庫誘發(fā)地震孕震模型，指出在水庫蓄放水過程中，庫水可使得地下深部的流體達(dá)到形成水二級相變的條件，所產(chǎn)生的能量積聚起來，從而誘發(fā)水庫地震[2]。本文介紹在孕震模型研究中引用有關(guān)專家的部分成果，以及分析我國現(xiàn)有水庫建設(shè)狀況和水庫誘發(fā)地震情況，并結(jié)合四川省水庫建設(shè)和現(xiàn)狀提出思考。

1 流體二級相變孕震模型

水庫誘發(fā)地震作為一種因人類水利建設(shè)活動導(dǎo)致的地震，其地震機(jī)制多年來受到地震學(xué)界的廣泛研究，目前基本認(rèn)為庫水滲漏降低斷裂帶巖石的摩擦阻力是導(dǎo)致發(fā)震的主要原因之一，而地震能量來源自于板塊運(yùn)動的積累。在對庫水滲漏可能到達(dá)的深度環(huán)境進(jìn)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合，受庫水影響地下水沿?cái)嗔褞B漏到超過水的臨界溫度條件下發(fā)生二級相變的一種熱抽運(yùn)體制，導(dǎo)致淺部地溫升高形成大量水二級相變超壓，導(dǎo)致水封蓋地層破壞而發(fā)生地震的物理模型。該模型簡要表述為：水庫在斷裂帶蓄水，在庫水作用下地下水沿?cái)嗔褞Я严稘B透，在一定范圍內(nèi)形成水封蓋層；在地表水與斷裂耦合中心，地下流體向深部滲漏達(dá)到水的二級相變溫度的地溫區(qū)，引發(fā)超臨界對流循環(huán)，在對流的核部由低溫地下流體的持續(xù)流入形成低溫冷芯；持續(xù)的超臨界水對流循環(huán)將深部巖體熱帶到淺部與圍巖和液態(tài)水進(jìn)行熱交換，使大量的淺部液態(tài)水進(jìn)入臨界狀態(tài)形成喇叭體狀的 （擬）臨界溫區(qū)，最終隨水的二級相變超壓的持續(xù)升高，水封蓋地層破壞發(fā)生地震[2]。

2 地下流體富足的 “多震層”有產(chǎn)生二級相變的條件

大陸板塊內(nèi)部的地震，多發(fā)生在地殼中間層位10～25 km深度內(nèi)是一個普遍事實(shí)，人們將大陸板塊內(nèi)部震源相對集中的層位稱為 “多震層”或 “易震層”。筆者認(rèn)為，從 “多震層”和地下流體的存在狀態(tài)來考慮水庫誘發(fā)地震，據(jù)一些學(xué)者的研究可知在地殼和地幔中地下流體是富足的，有產(chǎn)生水二級相變的條件。

以15.5～25.1 km深度為界，在該深度以上的巖石圈淺部水是液態(tài)，而在該深度以下的巖石圈深部水是氣態(tài)；水以礦物的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)水完全脫出，在俯沖帶中水臨界溫度至礦物脫結(jié)構(gòu)水的極限溫度相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi) （如秦嶺15.5～64.0 km）；平均含水為0.5～1.0℅[3]。過渡帶和下地幔上部的水含量 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為1.48%，下地幔下部水含量 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.21%。據(jù)此，計(jì)算出的地幔各層圈的總水量表明，地幔水的74%以上存在于過渡帶和下地幔上部。將地?？偹亢同F(xiàn)代海洋總水量之和作為地球總水量，計(jì)算出現(xiàn)代海洋總水量約占全球總水量 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的6.6%，這個結(jié)果與根據(jù)地球的球粒隕石成分模型計(jì)算出的總水量 （6%）十分接近[4]。中地殼大致的深度是在15～25km范圍，各地的中地殼的深度相似。中地殼下部，經(jīng)常出現(xiàn)高導(dǎo)層，低速層[5]。這些因水所產(chǎn)生的高導(dǎo)低速帶的深度一般變化于15.5～20.4 km，這與大多數(shù)的高導(dǎo)低速帶的深度相當(dāng)，此時(shí)溫度遠(yuǎn)低于巖石的熔融溫度[6]。這種高導(dǎo)層也常是低速帶 （低速是由于臨界態(tài)流體的低密度引起）。巖層的電導(dǎo)率性質(zhì)隨深度變化，深度加大，使孔隙溶液進(jìn)入超臨界態(tài)時(shí)，電導(dǎo)率會下降[7]。實(shí)驗(yàn)和理論研究表明處于300℃～400℃流體具有高電導(dǎo)率性質(zhì)。這些水巖相互作用會使中地殼出現(xiàn)高導(dǎo)-低速層[8]。

地球深部流體主要是NaCl-H20溶液，越到地球深部，它賦存的溫度、壓力越高，性質(zhì)狀態(tài)也不斷變化，反之，亦然。當(dāng)NaCl-H20流體進(jìn)入和脫離 （上升過程）超臨界狀態(tài)時(shí)，其性質(zhì)會發(fā)生截然不同的變化，影響著各種地質(zhì)過程[9]。正是地幔流體 （更確切地說是HACONS超臨界態(tài)流體，簡稱幔汁）活動主宰了地球演化、地臺活化、歷次大地構(gòu)造運(yùn)動旋回 （包括地槽、地臺、裂谷、地體、板塊、造山、造陸、造海、造盆等）以及各種金屬、非金屬、煤、石油、天然氣等的形成和分布。地幔流體是通過幔殼潰變和地球排氣這兩大動力學(xué)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)上述過程的。可以說，沒有流體就不可能產(chǎn)生大地構(gòu)造作用；不可能形成巖漿、熱液及成礦作用；不可能有地臺活化和地球演化；不可能有水圈、氣圈和巖石圈的形成[1]。地幔流體能夠滲透到各造巖礦物顆粒間隙、漿胞、蝕變邊和晶體內(nèi)部超微裂隙之中[10]。用新的證據(jù)證明此富堿熱液來自深部堿型地幔流體。通過堿金屬地球化學(xué)這條綱把熱液作用和地幔流體作用串聯(lián)為深淺一個整體[11]。

被堿性玄武巖和金伯利巖帶到地表的地幔捕虜體是認(rèn)識地球深部信息的窗口，是人們能夠直接觀察到的一種上地幔樣品，其礦物中流體包裹體的存在提供了上地幔流體活動的直接證據(jù)[12]。水是硅酸鹽熔體中含量最豐富的流體，可以大量溶解在花崗質(zhì)熔漿中，因而深部流體可能來自于巖漿本身的溶解物[13]。山東夏甸金礦礦床成因一直有變質(zhì)熱液、巖漿熱液和天水之爭。經(jīng)過工作得知，還有幔源流體加入成礦，其主要證據(jù)有：招平深大斷裂帶存在，為幔源流體加入成礦提供了通道[14]。成礦流體經(jīng)歷了從高溫度、高鹽度向低溫度、低鹽度的持續(xù)演化過程，與成礦作用階段基本對應(yīng)，降溫、流體沸騰是導(dǎo)致流體中巨量銅元素卸載的主要因素。氫、氧同位素組成表明成礦流體以巖漿水為主，可能在成礦晚期混有少量大氣降水[15]。H.Kawakatsu介紹水在100 km以上的淺部從含水的洋殼中釋放出來，然后在俯沖板塊頂部形成含水的地幔物質(zhì)溝渠，這就是水進(jìn)入地幔深部的通道[16]。

3 地下流體產(chǎn)生二級相變有地質(zhì)動力產(chǎn)生

長時(shí)間內(nèi)人們把地球看成為一個固體星球，忽視流體在地球動力學(xué)中非常重要的作用[17]。地球內(nèi)部 （特別是深于上地殼）的流體均呈超臨界態(tài)存在，既不是水液，也不是巖漿，而是高壓縮高密度的極強(qiáng)還原性氣體 （例如H2、CO、CH4，和地表上的大氣成分截然不同）。地球排氣作用和哮喘就是在強(qiáng)大的溫度差、壓力差、粘度差、密度差驅(qū)動下高壓氣體自發(fā)反重力不均勻的向上輻射噴流。這當(dāng)然會對大氣、海洋、地震等災(zāi)害的孕育和發(fā)生產(chǎn)生不可忽視的影響[1]。把地球看成一個整體，提出以下五條地球內(nèi)動因基本規(guī)律：① Na、K被幔汁的帶入，乃是地幔和地殼中產(chǎn)生各種類型巖漿的關(guān)鍵要素；② Na、K堿交代作用是整個熱液作用中最重要的一個反應(yīng)機(jī)制；③ 大地構(gòu)造源于幔殼潰變 （是幔汁在起主要作用）；④在地球的演化上，地殼乃是地幔虧損 （depletion）部分的向上分化、搬家,地殼=原始地幔－虧損地幔；⑤ 地球深部的Na、K流 （即幔汁主體）是來自威力更大的地核氫 （H+、H、H2）流的萃取和驅(qū)動[18]。

中地殼的流體處于由亞臨界態(tài)進(jìn)入超臨界流體的演化過程，這時(shí)流體的性質(zhì)會有劇烈變化。這一變化會引起水/巖相互作用的反應(yīng)動力學(xué)漲落。流體性質(zhì)的突變和水巖相互作用漲落會導(dǎo)致中地殼巖層的許多性質(zhì)變化，硅酸鹽礦物格架的解體，巖石被淋失，巖層的崩塌[19]。這些事實(shí)暗示在巖石圈深部的水可能是等離子體，水在巖石圈中遷移時(shí)會發(fā)生相變[6]。在近地表地溫特別高的火山活動區(qū)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(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，而在相對封閉的巖石圈中水只有二級相變而無一級相變[20]。如今人們已經(jīng)認(rèn)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(zhì)，例如可以使它們的粘度和強(qiáng)度降低，擴(kuò)散速率和電導(dǎo)率提高，地震波衰減，以及液相線溫度降低。這些影響表明了水在任何地質(zhì)體系中都是最活躍的組分，對整個地球的演化和動力學(xué)有著巨大的意義[21]。事實(shí)上，溶質(zhì)在地質(zhì)介質(zhì)中的運(yùn)動除了受地下水中對流-彌散作用影響外，還受到地下水多組分系統(tǒng)中絡(luò)合作用、吸附-解吸作用、溶解-沉淀作用、氧化-還原作用和酸-堿作用的制約，僅考慮水動力因素或水化學(xué)因素的溶質(zhì)遷移模式都是片面的，都無法真實(shí)地反映客觀世界的真實(shí)情況，只有將兩者合理地耦合起來，才能進(jìn)一步揭示多孔介質(zhì)中溶質(zhì)的運(yùn)動規(guī)律[22]。

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(qiáng)。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(chǎn)生較大的流體壓力梯度，并容易發(fā)生地震[23]。6722鈾礦床長英質(zhì)隱爆碎屑 （角礫）巖產(chǎn)出的地質(zhì)條件及其分帶特征與我國地下核爆炸試驗(yàn)的地質(zhì)條件及其產(chǎn)生的地質(zhì)效應(yīng)在一定程度上可以對比。類比計(jì)算表明6722隱爆碎屑巖的形成伴隨著巨大能量 （152 400噸TNT當(dāng)量）的爆炸釋放[24]。較多的學(xué)者贊同Burnham提出的巖漿流體減壓爆發(fā)模式。這一模式認(rèn)為當(dāng)巖漿侵位上升到淺部時(shí)，其中所包含的流體組分（以H2O為主），由于外部壓力降低而發(fā)生二次沸騰，并由此引發(fā)隱爆作用[25]。推斷爆炸前的原生礦物是含水的鎂硅酸鹽和鎂鋁硅酸鹽礦物。當(dāng)這種高能級的超高壓含水礦物受地幔拄帶動超過 “水線” 時(shí)發(fā)生爆炸和放水作用，同時(shí)產(chǎn)生地震[26]。在相變臨界點(diǎn)時(shí)，由于逾滲集團(tuán)的存在促使系統(tǒng)關(guān)聯(lián)長度也趨于無窮大，即出現(xiàn)了長程關(guān)聯(lián)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基本孕震塊體的破裂就會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生宏觀突變[27]。

筆者認(rèn)為：地下流體產(chǎn)生二級相變有地質(zhì)動力產(chǎn)生，可能為水庫誘發(fā)地震帶來能量。

4 在深大斷裂附近可能發(fā)生地下流體二級相變引發(fā)的水庫誘發(fā)地震

構(gòu)造破裂型水庫地震的五項(xiàng)判據(jù)之一是：斷裂帶與庫水直接接觸，或通過次級旁側(cè)斷層、橫斷層等與庫水保持一定的水力聯(lián)系[28]。我國斷層破裂型水庫誘發(fā)地震庫區(qū)一般有區(qū)域性斷裂或者地區(qū)性斷裂通過，并且斷裂帶與水庫有水力聯(lián)系[29]。1974年，郭增建指出地殼深部的水可能還會起到引發(fā)地震的特殊作用，即為了積累巨大的應(yīng)力能，積累單元斷層面上摩擦力就必須較大，但摩擦力太大了是難以產(chǎn)生錯動而發(fā)震的，因之，如深部高壓高溫包裹水在大范圍構(gòu)造運(yùn)動的驅(qū)使下進(jìn)入應(yīng)力積累單元，使其斷面上摩擦力減小而發(fā)震。這個包裹水的進(jìn)入?yún)^(qū)實(shí)際上也是一個震源核。按照這種設(shè)想，則進(jìn)一步研究和觀察深部水的運(yùn)動是有助于實(shí)現(xiàn)地震預(yù)報(bào)的[30]。根據(jù)松潘-甘孜褶皺帶的深部地殼構(gòu)造特征表明：松潘-甘孜褶皺帶的茂縣 （1933年）、松潘-平武 （1976年）、汶川 （2008年）大地震震源深度與中地殼低速、高導(dǎo)層深度大體一致，可能成因上相關(guān)。歷史上一些大地震如銀川地震、海原地震、渭南地震、海城地震、唐山地震等也均與中地殼低速、高導(dǎo)層有關(guān)，這一切均可能與地球排氣作用有關(guān)[31]。當(dāng)深部斷層擴(kuò)展到近地表，并與其它斷層相交時(shí)，則會產(chǎn)生失穩(wěn)巖體，即一種被斷層流體切割的巖塊，其下部為含流體層，其四周為含流體的斷層，使巖體處于懸浮失穩(wěn)狀態(tài)。此巖體在重力和巖體間的水平力的作用下發(fā)生錯動是勢在必然的[23]。深部流體可以降低巖石的強(qiáng)度、熔點(diǎn)，可以傳輸熱能，改變礦物相變的溫壓條件，促進(jìn)地震的孕育和發(fā)生。當(dāng)?shù)刭|(zhì)體內(nèi)流體的壓力大于巖石抗壓強(qiáng)度時(shí)，可以直接導(dǎo)致地震發(fā)生[32]。對于熱液成礦作用而言，水的臨界奇異性的意義至少包括溶解度發(fā)生急劇變化和產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，這些變化可導(dǎo)致成礦物質(zhì)沉淀和斷裂的產(chǎn)生[20]。在巖石圈中若沒有斷裂的存在時(shí)則不可能同時(shí)達(dá)到水的臨界溫度和臨界壓力，不可能出現(xiàn)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(shí)達(dá)到水的臨界值而出現(xiàn)奇異性，水的臨界奇異性和斷裂的耦合導(dǎo)致熱壓劇增，可能觸發(fā)地震[33]。流體對斷裂活動性的影響比較復(fù)雜，主要表現(xiàn)在水巖相互作用導(dǎo)致斷裂帶強(qiáng)度的變化以及水巖摩擦作用產(chǎn)生的熱應(yīng)力等引起的流體壓力的變化對斷裂帶穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而使斷裂帶失穩(wěn)，引發(fā)地震[34]。巖體結(jié)構(gòu)在有水作用的情況下，其內(nèi)部的小裂縫也有可能發(fā)展到一定規(guī)模，甚至威脅到結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性[35]。

這些斷裂系統(tǒng)反映出增生楔上天然氣水合物的含氣流體的形成、運(yùn)移及聚集過程，成為天然氣水合物成藏的運(yùn)移通道[36]。這種上地殼和下地殼的地震活動性與地殼構(gòu)造之間的聯(lián)系使我們能對所有地震活動性提出一個通用的解釋，涉及到由于熱流體 （包括那些從下層熔融中稀出的）使得原本干燥的鐵鎂質(zhì)地殼周圍斷層的弱化。這種流體通常會成為大陸裂谷附近下地殼地震活動的重要起因[37]。隨著震源區(qū)附近裂隙中高能氣體的積聚，可對圍巖施加不斷增大的應(yīng)力，最后導(dǎo)致巖層斷裂錯動而形成地震。提出了不同條件下的震源模式及其力學(xué)模型，并從地面最大位移及形變分布規(guī)律等方面對此地震模式進(jìn)行了驗(yàn)證；討論P(yáng)波初動符號的分布；從能量方面進(jìn)一步驗(yàn)證了含超壓氣體裂隙震源模式[38～40]。水庫誘發(fā)地震易發(fā)生在斷裂帶及其附近；斷層穿過庫心正下方時(shí)大大增加誘震的危險(xiǎn)性；分級蓄水則可以減小誘發(fā)快速響應(yīng)型地震的可能性[41]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在巖石主破裂前，不同類型試樣各點(diǎn)應(yīng)變都出現(xiàn)趨勢性變化；除軟包體型試樣外，各點(diǎn)應(yīng)變除趨勢性變化外，都出現(xiàn)應(yīng)變突變。據(jù)此提出應(yīng)變成核概念[42]。眾多的潛在前兆之一就是該地區(qū)4～5級地震前的 “成核”?！俺珊恕敝傅氖切〉卣鹈芗l(fā)生，集結(jié)成4～5級地震。這樣，關(guān)鍵的問題就歸結(jié)為如何實(shí)時(shí)地識別 “成核”[43]。

筆者認(rèn)為，識別 “成核”，重點(diǎn)關(guān)注特定水庫蓄水使得其下方可能出現(xiàn)的地下流體變化情況，對于水庫誘發(fā)地震研究，對于特定水庫可能誘發(fā)的最大震級，對于特定水庫蓄水后的水庫誘發(fā)地震監(jiān)測預(yù)測，都是十分重要的。

5 結(jié)語

從目前的一些認(rèn)識來看整體上水庫誘發(fā)地震可能較小，但在天然地震活動相對較強(qiáng)的區(qū)域水庫誘發(fā)地震可能性是不容忽視的。國內(nèi)外有140余座水庫誘發(fā)了地震[44]?？傮w而言發(fā)生水庫誘發(fā)地震的總量和占水庫總數(shù)百分比都是不高的，這是基本事實(shí)。就筆者所在的四川省而言，由于地處青藏高原隆起的邊界部位，水庫誘發(fā)地震的次數(shù)和能量釋放明顯是偏高的。發(fā)生有一定程度輕微破壞的新店水庫4.2級水庫地震、銅街子水庫3.5級水庫地震和大橋水庫4.6級水庫地震[45]，紫坪鋪水庫在八角臺附近的汶川水磨發(fā)生2.5級水庫誘發(fā)震群[46]，二灘水庫發(fā)生2.2級水庫誘發(fā)震群[47]。分布于西南地區(qū)四川省的銅街子、大橋、紫坪鋪水庫處于地震活動背景較強(qiáng)的地區(qū)，地震基本烈度達(dá)到Ⅶ。對穿越庫區(qū)壩址周圍10 km范圍的區(qū)域性斷裂進(jìn)行搜索，有98座水庫的庫區(qū)和壩址10km范圍內(nèi)有區(qū)域性斷裂通過，但是誘發(fā)地震的水庫只有5座 （含銅街子、大橋、紫坪鋪水庫）[48]。

水庫地震的成因機(jī)制很復(fù)雜，至今并未解決。主要是由于目前對水庫地震源處所處巖層深部高溫高壓條件下，巖體性態(tài)和水體運(yùn)動規(guī)律的認(rèn)識還很不足。因此，還很難建立一個物理模型對這一復(fù)雜的過程進(jìn)行描述，主要只能以統(tǒng)計(jì)和類比方法探討其本質(zhì)規(guī)律[49]。在汲取已有的水庫誘發(fā)地震研究成果基礎(chǔ)上，筆者首先提出較為完整的水二級相變孕震而誘發(fā)水庫地震的理論，從本文介紹的孕震模型所引用參考資料來看，孕震模型可以得到比較多地質(zhì)資料的支持。筆者認(rèn)為：加強(qiáng)水庫誘發(fā)地震的研究，特別是要加強(qiáng)四川省這種青藏高原隆起邊界部位的水庫誘發(fā)地震研究，是十分必要的，也是可以得到減災(zāi)實(shí)效的；在新建水庫特別是大型水庫時(shí)，應(yīng)當(dāng)避免在深大斷裂附近選擇建設(shè)水庫大壩，可以減小誘發(fā)水庫地震的可能，從而在取得水利建設(shè)成果的同時(shí)又避免產(chǎn)生不必要的誘發(fā)水庫地震的地質(zhì)災(zāi)害。

致謝：承蒙審稿專家對本稿提出的寶貴意見，感謝邵玉平女士對本文工作的盡力幫助。

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