唐力君, 王 廣, 王 健, 王曉春, 劉舒波, 聶 武

1)中國地質(zhì)科學(xué)院國家地質(zhì)實驗測試中心, 北京 100037;

2)中國地質(zhì)大學(xué)(北京), 北京 100083

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程一號孔主斷層的隨鉆流體響應(yīng)特征

唐力君1), 王 廣1), 王 健1), 王曉春1), 劉舒波2), 聶 武1)

1)中國地質(zhì)科學(xué)院國家地質(zhì)實驗測試中心, 北京 100037;

2)中國地質(zhì)大學(xué)(北京), 北京 100083

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程(WFSD)的主要研究目的是探討龍門山斷裂帶深部斷裂的物質(zhì)屬性。隨鉆實時流體分析作為井口流體實時監(jiān)測手段, 首次獲得了龍門山斷裂帶隨鉆流體組分響應(yīng)特征, 在一號孔(WFSD-1)主斷層上出現(xiàn)隨鉆流體多組分同時異常, 且異常強(qiáng)度大。通過比較 WFSD-1號孔主斷層的鉆探巖心巖性和隨鉆流體組分剖面, 認(rèn)為隨鉆流體組分的異常區(qū)間與主斷層的區(qū)間保持一致, 表明流體異常與斷層的響應(yīng)特征, 主斷層區(qū)間的流體異常為多組分的極值異常, 強(qiáng)度與斷層泥厚度成正比。這些鉆探泥漿氣體響應(yīng)特征將為鉆探工程、取心鉆進(jìn)提供第一時間支持。

科學(xué)鉆探; 隨鉆實時流體分析; 主斷層; 響應(yīng)特征

科學(xué)鉆探是獲取地球深部物質(zhì)、了解地球內(nèi)部信息的最直接、最有效、最可靠的方法。國際大陸科學(xué)鉆探計劃成立以來, 已經(jīng)在許多領(lǐng)域取得了重要成果(許志琴, 2004; 許志琴等, 2005; 董樹文等,2009a; 蘇德辰等, 2010)。國內(nèi)外, 美國、日本和臺灣已在地震活動斷裂帶實施了科學(xué)鉆探, 取得的經(jīng)驗和研究成果值得借鑒(Nakada et al., 2005; Gourley et al., 2007; Tretner et al., 2008; Faulkner et al., 2010;Wiersberg et al., 2011)。

2008年5月12日14時28分, 青藏高原東緣龍門山地區(qū)發(fā)生震驚世界的四川汶川地震(許志琴等,2008; Xu et al., 2008), 造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失, 汶川地震引起的次生災(zāi)害也極其嚴(yán)重。地震影響的范圍涉及10個省(區(qū)、市)的417個縣(市、區(qū)), 受災(zāi)面積達(dá) 50×104km2(董樹文等, 2008,2009b; Xu et al., 2008; 龍鋒等, 2011)。為了提高地震災(zāi)害的預(yù)報預(yù)警能力, 需開展新途徑的探索研究,其中一個重要的途徑就是實施斷裂帶的科學(xué)鉆探(許志琴等, 2008; 李海兵等, 2008; Xu et al., 2008;龍鋒等, 2011), 特別是在大地震發(fā)生后快速進(jìn)行科學(xué)鉆探, 有可能獲取有關(guān)地震愈合和破裂周期、地震摩擦熱、流體作用、應(yīng)力狀態(tài)等重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

“汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探”(WFSD)是以汶川大地震為研究對象的科學(xué)鉆探, 簡稱汶川科鉆(見圖1), 將要實施多口鉆探, 它的實施得到中外許多科學(xué)家支持, 是我國第一次圍繞大地震的主題進(jìn)行的科學(xué)鉆探, 也是世界上回應(yīng)大地震最快實施的科學(xué)鉆探(許志琴等, 2008; Xu et al., 2008; 李海兵等,2008)。

圖1 汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探WFSD-1鉆孔位置(據(jù)李海兵等, 2009)Fig. 1 WFSD-1 hole’s Location of Wenchuan Fault Scientific Drilling Project(after LI et al., 2009)

為了更好地完成汶川科鉆的研究目標(biāo), 將進(jìn)行井口氣體、流體地球化學(xué)監(jiān)測(羅立強(qiáng)等, 2004a, b;唐力君等, 2006, 2010; 李迎春等, 2008), 探討斷裂帶流體地球化學(xué)作用過程, 為地震前兆關(guān)系與地下流體異常的相關(guān)性研究提供依據(jù)(曾令森等, 2005a,b; Becken et al., 2008; Wiersberg et al., 2007, 2008,2011; 溫靜, 2010)。汶川科鉆實施的隨鉆實時流體分析, 將在鉆探過程中全程分析鉆探泥漿中的 Ar、CH4、CO2、H2、He、N2、O2、Rn 等多種組分。地下流體是地殼中最活躍的物質(zhì), 最容易在鉆探過程中遷移, 隨鉆實時流體分析是對鉆探過程中攜帶到地面的地下流體進(jìn)行分析檢測, 可以揭示鉆探泥漿氣體實時數(shù)據(jù)與地下流體之間的規(guī)律, 探討地下流體在地殼淺源地震中的作用規(guī)律(孫青等, 2005,2006; 李圣強(qiáng)等, 2005, 2006; 魏樂軍等, 2008; 溫靜,2010)。在汶川科鉆隨鉆實時流體分析中, 將具體探討汶川地震斷裂帶中隨鉆流體組分的表現(xiàn)形式及其與余震相關(guān)性(溫靜, 2010), 這將有助于弄清楚地下流體異常與地震前兆關(guān)系(Wiersberg et al., 2007;Italiano et al., 2010)。

1 WFSD-1鉆孔背景

汶川科鉆一號孔(WFSD-1), 已于2008年11月6日開鉆, 鉆孔位置位于四川省都江堰市虹口鄉(xiāng)(位置見圖1, 現(xiàn)場圖見圖2)。WFSD-1號孔鉆探主要將穿過龍門山斷裂帶的映秀—北川斷裂, 該斷裂又稱龍門山中央斷裂, 是龍門山斷裂帶的 3條主要逆沖斷裂之一, 處于以彭灌雜巖體和寶興雜巖體為代表的前寒武紀(jì)變質(zhì)雜巖地層與三疊系含煤系地層之間(許志琴等, 2008; Xu et al., 2008; 李勇等, 2009; 徐杰等, 2010)。

汶川科鉆的主要研究內(nèi)容之一是揭示汶川地震斷裂帶的深部物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、產(chǎn)出和構(gòu)造屬性, 其中包括主要判斷汶川地震所發(fā)生的主要滑移斷裂,因為主斷層是大地震發(fā)生的“殺手和禍根”, 是深化認(rèn)識汶川地震所發(fā)生的應(yīng)力環(huán)境, 深化認(rèn)識地下流體在地震的孕育、發(fā)生、停止的過程中的作用, 檢驗和深化理解逆沖兼右行走滑性質(zhì)地震斷裂的發(fā)震機(jī)理的寶貴記錄和實物見證(許志琴等, 2008; Xu et al., 2008; 李海兵等, 2008)。

2 WFSD-1現(xiàn)場流體實驗室

WFSD-1號孔隨鉆實時流體分析實驗室(見圖3)距離鉆孔約25 m。現(xiàn)場實時分析實驗室通常需要與鉆探施工技術(shù)人員進(jìn)行充分溝通, 根據(jù)鉆探平臺和實驗室距離進(jìn)行恰當(dāng)設(shè)計和建設(shè), 進(jìn)行鉆探循環(huán)泥漿系統(tǒng)改造和鉆探泥漿脫氣系統(tǒng)安裝, 保證鉆探泥漿及時脫氣和氣體的密閉循環(huán), 以盡量避免大氣組分的加入, 確保鉆探泥漿氣體分析的準(zhǔn)確性、實時性和穩(wěn)定性(Luo et al., 2004; 羅立強(qiáng)等, 2004a, b;唐力君等, 2006, 2010)。最后, 通過抗壓耐熱管把鉆孔循環(huán)出來的鉆探泥漿脫氣引入到現(xiàn)場實驗室進(jìn)行實時分析。

隨鉆實時流體分析在WFSD-1號孔的實施過程中, 流體組分的異常出現(xiàn)的頻率還是較多的, 這些由地震余震引起, 也有鉆探巖心的原因等。在一號孔的主斷層井段, 隨鉆流體組分不管在日均值變化,還是多組分最大、最小值方面都是其相鄰井段中的最強(qiáng)烈變化的一段, 甚至可視為一號孔整個井段中變化最強(qiáng)烈井段(唐力君等, 2010; 溫靜, 2010)。

圖2 WFSD-1號孔鉆探現(xiàn)場Fig. 2 Drilling site of WFSD-1

3 WFSD-1主斷層鉆探及隨鉆流體組分響應(yīng)

在WFSD-1孔鉆探過程中, 共實施了2次側(cè)鉆,形成 3個鉆探井段, 分別為 WFSD-1、WFSD-1-S1和WFSD-1-S2(張偉等, 2009a, b; 樊臘生等, 2009)。在WFSD-1孔的500～700 m井段中, 進(jìn)行了多次鉆探修改, 包括糾斜, 出現(xiàn)了多次各式各樣的鉆探事故, 特別是主斷層井段中, 出現(xiàn)的鉆探事故包括鉆具與鉆桿的脫節(jié)、遺留在鉆孔中, 甚至出現(xiàn)了鉆桿拉斷, 表明了主斷層的特殊性。這種情況導(dǎo)致了WFSD-1-S1在該斷層中的結(jié)束, 而 WFSD-1-S2從583.07 m開始, 進(jìn)行側(cè)鉆繞障之后, 順利鉆進(jìn)。

同時, 作為鉆探工程的重要組成, 目前對復(fù)雜的主斷層井段, 鉆探泥漿體系也需要做出相應(yīng)改變(張偉等, 2009a, b; 樊臘生等, 2009; 李之軍等,2009)。主斷層井段的鉆探泥漿體系除了要滿足科學(xué)鉆探對泥漿的基本要求之外, 還需要在高應(yīng)力條件下保持鉆孔內(nèi)原有的壓力平衡, 能降低鉆桿和鉆具與斷層泥孔壁的摩擦阻力, 鉆探過程中泥漿的失水量低, 以避免斷層泥遇水膨脹。經(jīng)過鉆探泥漿體系的大量試驗, 反復(fù)論證, 形成了具有高密度、低失水、低滲透、具有潤滑減阻特點的鉆探泥漿體系, 在WFSD-1孔的斷層泥井段鉆探過程中, 有效克服卡鉆、縮徑等鉆探問題, 順利完成斷層泥井段取心鉆進(jìn)。

3.1 WFSD-1鉆孔的主斷層

圖3 WFSD-1隨鉆實時流體分析實驗室(a)及分析儀器(b)Fig. 3 Laboratory of real-time fluid analysis(a) and analytical instrument(b) of WFSD-1

龍門山斷裂帶的地下地層破碎, 這讓科學(xué)鉆探施工困難重重。因此, 為確保鉆探施工順利進(jìn)行, 鉆探工程技術(shù)人員(張偉等, 2009a, b; 樊臘生等, 2009)對斷裂帶地層取心鉆進(jìn)方法進(jìn)行了多次完善改進(jìn),通過配制高效的斷層泥井段的鉆探泥漿體系, 采用半合管取心技術(shù), 成功地解決了斷層泥井段的鉆探取心問題, 保持了高取心率, 獲得原狀性好的巖心。汶川科鉆一號孔(WFSD-1)在鉆探至井深為589 m時,遇到主斷層, 主要為長達(dá)數(shù)米的斷層泥。經(jīng)過巖心樣品編錄和初步研究, 確定了該斷層為汶川地震斷裂帶主斷層。揭示出北川—映秀斷裂帶規(guī)模巨大,地層巖石類型豐富, 特別是斷層泥的規(guī)模罕見, 這些發(fā)現(xiàn)為地震成因機(jī)制研究帶來實質(zhì)性的證據(jù)。

在 WFSD-1號孔中, 科學(xué)鉆探提前遇到了斷裂帶的地下深部主斷層, 這完全超出最初的科學(xué)設(shè)計判斷, 因為地學(xué)研究人員從地表斷層的傾角判斷,WFSD-1號孔需要鉆進(jìn)到800 m時才能鉆進(jìn)到主斷層, 但是在589 m的井段中就出現(xiàn)主斷層。這種情況也再次表明, 地學(xué)研究需要突破地表、深入地下,在實際中, 地表與地下深部狀況往往有較大差別,也進(jìn)一步證實科學(xué)鉆探的必要性和重要性, 不愧為深入地下、探索地球奧秘的“望遠(yuǎn)鏡”。另外, 地學(xué)研究人員更多地從主斷層深部和淺部井段的比較來判斷主斷層, 這需要更多的鉆探巖心數(shù)據(jù)和時間,隨鉆實時流體分析作為實時分析技術(shù), 其實時分析結(jié)果也在WFSD-1號孔的主斷層中出現(xiàn)第一時間的響應(yīng), 主要是隨鉆流體實時分析的組分濃度出現(xiàn)異常的強(qiáng)度和組分種類急劇增加的特點, 與主斷層井段變化趨勢極其吻合。

3.2 隨鉆流體組分在主斷層的響應(yīng)

在 WFSD-1的主斷裂上發(fā)現(xiàn)巨厚斷層巖, 特別是厚度達(dá)20余米的斷層泥, 世界罕見, 是青藏高原東緣龍門山隆升的最好記錄和見證, 同時, 北川—映秀斷層泥應(yīng)該是多次強(qiáng)烈地震的結(jié)果, 對其準(zhǔn)確研究是深入了解地震的關(guān)鍵。隨鉆實時流體分析作為最直接的分析方式, 有可能第一時間獲得主斷層的流體組分信息。

在 WFSD-1號孔的主斷層上, 隨鉆流體出現(xiàn)大量異常, 主要表現(xiàn)在多組分同時異常、異常持續(xù)井段長, 并且異常強(qiáng)度大(見圖 4), 其中, H2、He、CH4、Rn出現(xiàn)明顯的高值正異常, N2、Ar出現(xiàn)低值正異常,而O2、CO2為明顯的低值負(fù)異常。隨鉆流體組分的異常區(qū)間與主斷層的區(qū)間一致(見圖5), 均從586 m開始, 且隨著斷層泥的厚度而對應(yīng)變化, 淺部斷層泥較厚, 隨鉆流體組分異常持續(xù)時間較長、異常強(qiáng)度較大, 深部斷層泥較薄, 相應(yīng)的, 隨鉆流體組分異常持續(xù)時間較短、異常強(qiáng)度較小, 而在深、淺部斷層泥之間, 所有隨鉆流體組分都?xì)w于正常情況,二者呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律。在 WFSD-1-S1井段中,H2、He、CH4、Rn均為最高值異常, CO2為最低值異常, 也進(jìn)一步證實了異常強(qiáng)度大, 并且隨鉆流體的各種組分中, 不論是正異常, 還是負(fù)異常, 均隨著井深表現(xiàn)為“正常值—高值異常—正常值—低值異?！Ｖ怠钡捻憫?yīng)規(guī)律。

圖4 WFSD-1鉆探泥漿氣體中甲烷CH4在主斷層上的剖面Fig. 4 Profile of drilling mud gas CH4 of main fracture zone of WFSD-1

從隨鉆流體組分的變化規(guī)律可判斷出汶川地震斷裂帶的主斷層位置: 第一, 在整個鉆探井段中,只有主斷層所在的井段引起的隨鉆流體組分異常最明顯, 異常強(qiáng)度最大。第二, 鉆探泥漿氣體的異常起止井段與主斷層的起止位置完全吻合, 其變化規(guī)律一致。第三, 鉆探泥漿氣體的異常表現(xiàn)為多組分異常, 多為正異常, 且為最高或最低值的極值異常。

4 結(jié)論

本文報道了龍門山斷裂帶中映秀—北川斷裂的主斷層的隨鉆流體組分響應(yīng)特征, 獲得龍門山斷裂帶科學(xué)鉆探的主斷層流體組分信息。該主斷層引起的流體組分響應(yīng), 包括多組分同時異常, 且大部分組分的異常強(qiáng)度明顯, 且為極值異常。

圖5 WFSD-1鉆探巖心巖性柱狀圖(500—700 m)(據(jù)李海兵等, 2009)Fig. 5 Lithology of drilling core WFSD-1(500–700 m)(after LI et al., 2009)

斷裂帶科學(xué)鉆探的主要目標(biāo)之一是發(fā)現(xiàn)主斷層位置、厚度等, 從某種意義上說, 隨鉆流體實時分析有可能成為第一時間從地面上發(fā)現(xiàn)主斷層的技術(shù)手段, 主斷層引起的隨鉆流體組分異常表現(xiàn)為鉆探泥漿氣體組分異常的加大, 這異常包括其出現(xiàn)的頻率和強(qiáng)度。

隨鉆實時流體組分對主斷層的響應(yīng)特征, 將有可能作為第一時間發(fā)現(xiàn)主斷層的技術(shù)手段, 為科學(xué)鉆探工程、取心鉆進(jìn)提供重要的實時數(shù)據(jù)支持, 以克服由于斷層泥的特殊性而經(jīng)常出現(xiàn)的鉆探事故、取心率不理想等困難, 提高工程效率, 進(jìn)一步獲得更大的科學(xué)研究效果。

致謝:非常感謝中國地質(zhì)科學(xué)院國家地質(zhì)實驗測試中心羅立強(qiáng)研究員、孫青研究員、詹秀春研究員對隨鉆實時流體分析工作的大力支持和可行性建議;感謝中國地質(zhì)科學(xué)院國家地質(zhì)實驗測試中心汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程(WFSD)野外工作人員的工作和幫助; 感謝汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程(WFSD)地學(xué)部現(xiàn)場實驗室和工程部在野外工作的幫助和提供的建設(shè)性意見; 感謝國家科技專項——汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程(WFSD)的課題 0008和課題0003第四專題的經(jīng)費支持。

董樹文, 李廷棟. 2009a. SinoProbe——中國深部探測實驗[J]. 地質(zhì)學(xué)報, 83(7): 895-909.

董樹文, 許志琴, 吳珍漢. 2009b. 中國地質(zhì)科學(xué)院對5.12汶川地震的快速反應(yīng)與調(diào)查研究[J]. 地球?qū)W報, 30(1): 21-26.

董樹文, 張岳橋, 龍長興, 吳珍漢, 安美建, 張永雙, 楊農(nóng), 陳正樂, 雷偉志, 施煒, 石菊松. 2008. 四川汶川Ms 8.0地震地表破裂構(gòu)造初步調(diào)查與發(fā)震背景分析[J]. 地球?qū)W報, 29(3):392-396.

樊臘生, 賈軍, 吳金生, 趙遠(yuǎn)剛, 尤建武. 2009. 汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探一號孔(WFSD-1)鉆探施工概況[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 36(12): 5-8.

李海兵, 付小方, VAN DER WOERD J, 司家亮, 王宗秀, 侯立瑋,邱祝禮, 李寧, 吳 富 峣 , 許志琴, TAPPONNIER P. 2008. 汶川地震(MS8.0)地表破裂及其同震右旋斜向逆沖作用[J]. 地質(zhì)學(xué)報, 82(12): 1623-1643.

李海兵, 黃堯. 2009. 汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程地學(xué)部資料[R]. 成都: 汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程中心.

李圣強(qiáng), 孫青, 羅立強(qiáng), 詹秀春. 2005. 中國大陸科學(xué)鉆探主孔流體異常與其附近2次ML 3.9級地震的關(guān)系[J]. 中國地質(zhì),32(2): 330-335.

李圣強(qiáng), 孫青, 羅立強(qiáng), 詹秀春. 2006. 中國大陸科學(xué)鉆探主孔0～2000米流體地球化學(xué)異常與地震的關(guān)系[J]. 巖石學(xué)報,22(7): 2095-2102.

李迎春, 唐力君, 王健, 張?？? 李松, 詹秀春, 羅立強(qiáng). 2008.小型氣體質(zhì)譜儀在中國大陸科學(xué)鉆探鉆井現(xiàn)場泥漿中氣體的在線分析應(yīng)用[J]. 巖礦測試, 27(1): 1-4.

李勇, 黃潤秋, 周榮軍, DENSMORE A L, ELLIS M A, 閆亮, 董順利, RICHARDSON N, 張毅, 何玉林, 陳浩, 喬寶成, 馬博琳. 2009. 龍門山地震帶的地質(zhì)背景與汶川地震的地表破裂[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報, 17(1): 3-18.

李之軍, 陳禮儀, 賈軍, 尤建武, 曹其友. 2009. 汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探一號孔(WFSD-1)斷層泥孔段泥漿體系的研究與應(yīng)用[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 36(7): 13-16.

龍鋒, 倪四道, 聞學(xué)澤. 2011. 用遠(yuǎn)震接收函數(shù)研究龍門山斷裂帶與其鄰區(qū)的莫霍面深度及波速比分布[J]. 地球?qū)W報,32(4): 438-446.

羅立強(qiáng), 孫青, 詹秀春. 2004a. 中國大陸科學(xué)鉆探主孔 0～2000米流體剖面及流體地球化學(xué)研究[J]. 巖石學(xué)報, 20(1):185-191.

羅立強(qiáng), 王健, 李松, 張月琴, 張保科, 李迎春, 唐力君, 詹秀春.2004b. 中國大陸科學(xué)鉆探現(xiàn)場分析與地下流體異常識別[J].巖礦測試, 23(2): 81-86.

蘇德辰, 楊經(jīng)綏. 2010. 國際大陸科學(xué)鉆探(ICDP)進(jìn)展[J]. 地質(zhì)學(xué)報, 84(6): 873-886.

孫青, 李圣強(qiáng), 羅立強(qiáng). 2005. 中國大陸科學(xué)鉆探工程主孔地下流體特征及與地震活動的關(guān)系初步研究[J]. 地震, 25(1):15-21.

孫青, 羅立強(qiáng), 李圣強(qiáng). 2006. 中國大陸科學(xué)鉆探主孔0～2000米的N2、Ar和He流體地球化學(xué)[J]. 巖石學(xué)報, 20(1): 179-184.

唐力君, 李迎春, 王健, 張?？? 李松. 2006. 中國大陸科學(xué)鉆探工程現(xiàn)場實驗室采樣及樣品處理方法探討[J]. 中國地質(zhì),33(5): 1174-1179.

唐力君, 王健, 王曉春, 李迎春, 王廣, 樊興濤, 閔詘. 2010. 汶川地震科學(xué)鉆探實時流體分析儀器及應(yīng)用[J]. 分析儀器,4(2): 11-16.

魏樂軍, 郭堅峰, 蔡慧, 李海兵, 強(qiáng)祖基. 2008. 衛(wèi)星熱紅外異?！拇ㄣ氪?Ms 8.0級大地震的短臨震兆[J]. 地球?qū)W報,29(5): 583-591.

溫靜. 2010. 汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探地下流體氣體組分異常與余震的關(guān)系研究[D]. 北京: 中國地質(zhì)大學(xué).

徐杰, 高祥林, 周本剛, 計鳳桔, 張進(jìn), 白玉柱, 陳國光. 2010.2008年汶川8.0級地震的發(fā)震構(gòu)造: 沿龍門山斷裂帶新生的地殼深部斷裂[J]. 地學(xué)前緣, 17(5): 117-127.

許志琴, 李海兵, 吳忠良. 2008. 汶川地震和科學(xué)鉆探[J]. 地質(zhì)學(xué)報, 82(12): 1613-1622.

許志琴, 楊經(jīng)綏, 張澤明, 劉福來, 楊文采, 金振民, 王汝成, 羅立強(qiáng), 黃力, 董海良. 2005. 中國大陸科學(xué)鉆探終孔及研究進(jìn)展[J]. 中國地質(zhì), 32(2): 177-183.

許志琴. 2004. 中國大陸科學(xué)鉆探工程的科學(xué)目標(biāo)及初步成果[J].巖石學(xué)報, 20(1): 1-8.

曾令森, 許志琴, 羅立強(qiáng), 詹秀春, 梁鳳華, 楊經(jīng)綏, 李海兵.2005a. CCSD在線流體監(jiān)測捕獲的氣體地球化學(xué)異常與2004年 9.3級蘇門答臘地震可能的超遠(yuǎn)程關(guān)系[J]. 巖石學(xué)報, 21(5): 521-524.

曾令森, 詹秀春, 梁鳳華, 羅立強(qiáng), 許志琴. 2005b. 蘇魯超高壓變質(zhì)巖區(qū)深部流體的 He-Ar的系統(tǒng)關(guān)系: 中國大陸科學(xué)鉆探工程在線流體監(jiān)測的解析[J]. 巖石學(xué)報, 21(2): 513-520.

張偉, 賈軍. 2009a. 汶川地震科學(xué)鉆探二號孔取心鉆進(jìn)方法的選擇[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 36(7): 5-7.

張偉, 賈軍, 胡時友. 2009b. 汶川地震科學(xué)鉆探項目的概況和鉆探技術(shù)[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 36(S1): 5-9.

BECKEN M, RITTER O, PARK S K, BEDROSIAN P A,WECKMANN U, WEBER M. 2008. A deep crustal fluid channel into the San Andreas Fault system near Parkfield,California[J]. Geophysical Journal International, 173(2):718-732.

DONG Shu-wen, LI Ting-dong. 2009a. SinoProbe: the Exploration of the Deep Interior Beneath the Chinese Continent[J]. Acta Geologica Sinica, 83(7): 895-909(in Chinese with English abstract).

DONG Shu-wen, XU Zhi-qin, WU Zhen-han. 2009b. CAGS Quick Response to and Geoscientific Survey on May 12 Wenchuan Earthquake[J]. Acta Geoscientica Sinica, 30(1): 21-26(in Chinese with English abstract).

DONG Shu-wen, ZHANG Yue-qiao, LONG Chang-xing, WU Zhen-han, AN Mei-jian, ZHANG Yong-shuang, YANG Nong,CHEN Zheng-le, LEI Wei-zhi, SHI Wei, SHI Ju-song. 2008.Surface Rupture investigation of the Wenchuan Ms 8.0 earthquake of May 12th, 2008, West Sichuan, and Analysis of Its Occurrence Setting[J]. Acta Geoscientica Sinica, 29(3):392-396(in Chinese with English abstract).

FAN La-sheng, JIA Jun, WU Jin-sheng, ZHAO Yuan-gang, YOU Jian-wu. 2009. Overview on Drilling Operation of the WFSD-1 in Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 36(12): 5-8(in Chinese with English abstract).

FAULKNER D R, JACKSON C A L, LUNN R J, SCHLISCHE R W,SHIPTON Z K, WIBBERLEY C A J, WITHJACK M O. 2010.A review of recent developments concerning the structure,mechanics and fluid flow properties of fault zones[J]. Journal of Structural Geology, 32(11): 1557-1579.

GOURLEY J R, BYRNE T, CHAN Y C, WU F, RAU R J. 2007.Fault geometries illuminated from seismicity in central Taiwan:Implications for crustal scale structural boundaries in the northern Central Range[J]. Tectonophysics, 445(3-4): 168-185.

ITALIANO F, BONFANTI P, PIZZINO L, QUARTTROCCHI F.2010. Geochemistry of fluids discharged over the seismic area of the Southern Apennines (Calabria region, Southern Italy):Implications for Fluid-Fault relationships[J]. Applied Geochemistry, 25(4): 540-554.

LI Hai-bing, FU Xiao-fang, VAN DER WOERD J, SI Jia-liang,WANG Zong-xiu, HOU Li-wei, QIU Zhu-li, LI Ning, WU Fu-yao, XU Zhi-qin, TAPPONNIER P. 2008. Co-seisimic Surface Rupture and Dextral-slip Oblique Thrusting of the MS 8.0 Wenchuan Earthquake[J]. Acta Geologica Sinica, 82(12):1613-1622(in Chinese with English abstract).

LI Hai-bing, HUANG Yao. 2009. Document of geological department of Wenchuan Earthquake fault Scientific Drilling Project[R]. Chengdu: The engineering center of Wenchuan Earthquake fault Scientific Drilling Project(in Chinese).

LI Sheng-qiang, SUN Qin, LUO Li-qiang, ZHAN Xiu-chun. 2005.Anomalous fluid compositions in mud of the CCSD main well and their relations to two nearby earthquakes of ML 3.9[J].Chinese Geology, 32(2): 330-335(in Chinese with English abstract).

LI Sheng-qiang, SUN Qing, LUO Li-qiang, ZHAN Xiu-chun. 2006.Relationship between earthquakes and the gas geochemical anomalies in the 0-2000m Mud of Chinese Continental Scientific Drilling hole[J]. Acta Petrologica Sinica, 22(7):2095-2102(in Chinese with English abstract).

LI Ying-chun, TANG Li-jun, WANG Jian, ZHANG Bao-ke, LI Song, ZHAN Xiu-chun, LUO Li-qiang. 2008. Application of Miniature Gas Mass Spectrometer in On-line Analysis of Gases in Onsite Chinese Continental Scientific Drilling Mud[J].Rock and Mineral Analysis, 27(1): 1-4(in Chinese with English abstract).

LI Yong, HUANG Run-qiu, ZHOU Rong-jun, DENSMORE A L,ELLIS M A, YAN Liang, DONG Shun-li, RICHARDSON N,ZHANG Yi, HE Yu-lin, CHEN Hao, QIAO Bao-cheng, MA Bo-lin. 2009. Geological background of Longmen Shan seismic belt and surface ruptures in Wenchuan earthquake[J].Journal of Engineering Geology, 17(1): 3-18(in Chinese with English abstract).

LI Zhi-jun, CHEN Li-yi, JIA Jun, YOU Jian-wu, CAO Qi-you. 2009.Research and Application of Drilling Fluid System for Fault Gouge Section of the Hole WFSD-1 of Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project[J]. Exploration Engineering(Rock & Soil Drilling and Tunneling), 36(7): 13-16(in Chinese with English abstract).

LONG Feng, NI Si-dao, WEN Xue-ze. 2011. Variations of Moho Depth and Velocity Ratio along and surrounding the Longmenshan Fault Zone from Tele-seismic Receiver Functions[J].Acta Geoscientica Sinica, 32(4): 438-446(in Chinese with English abstract).

LUO Li-qiang, SUN Qin, ZHAN Xiu-chun. 2004a. 0-2000m fluid profiles and sources in Chinese Continental Scientific Drilling Project[J]. Acta Petrologica Sinica, 20(1): 185-191(in Chinese with English abstract).

LUO Li-qiang, WANG Jian, LI Song, ZHANG Yue-qin, ZHANG Bao-ke, LI Ying-chun, TANG Li-jun, ZHAN Xiu-chun. 2004b.On-line Analysis of Gases in Chinese Continental Science Drilling Project and Identification of Fluids from the Earth Crust[J]. Rock and Mineral Analysis, 23(2): 81-86(in Chinese with English abstract).

LUO Li-qiang, ZHAN Xiu-chun, SUN Qing. 2004. Fluid Geoanalysis in the Chinese Continental Scientific Drilling Project[J].Geostandards and Geoanalytical Research, 28(2): 325-331.

NAKADA S, UTO K, SAKUMA S, EICHELBERGER J C,SHIMIZU H. 2005. Scientific results of conduit drilling in the Unzen Scientific Drilling Project (USDP)[J]. Scientific Drilling, 1: 18-22.

SU De-chen, YANG Jing-sui. 2010. Advances of International Continental Scientific Drilling Program[J]. Acta Geologica Sinica,84(6): 877-886(in Chinese with English abstract).

SUN Qing, LI Sheng-qiang, LUO Li-qiang. 2005. Geochemistry of some fluid compositions in the mud of CCSD main well and their relations to seismicity[J]. Earthquake, 25(1): 15-21(in Chinese with English abstract).

SUN Qing, LUO Li-qiang, LI Sheng-qiang. 2006. N2-Ar-He compositions in the 0-2000 m Mud of Chinese Continental Scientific Drilling Project[J]. Acta Petrologica Sinica, 20(1):179-184(in Chinese with English abstract).

TANG Li-jun, LI Ying-chun, WANG Jian, ZHANG Bao-ke, LI Song. 2006. Sampling and fluid sample treatment in the field lab of the Chinese Continental Scientific Drilling project[J].Geology in China, 33(5): 1174-1179(in Chinese with English abstract).

TANG Li-jun, WANG Jian, WANG Xiao-chun, LI Ying-chun,WANG Guang, FAN Xing-tao, MIN Qu. 2010. Real-time fluid analysis instruments and their applications in Wenchuan earthquake scientific drilling[J]. Analytical Instrumentation,4(2): 11-16(in Chinese with English abstract).

TRETNER A, ZIMMER M, ERZINGER J, NAKADA S, SAITO M.2008. Real-time drill mud gas logging at the USDP-4 drilling,Unzen volcano, Japan[J]. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 175(1-2): 28-34.

WEI Le-jun, GUO Jian-feng, CAI Hui, LI Hai-bing, QIANG Zu-ji.2008. Satellite Thermal Infrared Anomaly: a Short-term and Impending Earthquake Precursor before the Wenchuan Ms8. 0 Earthquake in Sichuan, China[J]. Acta Geoscientica Sinica,29(5): 583-591(in Chinese with English abstract).

WEN Jing. 2010. The Relationship between Earthquakes and the Gas Geochemical Anomalies in the Mud of Wenchuan Earthquake Faults Scientific Drilling Hole[D]. Beijing:China University of Geosciences(in Chinese with English abstract).

WIERSBERG T, ERZINGER J. 2007. A helium isotope cross-section study through the San Andreas Fault at seismogenic depths[J]. Geochemistry Geophysics Geosystems, 8:Q01002, doi: 10.1029/2006GC001388.

WIERSBERG T, ERZINGER J. 2008. Origin and spatial distribution of gas at seismogenic depths of the San Andreas Fault from drill-mud gas analysis[J]. Applied Geochemistry, 23(6):1675-1690.

WIERSBERG T, ERZINGER J. 2011. Chemical and isotope compositions of drilling mud gas from the San Andreas Fault Observatory at Depth (SAFOD) boreholes: Implications on gas migration and the permeability structure of the San Andreas Fault[J]. Chemical Geology, 284(1-2): 148-159.

XU Jie, GAO Xiang-lin, ZHOU Ben-gang, JI Feng-ju, ZHANG Jin,BAI Yu-zhu, CHEN Guo-guang. 2010. The seismogenic structure of the 2008 Wenchuan Ms 8.0 earthquake: A newly generated deep fault in crust along the Longmen Mountains fault zone in the shallow subsurface[J]. Earth Science Frontiers, 17(5): 117-127(in Chinese with English abstract).

XU Zhi-qin, JI Shao-cheng, LI Hai-bing, HOU Li-wei, FU Xiao-fang, CAI Zhi-hui. 2008. Uplift of the Longmenshan Range and the Wenchuan earthquake[J]. Episodes, 31(3):291-301.

XU Zhi-qin, LI Hai-bing, WU Zhong-liang. 2008. Wenchuan Earthquake and Scientific Drilling[J]. Acta Geologica Sinica,82(12): 1613-1622(in Chinese with English abstract).

XU Zhi-qin, YANG Jing-sui, ZHANG Ze-ming, LIU Fu-lai, YANG Wen-cai, JIN Zhen-min, WANG Ru-cheng, LUO Li-qiang,HUANG Li, DONG Hai-liang. 2005. Completion and achievement of the Chinese Continental Scientific Drilling(CCSD) Project[J]. Chinese Geology, 32(2): 177-183(in Chinese with English abstract).

XU Zhi-qin. 2004. The scientific goals and investigation progresses of the Chinese Continental Scientific Drilling Project[J]. Acta Petrologica Sinica, 20(1): 1-8(in Chinese with English abstract).

ZENG Ling-sen, XU Zhi-qin, LUO Li-qiang, ZHAN Xiu-chun,LIANG Feng-hua, YANG Jing-sui, LI Hai-bing. 2005a. 2004 Mw 9.3 Sumatra-Andeman earthquake and gas geochemistry anomalies in CCSD borehole: A possible ultra-remote linkage[J]. Acta Petrologica Sinica, 21(5): 521-524(in Chinese with English abstract).

ZENG Ling-sen, ZHAN Xiu-chun, LIANG Feng-hua, LUO Li-qiang, XU Zhi-qin. 2005b. He-Ar systematic in the crustal fluids from the Sulu ultrahigh pressure metamorphic terrane:Inferences from the on-line monitoring of the CCSD drilling mud gas geochemistry[J]. Acta Petrologica Sinica, 21(2):513-520(in Chinese with English abstract).

ZHANG Wei, JIA Jun. 2009a. Selection of Core Drilling Method for WFSD-2 of Wenchuan Earthquake Scientific Drilling Project[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 36(7): 5-7(in Chinese with English abstract).

ZHANG Wei, JIA Jun, HU Shi-you. 2009b. General Information and Drilling Technology of Wenchuan Earthquake Scientific Drilling Project[J]. Exploration Engineering (Rock & Soil Drilling and Tunneling), 36(S1): 5-9(in Chinese with English abstract).

Responding Features of Fluids during Drilling of the Main Fracture Zone in WFSD-1 Hole

TANG Li-jun1), WANG Guang1), WANG Jian1), WANG Xiao-chun1), LIU Shu-bo2), NIE Wu1)
1)National Research Center for Geoanalysis, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing100037;2)China University of Geosciences(Beijing), Beijing100083

The main goal of Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project (WFSD) is to investigate the material property of deep fracture of Longmenshan fault zone. As the real-time monitoring means of fluids during drilling, the responding features of fluid components were obtained by the real-time fluid analysis for the first time,in which the anomalies of multi-components of fluids simultaneously appeared and the intensity of the anomaly was great. Through the lithologic comparison between the drilling core of the main fracture in WFSD-1 hole and the drilling profile of fluid components, the authors found that the range of fluid anomaly and that of the main fracture zone in drilling core are almost the same, and the anomaly intensity of the fluid positively varies with the thickness of fault gouge of the drilling hole. In addition, the multi-components of the fluid are extreme anomaly(maximum or minimum), showing the same responding result as the fault gouge in the main fracture zone. These responding features of drilling mud gas would be very helpful for the whole drilling project and the timely collection of drilling core.

book=96,ebook=160

scientific drilling; real-time fluid analysis; main fracture zone; responding feature

P542.3; P315.9; P315.2

A

10.3975/cagsb.2013.01.09

本文由國家科技專項“汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程”課題0008和課題0003第四專題聯(lián)合資助。

2012-06-11; 改回日期: 2012-07-16。責(zé)任編輯: 張改俠。

唐力君, 男, 1976年生。副研究員。主要從事現(xiàn)場流體地球化學(xué)分析。通訊地址: 100037, 北京市西城區(qū)百萬莊大街26號。電話: 010-68999559。E-mail: tanglijun@cags.ac.cn。