地下流体对地震前兆作用的综述_李民

文章编号:1003-1375(2007)02-0024-05
地下流体对地震前兆作用的综述
李
民
(中国地震应急搜救中心,北京 100049)
摘要:地下流体及流体力普遍存在且对地震前兆产生作用。

本文从前兆机理、实例等方面综述了地下流体及流体力(包括降水等产生的力)对地震前兆的作用,表明降水等产生的地下流体及流体力对地震前兆的作用不可忽略,无论是浅层地下流体还是深部地下流体均影响前兆异常的产生,且地下流体对地震前兆的作用是在特定的地质构造、水文地质环境下发生。

关键词:地下流体;流体力;地震前兆中图分类号:P315.72 文献标识码:A
0 引 言
人们很早就注意到了地下流体及流体力的存在,对其进行了研究并取得了大量的认识[1-4]
,特
别是20世纪人们认识到地壳中流体存在的普遍性与流体作用的重要性,使地下流体及流体力作用研究也成为一个新的研究热点[3]。

这些研究及结果对于揭示地球运动特别是地震孕育、发展、产生及其前兆形成具有重要的意义;而地震预测又是依据前兆异常进行的。

因此,深入详细地了解地下流体对地震前兆的作用和影响无疑有助于我们正确地把握震情发展方向和作出具有减灾实效的预测意见。

为此,本文综述了地下流体及流体力(包括降水等产生的力)对地震前兆的作用和影响。

1 流体对地震的作用
1.1 震源体内的流体
震源体内有关流体的问题是地球科学家们研究的热点,并取得了一些成果。

郭增建和秦保燕[5]
根据MT 探测结果认为,1920年海原M s8.5级特大地震的震源体的电阻率震后50年仍然非常低,仅18.M ,推测其为水溶液存在,而且是大震所致。

这样的观点,被后来的研究成果进一步得到证实。

1975年2月4日辽南发生7.3地震,震源深度
为12km,大量余震深度到15km 附近终止,这可能是震源体的底部。

该地区大地电磁测深资料表明,
在上述余震剖面底部,即15~20km 深度上存在着异常低阻层[5]。

Zhao 等[6]
根据1995年日本阪神地震3200多次余震与431次微小震所产生的64000个P 波与49000多个S 波资料的系统研究结果发现,震中区正下方16~23km 深度上横向延伸约25km 的三维震源体,其标致是T p 与T s 较外围低1~4%,泊松比高1~6%。

他们认为,这是因为其中充满流体所致。

Gupta 和Sarm a [7]研究了1993年印度拉托尔地震的震源体后,也认为其具有高导低速的异常物性并解释其内充满流体。

日本学者调查了过去400年间日本的地震和火山活动,认为火山活动与地震十分密切,其原因是来自超过莫霍面深处的热的上升,在上升过程中会促使或诱发板块活动和内陆地震(断层活动)或深震¹。

在日本列岛的俯冲带上,常常有火山活动和地震发生,这时候因为板块供给了大量的水,即板块的脱水分解反应使水在地幔楔体内移动,因此其部分熔化温度下降,使俯冲带产生了岩浆,这样一来,由板块供给的水,一部分储留在地幔的褶皱中,一部分伴随岩浆的上升从地表冒出¹。

汤吉等[8]根据张北)尚义地震现场MT 动态观测结果发现,震中区及其外围电阻率在地震后有
***¹早川正已.根据地壳的热活动研究日本的地震和火山活动.潘元振译,地震科技情报,1998,3:32-24.
收稿日期:2006-12-0
基金项目:地震科学联合基金项目(102069,104009)
作者简介:李民(1964-),男(汉族),山西省运城人,中国地震应急搜救中心高级工程师,主要从事地震监测、应急救援等工作.
第25卷第2期2007年6月
华 北 地 震 科 学
NOR TH CH INA EART HQ UA KE SCI EN CES
V ol.25,No.2Jun.,2007
明显变化,震中区电阻率震后逐渐上升,外围区震后电阻率较震前明显降低。

认为电阻率的这种变化,可能与该地区地壳深部的流体震后由震中区向外围扩散有关。

从目前的研究成果看,震源体内存在流体的观点已被广大地球科学界所接受。

1.2地下流体对地震前兆机理的作用
作为地震科学探索的重要组成部分,地震孕育过程及其前兆机理的研究一直是国内外地震科学家们关注的重要领域。

虽然不同的学者对地震孕育、发展和发生与流体参与方式、作用有不同的认识,但均认同地下流体对地震孕育、发展和发生产生影响。

因此,他们提出的地震前兆机理(模型)中均包含着流体对前兆的作用,从而使地震前兆异常机理研究成果能够对一些前兆现象作出合理的解释,如扩容和裂隙串通模型[1-2]、中地壳硬夹层孕震与流体促震假设[3]、水诱发异常机理[9]以及/双力源0前兆观点[4]等。

所以,在地震前兆机理(模型)研究中,无法忽略地下流体及流体力所起的重要作用。

流体力系指地下流体的存在与活动(指流动、动态变化)所产生的力,包括孔隙压力、动水压力、载荷、物理化学等流体作用所产生的力以及热物质流动所产生的力。

在孕震过程中,由于应力长期积累,岩石出现微小裂缝并破裂和串通,一方面导致岩石体积膨胀(即扩容),产生地壳变形;另一方面为地壳中包含的各种流体开通其活动和流通的渠道,从而使地下水等地下流体位置发生变化,产生地下水位等异常。

同时,地应力的不断增加,将出现压缩区和张性区。

压缩区水位会逐渐抬升;张性区水位会逐渐下降[10]。

而地下水的变化,将产生孔隙压力、动水压力、化学腐蚀、载荷等作用,使岩石强度下降和结构破坏,致使岩石弱化[11-12],进而又对变形产生影响,主要作用方式有:¹流体孔隙压力减小断层面正应力,从而减小断层抗剪强度;º流体润滑作用减小断层摩擦系数,从而减小断层抗剪强度;»流体存在改变断层及围岩物理力学性质,降低力学强度;¼高压流体对围岩的压裂和爆破作用;½流体与岩石矿物相互作用和变质反应,强化断裂带的纫性和塑性[13];而这些作用和影响又是在特定的地质构造、水文地质环境下发生[13]。

对于这一作用过程,车用太等通过一系列理论、实验与观测分析[14],明确提出:/地下水微动态形成可分为两种过程:岩土力学过程与水动力学过程。

岩土力学过程指含水层岩土受力作用发生地壳变形破坏,并由此引起孔隙压力变化的过程。

水动力学过程指含水层内由孔隙压力发生变化之后,其信息在含水层)井孔系统中或通过压力的传递(能量传递),或通过流体介质的迁移(质量传递)反映到观测井中来的过程0。

对于在地震孕育阶段,如处于短临阶段,流体作用将促使地震发生,如地震孕育处于中长期阶段,流体作用将使区域构造应力调整,产生蠕动,即减震[15]。

刘耀炜¹等对异常机理给出了解释,认为:测点外围断层蠕动以及小裂隙串通形成大裂隙时,其压力明显小于测点压力,流体迅速流向这些部位,出现测点水位的突降;孔隙压力的变化改变岩石的渗透性,使水位出现转折下降。

陆明勇[16]曾通过对已有的孕震模式进行深入研究,获得了地壳裂缝、孔隙如何在地震孕育过程中的变化,以及它们与地下流体之间的相互作用、相互影响,给出了地壳变形和水位变化在地震孕育过程中的演化图像。

车用太等[17]对井水位对地壳应力)应变响应灵敏度研究后认为,井水位对各类作用力的响应灵敏度与作用力的作用面积、作用频率等有关,对低频的大面积作用力响应灵敏度高,对高频的局部作用力的响应灵敏度小。

地下流体前兆异常机理,很多研究者进行了数值模拟,从而使我们更加清楚地了解异常机理以及异常表现。

如张慧等[18]利用数值模拟研究了有流体作用下的孕震过程,结果表明:孕震早期,即弹性积累和非线性阶段,地下流体缓慢变化,异常不明显,孔隙压力增大;中期阶段,即硬化及局部膨胀阶段,震源区出现膨胀,地下流体异常主要集中在震源区,源兆出现得早,场兆出现得晚,孔隙压力继续增大;进入中短期阶段,即大范围膨胀阶段,震源区异常继续发展,异常区不断扩大,在震源区以外出现新的异常值较大地区,此时段孔隙压力减小。

孙君秀等[19]通过研究渗流场和应力场相互作用表明,岩石的抗剪强度及摩擦阻力随孔隙压力的增大而降低,但剪切应力随孔隙压力增大,孔隙压力使应变分布和幅度发生变化,应变的加速变化促使孕震过程加剧和地震发生。

所以地下水对断层的滑动以及对震源区的应力、应变场起着重要的控制作用。

刘五洲等[20]通过三维数值模拟方法研究表明,地下水的存在,不单增加了前兆应力场时空演化的流变性,并促
25
*¹刘耀炜、李丽等,2003,/十五0国家科技攻关项目%流体短期前兆的机理研究(02-02-03)的进展汇报。

2期李民:地下流体对地震前兆作用的综述
使应力向断裂带聚集,而且还增加了震前的破裂水平,尤其是短临阶段,这种作用更加显著,但随深度的增加,地下水对应力场的影响作用逐渐减弱。

对于深部流体(物质)上流(上涌)而产生地震的孕震情况,在异常机理研究方面,刘耀炜¹认为:在地震孕育过程中,特别是在中期(扩容)以后,震源体开始非弹性变形,裂隙增生、破裂产生,导致膨胀区内孔隙压力迅速降低,流体流向压力低的地方,使水位迅速降低;另外由于扩容区不断增大,当使产生的裂缝到达下方的深部流体处时,其压力相对高于扩容区上方和周围流体压力,因此深部物质侵入,孔隙压增大,水位升高,所以在岩体扩容和深部物质上涌到扩容的过程,扩容区压力的变化经历了下降、回升过程。

车用太等[3]从孕震机理方面提出板内强震的中地壳硬夹层孕震与流体促震假设的模型,认为地壳中存在上下两大流体活动,其间发育有中地壳硬夹层,该层是地壳应力积累并孕育地震的层位;当其中某些部位积累的应力达到屈服强度时,则进入微破裂$膨胀(扩容)阶段并形成震源体;被扩容的震源体在真空吸泵作用下,由下层流体系统把流体吸渗到其内,在震源体内引起剪切力增强与抗剪力减弱的两个过程同步发展,并最终因剪切力达到抗剪力而导致震源体的破裂而发生地震。

同时,在/八五0攻关研究中,车用太等[21]还认为地壳中存在坚固体,在应力达到足以使坚固体进入张性微破裂发育的阶段时产生岩石膨胀,其结果对地壳浅层产生拉张应力作用;上地幔物质沿下地壳存在的深部断裂带进入具有微破裂的坚固体中,使坚固体弱化并导致地震;震前震源体的膨胀与发展、断层的蠕动及深部物质的上涌与回落,将引起浅部地壳的拉张与压缩作用,由此导致震前地表面的隆起与下沉、井水位的下降与上升或快速下降与下降变缓。

张永仙[22]曾对深部热物质进行三维数值模拟并探讨其运移在地震孕育过程中的作用,发现在地震发生前几年时间尺度的孕育阶段,热传导的作用可以忽略不计,而热物质的流动起重要作用;提出在地震孕育过程中,当地壳介质非均匀部位的应力积累扩容时,由于扩容区的孔隙压降低并且裂隙增生和相互串通,使扩容区下部的相对高温流体涌入扩容区,即热物质的上涌最初是被动的;一旦热物质涌入扩容区,其所带来的热力学效应一方面使地表浅层产生一些前兆现象(如地壳浅层裂隙的张性活动、地表的隆起、水位下降)回升等),另一方面使介质强度降低,扩容区孔隙压回升而加剧孕震过程的发展。

在降水、地下水诱发前兆异常及其机理研究方面,王吉易等[9]研究表明,地下水诱发浅层前兆异常,其原因是降水等因素造成地下水动态变化,产生一种作用于地壳岩石的附加流体力;地震前,通过多种流体力作用,引起已经积累较高应力的地壳应力$应力场调整变化,并使岩石强度改变,从而促使与诱发浅层地壳的构造变动,其结果是派生或伴生出地形变、地应力、水化学及地电阻率等多种浅层前兆异常。

在降水、地下水的多种周期变化成分中,只有那些能与地壳应力)应变过程产生力学耦合的周期变化,才能调制与诱发出异常。

陆明勇[4]进一步研究表明,断层活动受构造压力和降雨、地下水产生的附加力共同作用;断层受力方式的改变对地壳形变、地下水位及相互关系产生影响并使观测曲线形态发生变化;地壳形变与地下水位前兆异常是在地震孕育构造应力和降雨、地下水引起的附加力共同作用下产生的非周期性变化;地震前兆的产生是/双力源0即构造应力和流体力联合作用的结果,彼此消长产生不同的观测图形及前兆异常;构造应力的作用是第一位的,地下流体力则是附加的、调制性的,只有那些能与地震孕育构造应力增强过程产生力学耦合的地下流体力才能调制与诱发出地震前兆异常并促使地震发生。

因此,震源处不仅存在地下流体,而且地下流体对地震孕育、发展、发生以及前兆的产生起作重要的作用。

2地下流体对地震前兆作用的实例在地震孕育和发展过程中,当其中某些部位积累的应力达到岩石的屈服强度时,则进入微破裂$膨胀(扩容)阶段并形成震源体。

震源体产生的非弹性变形,使裂隙增生、微破裂出现和串通。

在此过程中产生多种流体力,这些是导致地壳深层与浅层的前兆异常产生的必要条件。

因此,地震的孕育、发展以及前兆的产生不仅受构造应力作用,还与流体(包括降雨、地下水和气体)作用有关。

地震是地壳运动中岩石应力应变不断积累、增强,当其超过岩体破裂强度时所发生的岩体突然破裂[16]。

在应力应变长时期积累的过程中,岩石出现微小的破裂和裂缝串通,一方面导致岩石体积的膨胀,产生地壳变形;另一方面为地壳中包含的水等各种流体开通其活动和流通的渠道,从而使水等流体位置发生变化。

而水等流体的存在和位置变化将进一步产生流体力,并进而影响地震的发生和前兆的
26华北地震科学25卷
产生[3-4]。

因此,很多地震前均出现了地下流体的变化,特别是在地震前短临阶段,往往能观测到显著的地形变和地下水位异常,如1976年唐山7.8级大地震、1998年张北6.2级地震、2001年四川雅江)康定之间6.0级地震和2002年甘肃玉门5.9级地震前,在震源附近都曾观测到显著的地下水井喷现象及大幅度的形变异常。

众所周知,修建水库并蓄水一方面使载荷和孔隙压力静态增加;另一方面产生耦合多孔弹性影响[23],结果改变应力状态,量值可达MPa级,如一个100m深的水库将使水库下的垂直应力和孔隙压力升高1M Pa,而典型的地震应力降为3~ 10MPa[23]。

因此,水库诱发变化可以使原本稳定的地方产生前兆异常并诱发地震,其量值震级可达6级以上,如广东新丰江水库1962年6.2、印度柯依纳水库1967年6.5等地震[24]。

而广东新丰江水库1962年6.2级地震震前的成功预报,实际上就是根据地下水产生的前兆异常进行的。

三峡水库2003年第一期蓄水后,库区和周围地区便出现明显沉降,最大幅度为30~40mm;在蓄水过程及蓄水后,重力值不断增加,出现异常(从2003年5月25日~6月11日累积的最大变化为200@10-8ms-2),结果三峡库区及周围小震增加[24]。

注液和抽液同样可以产生异常和地震。

如/卡西欧0化学公司在一个工厂内,用压力将工业废水注入两个专门的深钻孔内,结果在1986年1月31日在距注液处11km外的佩里山(美国俄亥俄州)地区/一个被认为是没有地震危险性的地区0发生了里氏4.9级地震¹。

1989年前苏联鞑靼地区因开采大量的石油(半个世纪共开采20多亿吨石油)而发生地震,其居民普遍有感,震中烈度为6度¹。

1995年日本神户地震后沿断层进行的注水诱发地震[25]。

1985年12月~1986年1月山东省胜利油田角07井注水后发生一系列地震(最大为2.4),也是一次较典型的深井注水诱发地震事件[26]。

研究认为:当压力达到100kg/cm2,钻孔深度为2000m的时候,施加的物理作用可使岩石沿着地壳的隐伏断层方向发生破裂,人们感觉到像是地震。

由于注液或抽液引起地下流体的流量、流速及流向变化,从而通过孔隙压力、动压力及化学腐蚀等作用产生流体力,致使断层面上摩擦力降低、应力状况改变以及介质弱化,从而引起地震º。

降水及其引起的地下水变化,过去总是把它作为干扰因素来看待,但从上世纪末人们对这种认识开始改变。

降雨和地下水(流体)对断层变形的影响是不可忽略的[15][27],它可以改变区域构造应力并诱发前兆[4-5][9]。

在区域应力场增强下,水渗入对断层起到润滑作用,触发已有较强应力积累的断层错动。

断层活动受构造压力和降雨、地下水产生的流体力共同作用,断层受力方式的改变对地壳形变、地下水位及相互关系产生影响并使动态曲线形态发生变化[4]。

地壳形变与地下水位前兆异常是在地震孕育构造应力和降雨、地下水引起的流体力共同作用下产生的非周期性变化[4]。

地壳中存在着深浅部两类流体,在地震孕育、发展、发生过程中表现出不同的作用,从而产生一些前兆异常,如地表形变、重力、水位、地温、地电率等异常变化。

如观测资料和模拟研究结果[22]表明,1976年唐山地震的异常是深部流体涌入,构造应力增强所形成的扩容区后,使地表浅层产生一些前兆现象(如地壳浅层裂隙的张性活动、地表的隆起、水位下降)回升等。

上述实例表明,无论是深层地下流体还是浅层地下流体对地震前兆的作用是存在的。

3结语
众所周知,地震是地壳构造运动的产物,但目前对地震孕育和前兆机理我们仍知之甚少,研究处于初步探索阶段。

地下流体及流体力普遍存在且对构造活动包括地震产生不可忽视和十分重要的作用。

通过对综述地下流体及流体力(包括降水等产生的力)对地震前兆的作用和影响,可以更好地认识地下流体及流体力(包括降水等产生的力)在构造活动特别是地震孕育、发展、产生中对地震前兆形成的作用。

降水及其引起的地下水变化可以产生地下流体及流体力,过去人们把它作为干扰因素而排除,但实际上它对地震前兆的作用和影响不可忽略。

在地震孕育、发展和发生的不同时期不同震源体作用不同,如在地震孕育的后期即短临阶段特别是临震阶段,流体作用可以促使地震发生,但在中长期阶段,流体作用使震源体蠕动,应力调整从而起到减震作用。

27
*¹赵淑贞译.苏联鞑靼地震的原因和结论.地震科技情报,1990,5:35-36.
º赵淑贞译.诱发地震.地震科技情报,1990,5:35.
2期李民:地下流体对地震前兆作用的综述
因此,在深入研究构造应力的同时,应该加强降水等产生的地下流体及流体力对前兆作用的研究。

地下流体可以分为浅层地下流体和深部地下流体,在地震孕育、发展、产生中,浅层地下流体和深部地下流体可以相互作用并对前兆异常的形成产生影响。

但对于它们之间如何作用以及如何影响前兆异常,目前仍然知之甚少。

所以,应该深入开展浅层地下流体与深部地下流体相互作用以及对前兆影响的研究,以便更好地揭示地震前兆机理。

然而地下流体及流体力对地震前兆的作用又是在特定的地质构造、水文地质环境下发生,目前这方面的研究不多、不深。

因此,在研究地下流体对地震前兆的影响过程中,要特别重视特定构造作用对地质环境因素的影响。

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Overview on the action of subsurface fluid to seismic precursor
LI Min
(China Center for Earthquake Disaster Emergency and SAR,Beijing100049,China)
Abstract:Subsurface fluid and fluid force ex ist universally in crust and act on seismic precursor.From mechanism and ex am ples,the action is discussed here.The results show that,the action can not neglect,and occurs only in special geolog ical structure and hydrolog ic geology environment,no matter is produced by shallow or deep fluid. Key words:subsurface fluid;fluid force;seism ic precursor,action
28华北地震科学25卷。