毛小平何廉康劉佳林李歲歲張學(xué)強(qiáng)宿宇馳盧鵬宇

1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢),武漢 430074

0 引言

眾所周知,天然地震被認(rèn)為是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的斷層錯(cuò)斷所致 (Brace and Byerlee,1966;Byerlee, 1970;Sokos et al., 2020),這就是經(jīng)典的現(xiàn)在仍被廣泛認(rèn)可的彈性回跳模型。汶川7.9級(jí)地震也不例外,被認(rèn)為是印度板塊碰撞引起的地殼縮短所引起的(hubbard and Shaw, 2009)。用地震初動(dòng)來(lái)確定震相,研究地震的特點(diǎn)及定位地震已發(fā)展得相當(dāng)成熟了,但對(duì)于初動(dòng)后的強(qiáng)震波動(dòng)的研究程度相對(duì)較低。強(qiáng)震波動(dòng)在多數(shù)情況下被認(rèn)為是S波所引發(fā)的(Honda,1962)。一些學(xué)者提出了質(zhì)疑,認(rèn)為僅斷層錯(cuò)斷所釋放的彈性能,小于實(shí)際地震所釋放的能量,如Gomberg et al.,(2004)推測(cè)觸發(fā)地震的應(yīng)力變化, 通常比地震本身釋放的應(yīng)力數(shù)量級(jí)要小。Gilat and Vol(2005)做過(guò)一個(gè)計(jì)算,尺度為600 km3×100 km3×20 km3的優(yōu)質(zhì)鋼,其最大應(yīng)變能(彈性能)是2.9×1017J,相當(dāng)于8.4級(jí)地震,而實(shí)際震源體遠(yuǎn)小于這個(gè)尺寸,這個(gè)結(jié)果充分說(shuō)明斷層錯(cuò)斷的彈性能小。李鐵等(2005)分析了1954—2005年在中國(guó)大陸發(fā)生的120多個(gè)煤震和非煤礦礦井的礦震分布、特征,有震級(jí)記錄的有47次,多數(shù)為2.8級(jí)左右,礦震就是塌陷,相當(dāng)于斷層的錯(cuò)動(dòng),這進(jìn)一步說(shuō)明,只有斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)地震的震級(jí)很小。

一些學(xué)者認(rèn)為這種能量的不匹配,有可能與地球內(nèi)部的流體參與有關(guān),將這些流體活動(dòng)現(xiàn)象歸結(jié)為深部流體的體現(xiàn), 且能主動(dòng)作用于地震。

Zhao et al. (1996)認(rèn)為1995年日本神戶(hù)7.2級(jí)地震是由于震中下16 km深處的深部流體引發(fā)的。Kurz et al.(2004)認(rèn)為歐洲板塊內(nèi)震群可能是流體觸發(fā)的。Reyners et al. (2007)認(rèn)為深部流體一般是地殼地震活動(dòng)的重要驅(qū)動(dòng)因素。劉武英等(1996)認(rèn)為巖漿上涌的垂直力是唐山地震的動(dòng)力來(lái)源。

還有一些學(xué)者認(rèn)為深部流體扮演了地震事件的主角。岳中琦(2013)指出,汶川地震是來(lái)自地幔里的甲烷在震源處形成了氣囊并爆炸所致。梁光河 (2017) 得出汶川地震是一個(gè)隱爆過(guò)程。Du et al. (2008) 指出, 地核和下地幔的流體不斷地向上逸散, 在運(yùn)移過(guò)程中聚集于不同地點(diǎn)發(fā)生隱爆。Jamtveit et al. (2018)認(rèn)為下地殼的流體驅(qū)動(dòng)相關(guān)的變質(zhì)和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變, 使巖石圈強(qiáng)度大幅下降。Mandal(2019)認(rèn)為碳酸巖熔體結(jié)晶釋放的揮發(fā)性物質(zhì)CO2對(duì)印度Gujarat邦Kachchh裂谷帶不間斷地震的發(fā)生起著關(guān)鍵作用。Heinickea et al.(2019)認(rèn)為在地殼內(nèi)普遍存在CO2排放, 導(dǎo)致斷裂帶的弱化和滑移。

此次研究中,將探討這些流體產(chǎn)生隱爆的可能性,并提出了地震過(guò)程中主要能量的可能的來(lái)源。

1 深部流體產(chǎn)生隱爆的可能性

來(lái)自于地幔的“深部流體”主要賦存于變質(zhì)基底中 (圖1),在地震發(fā)生時(shí),它是否能產(chǎn)生隱爆,是文中要質(zhì)疑的核心之一。石油專(zhuān)業(yè)沉積地層有兩類(lèi)儲(chǔ)集層,一種是高孔隙的常規(guī)儲(chǔ)集層;一種是低孔低滲的泥頁(yè)巖層。為了說(shuō)明深部流體產(chǎn)生隱爆的可能性,文中將變質(zhì)基底和這兩類(lèi)儲(chǔ)集層合并在一起,做一個(gè)參數(shù)(含氣豐度、孔隙度、滲透率)對(duì)比。

圖1 孟加拉灣沉積地層與變質(zhì)基底(剖面經(jīng)度87°;據(jù)Curray,1991修改)Fig.1 Sedimentary strata and metamorphic basement in Bay of Bengal (modified after Curray, 1991). Note: longitude of geological section: 87°

首先看一下頁(yè)巖氣的一些參數(shù)。以涪陵頁(yè)巖氣田為例,焦頁(yè)1井(JY1)的炭質(zhì)頁(yè)巖,吸附氣豐度為0.5～2.5 m3/t (李湘濤等,2014)。劉文平等(2017)分析了長(zhǎng)寧區(qū)塊龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層的物性特征,孔隙度為1%～10%,多數(shù)為6%;威遠(yuǎn)區(qū)塊孔隙度為2%～9%,多數(shù)為6%。

深部流體主要是指來(lái)自于地幔中或變質(zhì)基底中的流體包裹體或礦物中的結(jié)構(gòu)水,數(shù)量大,但豐度低。Bell and Rossman (1992)認(rèn)為輝石是最富含水的,豐度可達(dá)200×10-6～500×10-6,但僅相當(dāng)于頁(yè)巖含氣的5%。深部流體豐度測(cè)試成果主要來(lái)源于變質(zhì)基底中的一些巖石,其孔隙度比較小,沒(méi)有儲(chǔ)集空間(Harms, 1994;Huenges et al., 1997)。

綜上所述,深部變質(zhì)基底的孔隙度,滲透率及流體豐度,都要遠(yuǎn)小于頁(yè)巖地層,如表1所示。頁(yè)巖氣是很難自發(fā)地從頁(yè)巖地層中釋放出來(lái),需要對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行壓裂。因此,深部流體就更不可能從晶格中掙脫出來(lái),產(chǎn)生快速的流動(dòng),為地震提供能量。

表1 深部流體與油氣參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of parameters between deep fluid and oil and gas

2 高壓流體彈性能釋放的可能性

巖石圈可以看作雙相介質(zhì),包含固體和流體。既然固體部分的活動(dòng),斷層錯(cuò)斷直接產(chǎn)生的能量偏小,于是可以提出一個(gè)假說(shuō),產(chǎn)生天然地震的主要能量可能有淺層流體的貢獻(xiàn):由發(fā)震斷層破開(kāi)了高孔隙度沉積巖,使其內(nèi)部的高壓流體進(jìn)入發(fā)震斷裂帶,然后釋放其能量,從而增強(qiáng)地震的破壞性,產(chǎn)生流體物理爆炸。

高壓流體和固體一樣,在壓力降低后其體積膨脹,并釋放彈性能量。這種壓力的釋放現(xiàn)象是常見(jiàn)的,例如,海洋地震勘探使用汽槍作為震動(dòng)源(Lv et al., 2020)產(chǎn)生地震波,就是利用高壓流體或氣體釋放壓力膨脹而產(chǎn)生;Wang et al. (2012)采用了4臺(tái)大型空氣罐被放置在湖中同時(shí)釋放壓力,可產(chǎn)生相當(dāng)于0.5級(jí)地震;Zhang et al. (2018)利用高壓液態(tài)二氧化碳爆破巖石代替普通炸藥爆炸。

遺憾的是,目前幾乎一致認(rèn)為天然地震產(chǎn)生強(qiáng)烈破壞的強(qiáng)震波動(dòng)是橫波S波,而這種壓力釋放或流體爆炸則只能產(chǎn)生漲縮波P波,且地震學(xué)家還使用相位的P/S型譜比(如Pg/Lg、Pn/Lg、Pn/Sn)來(lái)判斷該地震是否是由爆炸事件引起(Zhao et al.,2014;Zhang and Wen,2015)。只要能證明地震強(qiáng)振幅波動(dòng)是漲縮波P波,就不能否定流體爆炸假說(shuō)。

為此,需要回答幾個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,在活動(dòng)斷層剌穿儲(chǔ)集層時(shí),多孔隙儲(chǔ)集層內(nèi)的流體會(huì)不會(huì)釋放能量;儲(chǔ)集層內(nèi)是否含有海量流體;若能釋放能量,其能量可否定量計(jì)算;這種能量釋放產(chǎn)生的信號(hào)和實(shí)際地震信號(hào)的區(qū)別。

2.1 儲(chǔ)集層中流體壓力的釋放

對(duì)于常見(jiàn)的爆炸現(xiàn)象,爆炸物濃度大,它們幾乎都能參與爆炸。在常溫常壓下,儲(chǔ)集層內(nèi)的孔隙之間是不連通的,孔隙內(nèi)的流體不能自發(fā)地流出來(lái)。但井噴現(xiàn)象卻證實(shí)了,儲(chǔ)集層在實(shí)際地層條件下,一定空間范圍內(nèi)的孔隙流體是可以自由流入井筒的,其壓力是可以釋放的,這也是鉆探過(guò)程時(shí)刻需要防止發(fā)生的安全事故(Tingay et al., 2008;Pinkston and Flemings, 2019)。

一定深度的儲(chǔ)集層一般具有高壓特征,孔隙壓力采用壓力系數(shù)來(lái)表征,在多數(shù)情況下該壓力系數(shù)是大于1的,如川西坳陷就達(dá)到1.8 (冷濟(jì)高等,2011),在深度4 km處壓力為72 MPa(圖2a)。這時(shí),在鉆探過(guò)程中鉆井液就需要摻入細(xì)砂以便增加鉆井液的密度ρ。在鉆探前如果低估了壓力系數(shù),將鉆井液密度只配成了1.5 g/cm3,在4 km深處井筒內(nèi)的鉆井液壓力將只有60 MPa(注:石油工程專(zhuān)業(yè)將壓力等同于壓強(qiáng),如地層壓力系數(shù),故為方便起見(jiàn),將流體壓強(qiáng)均稱(chēng)為壓力)。該壓力和深度4 km處的儲(chǔ)集層內(nèi)的壓力(72 MPa)相比,這就會(huì)產(chǎn)生12 MPa的富余差應(yīng)力ΔP。在這種情況下,井筒內(nèi)的流體就會(huì)產(chǎn)生井噴并沖開(kāi)鉆機(jī),引發(fā)重大安全事故(圖2b),這就是孔隙流體壓力釋放的機(jī)理。離井筒一定距離r以?xún)?nèi)的流體可以自由流動(dòng)到井筒內(nèi)(圖2b所示中的黃色區(qū)域);范圍之外的流體則不能,且仍保持高壓狀態(tài)。這個(gè)距離r在石油勘探中稱(chēng)為井間距或極限動(dòng)用半徑 (Li et al.,2017)。水驅(qū)油技術(shù)(Tetteh et al.,2021)就是在注水井井口用高壓水(壓力為ΔP)注入井筒內(nèi) (圖2c)。如果兩口井的距離大于r,則驅(qū)動(dòng)失敗。袁士義等(2007)得出在滲透率為5～150 mD時(shí),井距r可設(shè)計(jì)為1～1.5 km。對(duì)低滲透油藏,r值大約可取250 m。

圖2 鉆穿儲(chǔ)集層前后儲(chǔ)集層及井筒壓強(qiáng)變化示意圖(ΔP為流體壓強(qiáng))Fig.2 Pressure variation of the reservoir and the wellbore before and after drilling through reservoir (ΔP is the fluid pressure).(a) Before the perforation. (b) During the perforation. (c) Water flooding mode.

2.2 沉積地層所具有的流體數(shù)量

在沉積地層中,只有少部分沉積巖才含有較大的孔隙,并富含水(表1)。汶川地震震中地區(qū)有沉積地層,具有和四川盆地相似的構(gòu)造、沉積背景。地震發(fā)生后的鉆探WFSD-1井證實(shí)1000 m以?xún)?nèi)是三疊系須家河組地層 (Fang et al.,2020),而三疊系須家河組是川西坳陷的主要產(chǎn)水層和產(chǎn)氣層。因此,更準(zhǔn)確地說(shuō),四川盆地應(yīng)包含地震震中地區(qū)。為此,文章利用川西坳陷的儲(chǔ)集層規(guī)模,從縱向上和橫向上進(jìn)行類(lèi)比,以說(shuō)明汶川地震時(shí)流體可參與的數(shù)量。

在縱向上,川西坳陷僅須家河組一套高孔隙度砂巖儲(chǔ)集層累積厚度就已超過(guò)了500 m(趙正望等,2013),同時(shí),還發(fā)育了志留系、奧陶系及震旦系等多套高孔隙儲(chǔ)集層,三疊系須家河組和震旦系燈影組孔隙度可達(dá)5%～20%(表2)。從實(shí)際油氣勘探剖面中可以看出,高孔隙儲(chǔ)集層層數(shù)多,累積厚度大,這個(gè)特點(diǎn)也只有沉積地層才具備。從川西坳陷什邡地區(qū)孔隙度剖面可以看出,在縱向上發(fā)育了多套高孔隙儲(chǔ)集層(圖3紅色區(qū)域部分;武恒志等,2015);2020年5月4日在大英縣天保鎮(zhèn)鉆探,在震旦系燈影組中獲測(cè)試日產(chǎn)天然氣1.220×106m3,間接說(shuō)明了該地區(qū)具有高孔隙含流體儲(chǔ)集層。

表2 川西坳陷須家河組和燈影組儲(chǔ)集層參數(shù)與模型參數(shù)對(duì)比表Table 2 Comparison of reservoir parameters and model parameters of the Xujiahe formation and the Dengying formation in the Western Sichuan Depression

圖3 川西坳陷什邡地區(qū)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)模擬的連井孔隙度剖面(武恒志等,2015)Fig.3 Cross-well porosity section from the geostatistics modeling of the reservoirs in the Shifang area,Western Sichuan Depression(Wu et al.,2015)

在橫向上,川西坳陷里已探明了多個(gè)大型北西—南東方向的圈閉。離震中距離僅50 km處就有一個(gè)天然氣田(圖4):鴨子河氣田,其長(zhǎng)度為60 km,寬度5～20 km (Ma et al., 2019)。這些大型圈閉以三疊系須家河組為儲(chǔ)集層,其孔隙中的流體體積估計(jì)可達(dá)3.75×108

圖4 鴨子河氣田及破裂模型范圍示意圖Fig.4 Schematic diagram of the Yazihe gas field and the fracture model range

m3至6.60×1010m3。2020年5月12日在更靠近震中的龍門(mén)山構(gòu)造帶南段部署了一口探井 (龍?zhí)?井),在下二疊統(tǒng)棲霞組儲(chǔ)層獲日產(chǎn)6.686×105m3氣流?？梢酝茰y(cè),震中映秀深部也具有海量流體。

2.3 儲(chǔ)集層流體可以釋放的能量

井噴僅限于很小范圍內(nèi)的流體參與,其能量小;如果發(fā)震斷層破開(kāi)了一個(gè)較長(zhǎng)的儲(chǔ)集層,有可能會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)大于井噴所產(chǎn)生的能量。

為此,設(shè)計(jì)一個(gè)長(zhǎng)度為5 km,寬度為500 m,厚度為100 m的儲(chǔ)集層,埋深度為4 km(圖4),并將它和鴨子河氣田放在同一張圖上做對(duì)比。通過(guò)對(duì)比圖可以看出,要讓一條斷層在該區(qū)域內(nèi)破開(kāi)一個(gè)5 km長(zhǎng)度的儲(chǔ)集層是很容易的(汶川地震同震破裂達(dá)到100 km);寬度是按斷層兩側(cè)極限動(dòng)用半徑250 m計(jì)算。令儲(chǔ)層孔隙度為5%,則該模型內(nèi)孔隙流體的體積就大約為1.3×107m3。當(dāng)一條斷層(如F1)斷開(kāi)該儲(chǔ)集層時(shí)(圖4),這些流體會(huì)由72 MPa的壓力,釋放到對(duì)應(yīng)在深度4 km處的靜水壓力40 MPa,體積膨脹將達(dá)到約1.4%。所釋放的能量可用水的壓力釋放公式:

其中,EL為常溫液體壓力容器釋放的能量(KJ);ΔP為流體的壓力變化 (MPa);V為儲(chǔ)集層體積 (m3);βt為液體在壓力P和地層溫度T(130℃)下的壓縮系數(shù) (MPa-1),賦值4.4×10-4MPa-1。通過(guò)計(jì)算得到所釋放的能量為:

這個(gè)能量相當(dāng)于8.4級(jí)地震。相同尺寸的優(yōu)質(zhì)鋼的彈性能僅相當(dāng)于4.65級(jí)地震。

上述參數(shù)的設(shè)置與實(shí)際勘探所取得的數(shù)據(jù)相比并不苛刻,只取了油氣勘探成果所獲得的參數(shù)的下限值(表2)。如儲(chǔ)層孔隙度實(shí)測(cè)值為5%～20%;儲(chǔ)層壓力實(shí)測(cè)為1.8倍至2.0倍。另外,在斷層剛錯(cuò)斷的瞬間,斷裂帶內(nèi)壓力為0,儲(chǔ)集層內(nèi)流體壓力的釋放應(yīng)由72 MPa直接釋放到0,這個(gè)能量將會(huì)更大,體積膨脹將達(dá)到約3.2%。因此,上面的能量估計(jì)是合理的。

3 流體壓力釋放模式及汶川地震信號(hào)分析

3.1 壓力釋放的模式

下面以川西坳陷什坊地區(qū)剖面(圖3)為原型,提出高壓流體彈性能釋放的模式,如圖5所示,為抽象出來(lái)的模式圖:在地震發(fā)生之前,三疊系儲(chǔ)集層未受到擾動(dòng)(未破裂狀態(tài);圖5a);一旦構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的破裂刺穿儲(chǔ)集層,斷裂附近的孔隙流體會(huì)快速進(jìn)入斷裂帶,形成一個(gè)高壓流體囊(圖5b的黃色區(qū)域),并產(chǎn)生強(qiáng)震前的小振幅波動(dòng)。當(dāng)破裂面到達(dá)地表時(shí),該高壓流體囊就會(huì)釋放過(guò)剩壓力ΔP,產(chǎn)生強(qiáng)震;震源深度為高壓流體囊體積中心,位于儲(chǔ)集層下方一定深度處(圖5b)。上文中按4 km深的儲(chǔ)集層計(jì)算地震能量,是獲得能量的下限值,若儲(chǔ)集層埋藏更深,壓力更大,則產(chǎn)生的地震能量就會(huì)更強(qiáng)。因此,實(shí)際地震過(guò)程可以分為斷層破裂Ⅱ和流體壓力釋放產(chǎn)生強(qiáng)震Ⅲ兩個(gè)過(guò)程。在初動(dòng)之前還有一個(gè)微破裂過(guò)程Ⅰ,在該過(guò)程中地震臺(tái)站接收不到振動(dòng)信號(hào),但其流體活動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)電效應(yīng)可被探測(cè)到。斷層破裂過(guò)程Ⅱ可以產(chǎn)生主震前的弱振幅;只有破裂逐步發(fā)展,并刺穿高壓儲(chǔ)集層,才有強(qiáng)震Ⅲ產(chǎn)生。

T—三疊系;Z—震旦系;h—深度;r—極限動(dòng)用半徑(距離)圖5 流體壓力釋放模式剖面示意圖Fig.5 Profile of the fluid pressure release mode before (a) and after (b) the fault-ruptureT-Triassic system; Z-Sinian system; h-depth; r-limited drainage radius (distance)

3.2 直接證據(jù)

下面列舉幾個(gè)方面的證據(jù)。

(1)證據(jù)1:不同臺(tái)站地震波動(dòng)到達(dá)時(shí)間的分析

從不同臺(tái)站的初動(dòng)和強(qiáng)震到達(dá)時(shí)間上看,地震過(guò)程主要分為斷層破裂Ⅱ和強(qiáng)震Ⅲ兩大類(lèi)過(guò)程,且強(qiáng)震波形由多個(gè)不同地點(diǎn)的事件所產(chǎn)生,如圖6所示,為2008年汶川7.9級(jí)大地震中多個(gè)不同震中距臺(tái)站接收到的波形圖。各臺(tái)站的初動(dòng)連線為A、各臺(tái)站強(qiáng)震前的連線為B。A至B之間的直達(dá)波P是弱振幅,代表斷層破裂過(guò)程Ⅱ;B的右側(cè)代表了第2個(gè)過(guò)程,即多個(gè)事件引起的多個(gè)強(qiáng)震振幅Ⅲ,該強(qiáng)震一般被認(rèn)為橫波Sg。A與B不平行,且A的斜率小,說(shuō)明破裂的發(fā)展過(guò)程與波的傳播是同方向進(jìn)行的。第1條波動(dòng)曲線 (臥龍臺(tái)站) 初動(dòng)A與強(qiáng)震B(yǎng)之僅間隔1.3 s,而最遠(yuǎn)的第5張曲線 (重華臺(tái)) 間隔約25 s,基本上代表了斷層總破裂時(shí)間長(zhǎng)度,與Shang et al. (2015)的推測(cè)22 s是一致的。清平臺(tái)雖然離震中距離較遠(yuǎn)(90 km),但離斷裂帶垂直距離近,其強(qiáng)振幅(S1)有一定衰減(圖7),而其初動(dòng)的最高頻率為60～70 Hz,和臥龍臺(tái)基本一致。事件S2的發(fā)生位置相對(duì)于臥龍臺(tái)而言,更靠近清平臺(tái),振幅強(qiáng),頻帶寬,且清平的最高頻率要高于臥龍臺(tái)。

圖6 汶川地震各臺(tái)站地震波形對(duì)比圖Fig.6 Comparison of seismic waveforms at various stations during the Wenchuan earthquake

(2)證據(jù)2:從地震波的雙主頻特性分析

采用連續(xù)時(shí)頻FFT算法對(duì)臥龍臺(tái)的Z分量地震信號(hào)(圖6中第1條曲線)進(jìn)行分析,得出了頻譜,如圖8所示,為臥龍地震臺(tái)接收到的地震信號(hào)振幅包絡(luò)線及地震射線路徑示意圖,其中圖8a為連續(xù)時(shí)頻分析頻譜。可以看到強(qiáng)振幅中明顯還包含了另一個(gè)和初始破裂基本一致的高頻成分,主頻為5～6 Hz。分時(shí)段FFT算法獲得的振幅譜更加明顯,得到3個(gè)時(shí)間段:2～3.7 s,18～28 s,44～52 s的弱振幅波動(dòng)信號(hào),如圖8b所示,其主頻分別為12 Hz,6 Hz,7.5 Hz;而它們的兩個(gè)間隔時(shí)間段的3.7～16 s,32～40 s為強(qiáng)振幅波動(dòng),其主頻分別為2.3 Hz,2.5 Hz。該地震信號(hào)在圖8c中也有顯示,為藍(lán)色曲線(僅正半部分)。斷層錯(cuò)斷產(chǎn)生了弱振幅信號(hào),但頻率高,和頁(yè)巖層的水力壓裂相似;而強(qiáng)振幅波動(dòng),為斷裂帶加儲(chǔ)集層所形成的高壓流體囊的面震源所引發(fā)。流體體積大,產(chǎn)生的能量大,但頻率低,和炸藥爆炸所產(chǎn)生的地震波類(lèi)似,頻率和炸藥體積成反比關(guān)系:

S1、S2、S1′、S2′分別為臥龍臺(tái)、清平臺(tái)兩次強(qiáng)振動(dòng)事件主頻位置;F1、F2、F1′、F2′分別為臥龍臺(tái)、清平臺(tái)兩次強(qiáng)振動(dòng)事件最大頻率位置圖7 汶川地震近震臺(tái)站時(shí)頻分析Fig.7 Time frequency analysis of near the seismic stations during the Wenchuan earthquakeS1, S2, S1′ and S2′ are the main frequency positions of two strong vibration events observed at the Wolong station and the Qingping station respectively; F1, F2, F1′ and F2′ are the maximum frequency positions of two strong vibration events observed at the Wolong station and the Qingping station respectively.

其中,f為頻率,Q為炸藥量,k2、m2為常數(shù)。震源體越大,越易產(chǎn)生低頻地震子波。這種雙主頻特性和高家乙(2020)的時(shí)頻分析是一致的。

(3)證據(jù)3:地震波傳播射線路徑的分析

從地震波射線路徑的分析可以得出,主震波動(dòng)以漲縮波P波為主。從離震中較近的臥龍地震臺(tái)(震中距18.7 km)所接收到的地震波的3個(gè)分量(X,Y,Z)可以看出(圖8c),初動(dòng)時(shí)刻14∶28∶2.6至14∶28∶14.0之間的地震波以Z分量占主導(dǎo),之后的地震記錄隨著時(shí)間的增加而變?nèi)?變成以X分量占主導(dǎo)(圖8c)。Pg2-Pg5的極化方向(圖8c)和初動(dòng)Pg1基本一致,Pg6的X方向分量超過(guò)Z分量,說(shuō)明事件來(lái)自于比映秀更向北的汶川震中。在紫坪鋪水庫(kù)西面的東八角臺(tái)(震中距僅5 km)所記錄到的時(shí)長(zhǎng)為1.4 s的初動(dòng)波形(葉建慶等,2008)也有類(lèi)似的規(guī)律,以Z分量為主,之后因限幅無(wú)法獲得真振幅?？紤]到地表低速帶會(huì)引起射線的偏折(圖8d),震源H處只有激發(fā)縱波,才能符合規(guī)律。如果從震源出發(fā)的是橫波,則地震波到達(dá)臥龍站時(shí),質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向應(yīng)接近于水平方向,即接收到的地震波應(yīng)以X方向的分量為主。因此,可以認(rèn)為強(qiáng)震波形(圖8c 波形圖在3.7 s之后或圖6第1條臥龍臺(tái)站的B線之后),不是傳統(tǒng)的直達(dá)橫波SV波或SH波,而是漲縮波P波,這就不能排除因流體壓力釋放會(huì)產(chǎn)生一系列流體爆炸的假說(shuō)。

(4)證據(jù)4:流體活動(dòng)的直接證據(jù)

在震后對(duì)地震斷裂帶進(jìn)行了鉆探,發(fā)現(xiàn)了流體的強(qiáng)烈活動(dòng)痕跡。王煥等 (2015)對(duì)汶川地震斷裂科學(xué)鉆探一號(hào)孔(WFSD)的巖心樣品,用掃描電鏡(SEM)及透射電鏡(TEM)觀察發(fā)現(xiàn),在同震過(guò)程中斷裂帶中可能涌入大量流體,如圖9a所示。

圖9 在汶川地震時(shí)流體活動(dòng)與爆炸現(xiàn)象Fig.9 Fluid activity and explosion during the Wenchuan earthquake. (a) Characteristics of the flow structure of pseudobasaltic glass in the outcrop of Bajiaomiao(Wang et al., 2015). (b) Four explosion pits at different positions on the surface of the shuijingyan landslide and weir plug in Guixi Town, Beichuan (shot date: June 20, 2008, lens direction: S, 104.603°E, 31.973°N) (Shang et al., 2015)

a—連續(xù)時(shí)頻分析頻譜;b—分時(shí)段離散頻譜;c—三個(gè)分量正振幅波動(dòng)曲線及包絡(luò)線;d—地震波射線路徑S—強(qiáng)振幅事件;P單個(gè)強(qiáng)振幅事件;A—初始破裂;H—震源;Ps—轉(zhuǎn)換橫波圖8 臥龍地震臺(tái)接收到的地震信號(hào)振幅包絡(luò)線及地震射線路徑示意圖Fig.8 Amplitude envelope and seismic ray path of seismic signal received by the Wolong station. (a) Continuous time-frequency spectrum analysis. (b) The discrete spectrum of different periods. (c) The positive amplitude curves and envelopes of the three components. (d) Ray path of the seismic wave.S-strong amplitude event; P-single strong amplitude event;A-initial fracture; H-hypocenter;Ps-converted shear wave

流體活動(dòng)不僅是在強(qiáng)震階段起作用,在初動(dòng)前也起作用。初動(dòng)前的流體活動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)弱,地震臺(tái)站一般觀測(cè)不到,但卻產(chǎn)生了地電場(chǎng)異常,并可被觀測(cè)到。地電場(chǎng)異?，F(xiàn)象近年來(lái)也越來(lái)越受到關(guān)注,可能是今后進(jìn)行地震預(yù)報(bào)、預(yù)警的重大突破口。李一丁等(2017)報(bào)道了在離汶川地震震中58 km處觀測(cè)到了大氣電場(chǎng)異常。Varotsos and Alexopoulos (1984)應(yīng)用地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)探尋前兆地震電信號(hào)。郝建國(guó)(1998)統(tǒng)計(jì)了21個(gè)地震前的大氣電場(chǎng),均有很強(qiáng)的負(fù)異常(-400～-936 mV/m),時(shí)間比地震初動(dòng)提前3～38天。Korsunova et al. (2013)等大量學(xué)者也觀察到類(lèi)似現(xiàn)象。陳濤等(2021) 研究了該負(fù)異常的特點(diǎn)及影響因素,并建立了監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行臨震預(yù)報(bào)。

一些學(xué)者認(rèn)為這種電場(chǎng)擾動(dòng)是壓電效應(yīng)(Finkelstein and Powell,1970)或沉積地層拉伸產(chǎn)生的(Marapulets and Rulenko,2019),但相比流體所產(chǎn)生的電場(chǎng)異常而言小。Finkelstein et al.(1973)用實(shí)驗(yàn)否定了壓電效應(yīng)導(dǎo)致地光的說(shuō)法。流體流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)電位,其大小與驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)的壓力差成正比(Fitterman,1978)。石油生產(chǎn)過(guò)程中注水-采油過(guò)程會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)電位效應(yīng),且很早就被證實(shí),并可在地面觀測(cè)到(Wurmstich and Morgan,1994)。Lorne et al. (1999)提出儲(chǔ)集層骨架與流體之間存在雙電層現(xiàn)象,振動(dòng)或流體流動(dòng)會(huì)破壞雙電層并產(chǎn)生電流。

根據(jù)前述流體活動(dòng)的思路認(rèn)為,一旦發(fā)生斷層的錯(cuò)動(dòng),垂向多套儲(chǔ)集層會(huì)連通;因不同深度的流體有較大的壓力差,使有一定礦化度的流體帶著正電荷向上高速?lài)娚涞綔\層;正電荷在接近地表時(shí)抵消了原地表的負(fù)電荷而放電,并讓地表呈正電荷(圖5b),這樣就能觀測(cè)到前述的大氣電場(chǎng)反轉(zhuǎn),變成負(fù)值。由此推測(cè),在初動(dòng)前的負(fù)大氣電場(chǎng)是由微破裂產(chǎn)生的小規(guī)模流體活動(dòng)所產(chǎn)生。微破裂的突然性和隨機(jī)性所產(chǎn)生的大氣電位的瞬時(shí)變化也被Varotsos and Alexopoulos(1984)的觀測(cè)信號(hào)所證實(shí)。當(dāng)然,大氣電場(chǎng)異常也會(huì)持續(xù)到初動(dòng)之后的強(qiáng)震階段,只是這種動(dòng)電效應(yīng)更加強(qiáng)烈,甚至出現(xiàn)地光 (Finkelstein et al.,1973;Ohtsuki et al.,2005;Fidani, 2010)這種強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象。顯然,只有沉積地層具備流體活動(dòng)并產(chǎn)生電場(chǎng)異常這一條件。

(5)證據(jù)5:地震親歷者看到的爆炸現(xiàn)象

從地震災(zāi)區(qū)民眾反饋的信息看,該地震經(jīng)歷了3次歷程,發(fā)生了連貫的巨大爆炸,持續(xù)約120 s,爆炸聲音沉悶,噴爆物高出原地面約50 m,這些爆炸并非城市天然氣管線或其他人為因素所致。事實(shí)上,在長(zhǎng)度約200 km的龍門(mén)山斷裂帶上,可明顯地觀察到較大的爆炸現(xiàn)場(chǎng)至少有5處,圖9b是其中一個(gè)。從西向東有4個(gè)煙黑色大坑,一個(gè)大坑對(duì)應(yīng)一個(gè)噴爆位置。噴出來(lái)干凈的黑色石頭,伴隨有熱浪和氣浪(Shang et al.,2015)。這些信息和圖6第1條曲線所記錄的地震信號(hào)是一致的。

(6)證據(jù)6:汶川地震多震源特性

汶川地震總破裂長(zhǎng)度為200 km,但實(shí)際其單個(gè)子震源所涉及的破裂并不長(zhǎng)。據(jù)斷層錯(cuò)斷后所產(chǎn)生的應(yīng)力降來(lái)計(jì)算所釋放的彈性能達(dá)不到很高的震級(jí),一定有其他因素參與。從波形上看,推測(cè)產(chǎn)生汶川地震的多個(gè)震源的間距只有5～20 km,這顯然不能用斷裂錯(cuò)斷釋放彈性能來(lái)解釋汶川地震的巨大能量。從圖6的地震波形上看至少存在3次不同地點(diǎn)的強(qiáng)震。

3.3 間接證據(jù)及一些地震例子

(1)證據(jù)1:全球到處發(fā)育的隱爆角礫巖表明爆炸現(xiàn)象的普遍性(Pope et al.,1997;He and Qiao,2015;van Loon et al., 2016)。

(2)證據(jù)2:初動(dòng)和強(qiáng)震之間這種滯后現(xiàn)象在很多地震事件中均能觀察得到。意大利6.2級(jí)地震,在前震和主震之間時(shí)長(zhǎng)居然達(dá)到7天(Marzocchi et al.,2014)。2001年昆侖 8.1級(jí)地震的滯后是3天(Hu,2018)。遺憾的是,他認(rèn)為該地震的前驅(qū)波是北大西洋極端風(fēng)暴引起的,同時(shí),該類(lèi)地震被認(rèn)為是一種慢地震,即斷裂蠕滑造成的 (Beroza and Jordan, 1990; Gao and Wang,2017)。事實(shí)上,該地震的前驅(qū)波最大震級(jí)相當(dāng)于3.5級(jí)左右的地震活動(dòng),極有可能是地震前的斷層緩慢破裂所致,且尚未刺穿儲(chǔ)集層。該地震主震的震源深度為12 km,很有可能就位于沉積層內(nèi)。2018年在青藏高原北羌塘雙湖縣所鉆探的 “羌參1井”,鉆至4 km深,未鉆穿二疊系地層。

(3)證據(jù)3:全球較大的地震均發(fā)生在有沉積地層的地區(qū),如環(huán)太平洋帶的地震幾乎位于大陸架或陸坡,且深30 km以?xún)?nèi)的淺源6級(jí)以上的地震約占65%(2012年至今;信息來(lái)自中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心官網(wǎng)news.ceic.ac.cn)。日本311地震震中位于盆地內(nèi)部(38.1°N;142.6°E),即北上盆地(Kitakami basin)南部 (Arai et al.,2014),該盆地具有豐富的油氣資源。全球最大的地震1960年9.5級(jí)Valdivia(智利)地震發(fā)生于離大陸很近的大陸架上,震源上覆的地幔楔體可觀察到地震速度的局部降低,可能是由沉積物的水化作用或底侵引起的(Dzierma et al.,2012)。該震中北部后來(lái)發(fā)生的兩次大地震8.8級(jí)地震和8.3級(jí)地震(Ruiz et al.,2016)也位于大陸架相似的位置上。Olsen et al. (2020)用多條高精度地震剖面證實(shí)沿智利中南部邊緣(地震發(fā)生的地點(diǎn))流入的沉積物幾乎全部由溝槽楔狀濁積巖組成,其厚度為8～10 km。這些地震通常被認(rèn)為是板塊俯沖的結(jié)果,但1976年所發(fā)的唐山7.8級(jí)地震卻沒(méi)法用板塊運(yùn)動(dòng)來(lái)解釋,在該地震震源頂部有奧陶系、寒武系風(fēng)化殼(劉保金等,2011),也同樣具有高孔高滲儲(chǔ)集層,用流體壓力釋放的觀點(diǎn)可以很好地解釋。

證據(jù)4:井噴現(xiàn)象可以用儲(chǔ)集層內(nèi)流體的壓力釋放來(lái)解釋。魯西泥火山的噴發(fā)被認(rèn)為不是Yogyakarta 6.3級(jí)地震所引發(fā),而是旁邊的鉆井井噴所致(Tingay et al.,2008)。事實(shí)上,從BJP-1鉆探結(jié)果顯示,在深度900～1900 m處為黏土蓋層,直接蓋在1000 m厚的火山碎屑之上,具有高孔隙度,含高壓水,符合文中的流體壓力釋放的條件。地震、井噴及泥火山噴發(fā)均為刺穿了高壓儲(chǔ)集層的不同表現(xiàn)而已。

證據(jù)5:根據(jù)文中的模型推測(cè),在同一地區(qū)再次發(fā)生強(qiáng)震的最短距離為極限動(dòng)用半徑r(250 m),因?yàn)檫h(yuǎn)離原斷層超過(guò)r的儲(chǔ)集層仍會(huì)保持較高的流體壓力,一旦有破裂,仍會(huì)有強(qiáng)震。如1976年8月16日至9月2日共18天在16×53 km2的范圍內(nèi)的四川松潘地區(qū)共發(fā)生了11次地震(Jones et al.,1984),兩次最大為7.2級(jí)的地震各相隔7天(104.3°E;32.5°N),兩對(duì)相隔一周的地震震中距離僅5 km;2021年7月15日在2008年汶川大地震震中西南4.3 km處再次發(fā)生了4.8級(jí)地震。

4 結(jié)論

文章結(jié)合了地震學(xué)、地球化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、鉆探等多學(xué)科進(jìn)行了分析,得出以下結(jié)論。

(1) 來(lái)自深部變質(zhì)基底的流體數(shù)量可能不少,但因其豐度低,且多數(shù)為結(jié)構(gòu)水,不可能引發(fā)天然地震。

(2) 沉積地層中的高壓流體的壓力釋放可能是引發(fā)破壞性強(qiáng)震的重要能量來(lái)源。高孔隙儲(chǔ)集層含有海量流體,當(dāng)自然界構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的斷層破開(kāi)儲(chǔ)集層后,這些高壓流體的進(jìn)入斷裂帶形成高壓流體囊,當(dāng)斷至地表時(shí),其彈性能可以釋放出來(lái),所釋放的能量可以超過(guò)8級(jí)的地震所釋放的能量。地震過(guò)程的實(shí)質(zhì)是斷裂刺穿了一個(gè)沉積地層的“高壓封存箱”。

(3) 從汶川地震近震信號(hào)在時(shí)間域和頻率域中的分析可知,強(qiáng)震波形是來(lái)自于縱波的振動(dòng),而不是橫波振動(dòng)。

(4)地震過(guò)程可分為3個(gè)階段,微破裂Ⅰ、初動(dòng)后的斷層破裂過(guò)程Ⅱ、流體物理爆炸過(guò)程Ⅲ。階段Ⅰ可接收到地表電場(chǎng)異常信號(hào),但接收不到振動(dòng)信號(hào);過(guò)程Ⅱ伴隨整個(gè)地震過(guò)程,為高頻弱振幅;過(guò)程Ⅲ為低頻強(qiáng)振幅。

值得進(jìn)一步討論的科學(xué)問(wèn)題是,如何利用流動(dòng)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)電效應(yīng)產(chǎn)生的大氣電場(chǎng)擾動(dòng)來(lái)定量評(píng)價(jià)微破裂的位置和深度,從而進(jìn)行地震預(yù)報(bào)。

致謝:感謝四川省地震局提供的汶川地震波形數(shù)據(jù);感謝國(guó)家地震局趙永教授、黃輔瓊教授、四川地震局的劉玉發(fā)專(zhuān)家及中國(guó)科學(xué)地國(guó)家空間科學(xué)中心的陳濤教授提出較好的意見(jiàn)。