汶川地震和科学钻探

第82卷　第12期2008年12月 地　质　学　报 AC TA GEOLO GICA SIN ICA Vol.
82　No.12
Dec .　2008
注:本文为国家“汶川地震断裂带科学钻探”项目资助成果。

收稿日期:2008211210;改回日期:2008211220;责任编辑:周健。

作者简介:许志琴,女。

研究员,中国科学院院士,构造地质专业。

Email :xzq @ 。

汶川地震和科学钻探
许志琴1)
,李海兵1)
,吴忠良
2)
1)中国地质科学院地质研究所,北京,100037;　2)中国地震局地球物理研究所,北京,100029
内容提要:2008年5月12日,在我国四川省发生了震撼世界的汶川特大地震,给人民的生命财产造成了巨大的损失。

在汶川特大地震发生及其余震尚在继续的特殊时期,快速实施汶川地震断裂带的科学钻探(WFSD ),是认识地震发生的机制、继续对余震进行有效监控以及提高地震监视和预警的能力的极佳机遇。

2008年11月6日,汶川地震断裂带科学钻探工程开工典礼在四川省都江堰市虹口乡举行,标志着地震机制的研究跨上了新的台阶。

通过对科学钻孔的直接取样,多学科观测和测试,揭示地震断裂带的深部组分、结构和构造属性,重塑地震断裂带的物理和化学过程,为提高未来地震的监测、预报或预警能力提供重要信息。

关键词:汶川地震;科学钻探;地震机理
2008年5月12日14时28分,在我国四川省发生了震撼世界的汶川特大地震。

汶川地震的发震断裂位于青藏高原东缘龙门山断裂带,震级8.0,最大烈度11。

截至2008年10月10日,主震区累计发生余震33125次,其中5.0～5.9级32次,6级以上8次,余震范围长300km ,宽80km ,地震影响的范围涉及10个省(区、市)的417个县(市、区),受灾面积达50×104km 2。

汶川地震引起的次生灾害极其严重,致使救灾难度极大。

汶川特大地震是新中国成立以来破坏性最强,损失最惨重、波及范围最广而且援救最困难的一次强烈地震,造成8万多人死亡、37万多人受伤、4500多万人失去家园,导致近万亿元的财产损失。

汶川特大地震发生后,在党中央、国务院和中央军委的坚强领导下,灾区和社会各界进行了伟大的众志成城、抗震救灾战斗,取得重大的胜利。

尽管地震预报的难度很大,但是目前世界上一些国家和地区的科学家,正在千方百计利用新的科学技术,不断探索新的途径来提高对地震灾害的预报预警能力,提升对地球内部岩石变形机理的认知程度,其中一个重要的途径就是实施活动(地震)断裂带的科学钻探。

国际专家普遍认为,在地震断裂带上实施科学钻探,特别是在大地震发生后,利用科学钻探,通过对温度、地震波速度和发震断层渗透性等物理参数的精确测量,有可能获取有关地震愈合和破裂周期、地震摩擦热、岩脉填充、渗透性、流体作
用、应力状态等重要基础数据,大地震后的快速钻探是研究地震机制和捕捉余震直接信息的有效方法之
一。

活动(地震)断裂带的科学钻探可以通过原位观测、井中实验、断裂带物质的实验室分析以及长期监测等手段,为解决地震的物理化学和地震机制的根本问题提供重要的答案。

我们认为,中国是世界上地震多发国家之一,根据我国大陆强震分析趋势,选择若干重要地震活动带,制定中国主要地震断裂带(包括历史上的地震带)的科学钻探计划,通过科学钻探研究不同类型地震断裂的发震机制,并监测未来可能发生的地震,是防震减灾的长期科学战略。

特别是在汶川特大地震发生及其余震尚在继续的特殊时期,快速实施汶川地震断裂带的科学钻探(WFSD ),是认识地震发生的机制、继续对余震进行有效监控以及提高地震监视和预警的能力的极佳机遇。

1　地震断裂科学钻探的态势
我国台湾、日本和美国在地震活动断裂带实施科学钻探的经验给予我们重要的启迪。

1995年日本阪神大地震之后,日本科学家立即在Nojima 断裂带实施了科学钻探。

并分别于1997年、2000年和2003年进行了3次注水水文试验,以了解大地震之后水文学特征的演化规律。

“地震之国”日本,是世界上开展深井观测最早的国家之一。

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到2000年为止1000～3800m深的深井观测站至少已有22所,并逐年增加综合地球物理深井观测台站数目。

2006年在日本召开来自世界各地的80位科学家组成的由大陆科学钻探(ICDP)和大洋科学钻探(IODP)联合会议,重新检验断裂带上科学钻探的工艺,包括应力测量、流体压力测量、磁导率测量、岩芯取样、岩屑取样、流体取样,以及在断裂带及其周围的地表-钻孔地球物理场特征的研究。

1999年9月21日,我国台湾集集地震(M W 7.6)发生在南北向的车笼埔断裂。

为了理解引起集集地震的断层带的结构和机制,我国台湾和日本于2000年4月联合实施了车笼埔钻探项目。

我国台湾科学家立即在车笼埔断裂进行了两个浅孔科学钻探。

以调查车笼埔断裂南、北两段断裂特征截然不同的原因。

并于2006年在1300m深钻孔内安置了一组由美国研制生产的7台地震仪组成的深井地震仪,进行长期观测。

经过一年多的观测实践,证明深井观测可以记录到断裂带上震级M为0～2级极微弱地震,并能精确定位,根据微震活动研究断裂带上闭锁段的位置从而预测地震,其灵敏度和精度是常规地面观测无法达到的。

美国正在实施庞大的EAR T HSCOPE计划,旨在详细地揭示北美大陆岩石圈和地球深部构造,提高对地震、火山等地质灾害预警能力。

计划之一的加利福尼亚州圣安德列斯断层深度观测站(SA FOD)是通过圣安德列斯断层的钻孔观测测量并查明引起断层滑动、地震和地壳变形的地质条件。

地震科学钻探取得的初步成绩:
(1)断层滑移摩擦生热量和热异常研究:地震断裂作用非常重要且突出的问题是断层滑移摩擦生热的量。

通过对Nojima钻孔岩芯物质进行分析,估算了滑移带的瞬时热异常。

Fukuchi等(2007)通过顺磁共振方法,分析了Nojima断裂Hirabayashi N IED岩芯中数个滑移带的热异常,他们的结论是滑移带的物质从未经历过350℃以上的摩擦生热过程。

Sakaguchi等(2007)利用镜质组反射特征作为古地温指示,分析了我国台湾集集地震的车笼埔断裂带两处地表开孔样品和通过钻探取出的深部样品,发现断裂的总位移量取决于断裂上下盘的最大温差。

从1999年集集地震断层摩擦产生的最大温度达580℃,背景温度为130℃。

(2)断裂带的流体作用:Tagami和Murakami (2007)利用裂变径迹方法发现由于局部流体在断裂带内的流动,热扰动在时间和空间上的分布具有不均匀性。

Yamada等(2007)利用裂变径迹方法研究了Hirabayashi N IED岩芯(1140m深)的锆石和磷灰石的冷却年龄,发现由于流体流动的影响,断裂表面2m以下的锆石和磷灰石具有明显不同的年龄分布。

(3)流体渗透作用和断裂带的愈合:提出伴随同震的流体渗透作用,破坏带的断裂2裂隙体系中含硅酸盐地下水。

2000年和2004年从624m深的Hirabayashi GSJ钻孔断裂带获取的水样,分析结果表明,Nojima断裂在阪神地震5年后仍然没有愈合。

K itagawa等(2007)利用1997年、2000年和2003年反复注水试验,观测了Nojima断裂在To shima破坏带的渗透性变化。

他们记录到了在800m深度向相邻深孔注水时排水量的变化,结论是地震6年后渗透性减少40%。

此外,通过测量自然电位变化观测了注水试验时断裂带的特征,还发现导水率在阪神地震8年后下降了40%。

(4)微型地震的破裂过程:利用安装在Toshima DPRI孔中的地震仪,调查了微型地震的破裂过程。

他们利用环形裂纹孕育模式分析了31个地震事件的P波初始状态,结论是地震的最终大小取决于破裂孕育区的大小。

(5)断裂带的矿化作用:Hashimoto等(2007)用X射线衍射分析了车笼埔断裂带的粘土矿物,发现断裂带及其围岩中常见的粘土矿物为伊利石、蒙脱石和绿泥石。

他们发现在一些滑移带中蒙脱石有减少现象,与摩擦升温有关。

车笼埔断裂南北段的绿泥石化学成分变化反映流体特征变化。

利用钻孔岩芯样品研究了同震和震间流体行为,结果表明,同震摩擦或震间酸性流体的渗透是导致流体体积减少的主要原因。

(6)余震层析成像:车笼埔断裂带的地球物理调查包括横跨断裂地表破裂面的超浅P波地震反射。

该技术揭示近地表的断裂带结构与地面穿透雷达有相似的分辨率。

主要成果包括:①根据2000多余震绘制了清晰的地震层析成像图,揭示车笼埔断裂深部7～9km垂直位移,大部分余震集中于5～6km/ s的地震层序中;②横跨车笼埔断裂带下有一个低电阻率区域,反应了深部地壳流体可能参与了集集地震的破裂过程。

(7)地下岩石在地震来临前发生的物理变化:最近,《自然》杂志刊登了美国科学家钮凤林等人在圣安德烈斯断层上,第一次利用深井地震观测技术,在微秒级的精度上测量了地下岩石在地震来临前发生
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的物理变化(Niu,2008)。

钮凤林表示,如果后续的实地研究能够证实,在世界其他地区的断层地震活动中,也普遍存在同样的岩石物性变化,那么将来在此基础上有望开发出比较可靠的地震早期预警系统。

这篇论文引起了广泛的关注。

一些科学家认为这是有关捕获地震前兆现象的有效手段。

(8)气体地球化学异常对远程大地震的响应:在位于中国东部苏鲁超高压变质带(江苏省东海县)上的中国大陆科学钻探工程(CCSD)实施过程中,在线流体地球化学监测在2004年12月10至2005年1月10日之间捕获到一段重要的气体地球化学异常。

该异常从2004年12月24日晚上11点半开始到12月29日晚上7点半结束,其中在12月26日早上7点半到29日晚7点半的流体地球化学剧烈变化。

表现为流体组分从基本上不含Ar、He及N2跳跃到富含Ar、但亏损He和N2。

该异常发生开始在9.3级苏门答腊地震前1个半小时。

气体异常的出现是否和苏门答腊地震所产生的面波在CCSD现场激发的动态效应有关,而导致库仑型失稳,增进深部岩石或破裂带的渗透率,释放富含Ar但亏损He 和N2的流体(詹秀春等,2005),是人们感兴趣和值得探究的问题。

目前,在中国大陆科学钻探工程形成的5km 深井的基础上,已建立亚洲第一个深井长期观测站,将利用深孔进行地震监测的新的探索
2　汶川地震和汶川地震破裂构造
1995～2001年全球地震主要分布在环太平洋带、阿尔卑斯—喜马拉雅带、大西洋中脊和印度洋中脊上。

说明地震主要发生在洋脊和裂谷、海沟、转换断层和大陆内部的古板块边缘等构造活动带。

研究表明世界上存在3种类型的地震断裂:逆冲型、走滑型和正滑型,其中,汶川地震断裂是一条高角度逆冲兼右行走滑性质的断裂类型,对它的研究有特殊的意义。

位于青藏高原东缘与四川盆地结合带的龙门山主要由4条逆冲断裂:汶川2茂县断裂、映秀2北川断裂、灌县2安县断裂及平武2青川断裂及其夹持的构造岩片组成。

中石油和中石化集团已完成的横穿龙门山地震反射剖面,初步揭示龙门山具有前陆逆冲楔的深部结构(许志琴等,1992,Chen et al.,1995;贾东等,2003)(图1)。

汶川地震发生在龙门山脉,它是由扬子克拉通的西缘在青藏高原向东强烈挤压重新活化而形成的高山,龙门山脉的主体部分———彭灌杂岩就是活化了的扬子克拉通结晶基底。

研究表明,汶川地震的发生与印度板块向亚洲板块俯冲、碰撞有关,由此产生的挤压作用造成青藏高原的物质向东和东南方向流动,在龙门山地区受阻于刚性的扬子地块,长期挤压的能量积累突然释放造成强震(Xu et al., 2008)。

汶川地震断裂具有逆冲兼右行走滑、深度浅、震级大及破坏力强的特征(图1)。

对汶川地震的发震断裂进行地表破裂研究表明,龙门山中部的映秀2北川断裂是发震的主断裂,长275 km。

沿断裂及两侧(特别是上盘)破裂十分强烈,断裂面较陡,向西北陡倾(70°～80°),断裂面上发育可能是同期发育的横向擦痕及近水平擦痕指向,最大的垂直位移10m以上,水平位移达4m,表明是一条逆冲兼右行走滑的断裂。

断裂擦痕的测量表明,在映秀一带断裂擦痕以逆冲为主,北川一带以斜向逆冲走滑为主。

大量的破裂构造显示既有垂直抬升又有右行位移,而NE地带的走滑分量大于SW地带。

靠近四川盆地的灌县2安县断裂也是一条同震断裂,沿断裂及两侧的破裂明显,延续70～80km,垂直位移最大达4～5m,水平位移2～3m,同样显示逆冲兼右行走滑的特征(Xu et al.,2008)(图2)。

在该断裂东侧5～10km处出现一条NE方向延伸的沙土液化带,推测下面有隐伏断裂。

INSAR雷达干涉影像表明汶川2茂县断裂也有逆冲活动。

总体来看,龙门山是一条高耸狭长的山脉,山脉和盆地之间相对高差达4000m,GPS测量的水平位移量极小,高角度的逆冲断裂使龙门山快速向上增长,区别于逆冲断裂面较缓、水平位移分量较大的我国台湾集集地震的发震断裂———车笼铺逆冲兼左行断裂。

3　关于汶川大地震发生机理的关键科学问题
著名美国科学家Zoback等(2007)曾提出当今活动断裂和地震领域的8大科学问题:
(1)无震和有震条件下断裂滑移的变形机制有什么区别?
(2)为什么断裂滑移有时可导致地震,有时没有地震,有时又处于中间过渡状态,什么因素控制这些过程的相互转变?
(3)地震是如何形成的?断裂是如何发展、演化或停止的?
(4)地震之前,断裂带或其次级构造有没有前兆
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图1　龙门山及邻区构造地质图
Fig.1　A simplified geological map for the Longmenshan range and its adjacent area
1—龙门山杂岩;2—震旦系—古生界;3—三叠纪复理石;4—中生代—新生代花岗岩;5—晚三叠世—第四纪沉积岩;6—韧性拆离;7—拉伸线
理;8—逆冲断裂;9—右旋走滑断裂;10—左旋走滑断裂;11—推覆体;12—砾岩;13—砂岩;14—页岩;WMF —汶川2茂县断层;Y BF —映秀2北川断层;GA F —灌县2安县断层;PQ F —平武2青川断层;XSHF —鲜水河断层;LQSF —龙泉山断层;右上图—松潘2甘孜地块和扬子板块之间龙门山系区域背景
1—Longmenshan complex ;2—Sinian —Paleozoic ;3—Triassic flysh ;4—Mesozoic -Cenozoic granite ;5—Upper Triassic -Quaternary sediment s ;6—ductile detachment ;7—stretching lineation ;8—t hrust ;9—dextral strike 2slip fault ;10—sinistral strike 2slip fault ;11—nappe ;12—conglomerate ;13—sandstone ;14—shale ;WMF —Wenchuan 2Maoxian fault ;Y BF —Y ingxiu 2Beichuan fault ;GA F —Guanxian 2Anxian fault ;PQ F —Pingwu 2Qingchuan fault ,XSHF —Xianshuihe fault ;L QSF —Longquanshan fault ;Inset —regional 2scale setting of t he Longmenshan range between t he Songpan 2Ganzi terrane and t he Yangtze block
现象?如果有,能否根据钻孔观测建立地震预报或
早期预警机制?
(5)控制和能够造成海啸的断裂滑移过程是什么?
(6)断裂过程中特别是在快速的断裂滑移过程
中流体压力及其成分的作用如何?
(7)断裂带的渗透性在地震之间和地震之时是如何演化的?
(8)整个地震过程中在断裂带上或在断裂附近
的应力的张量怎样变化?
汶川大地震的发生为我们提出的一系列科学问题,其中最重要的是长期困扰人们的、直接关系到现代科学对强烈地震的预测能力的地震成因问题。

回应大地震迅速进行的地震断层科学钻探开辟了一条新的研究途径。

3.1　汶川地震究竟是在一个什么应力环境下发生的? 众所周知,由地表GPS 测量(卫星定位)得到龙
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第12期许志琴等:
汶川地震和科学钻探图2　汶川地震同震破裂分布图
Fig.2　Coseismic surface ruptures (red lines )of the 2008Wenchuan earthquarke sequence
BF —映秀2北川断裂;GA F —灌县2安县断裂;WMF —汶川2茂县断裂;LQSF —龙泉山断裂;PQ F —平武2青川断裂;MF —岷江断裂
Y BF —Y ingxiu 2Beichuan fault ;GA F —Guanxian 2Anxian ;WMF —Wenchuan 2Maoxian fault ;
LQSF —Longquanshan fault ;PQ F —Pingwu 2Qingchuan fault ;MF —Minjiang fault
门山断裂带的地壳水平位移速率极低(<1.5～1.9
mm/a )(Chen et al.,2000;张培震等,2002;Zhang et al.,2004;Burchfiel et al.,2008),而与刚性的阿
拉善地块、鄂尔多斯地块和扬子地块接壤的整个青藏高原北缘和东缘,GPS 测量均显示GPS 测量水平
位移速率值低值(<3mm/a )及位移方向突然转变,在那里,曾发生过5次8级地震和20次7级以上历史地震的(邓起东等,2007)(图3)。

那么,为什么在GPS 值极低的地方却产生巨大的地震灾害?这种
极低的速率是否在深部继续保持?汶川地震究竟是在一个什么应力环境下发生的?
这是理解汶川大地震的成因机制的一个重要科学问题。

解决这一问题不仅需要通过地震资料和大地测量资料间接推测应力状态和应力水平,而且需要通过科学钻探进行直接的深部应力测量,获得应力随深度的变化规律以及地震震源附近的应力状态。

搞清楚这一特点的深部原因,将直接决定对该
区地震危险性的判断。

3.2　巨大的地震破裂是如何产生的?
汶川地震产生的长度近300km 、最大滑动量达10m 的巨量滑移,这一切是在80s 的瞬间完成的,
究竟是怎样形成的?地震破裂如何克服巨大的阻力而形成如此规模的滑动,或者说在地震起始后断层上的阻力是通过什么机制急剧降低以至使巨量滑动成为可能?又是什么机制最终停止了这种滑动?这是需要通过直接的科学探测断层上地震滑动的“遗迹”来回答的问题。

3.3　为什么汶川地震破裂主要是自南西向北东传
播? 汶川地震呈单极北东向扩展,汶川地震破裂近300km ,破裂方向为北东229°,方位角为32°,破裂
时间仅仅80s ,沿断裂距震中60～80km 的北东地区,是地震位移最大地区。

汶川地震震中位于映秀2北川断裂附近,地震震源深度约10～16km ,地震发
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图3　青藏高原东部GPS 位移速度图(据Zhang 等,2004)
Fig.3　GPS velocities in and around the eastern Tibetan plateau (after Zhang et al.,2004)
红点—地震(M ≥7.0)(据邓起东等,2007);AL TF —阿尔金断裂;EKL F —东昆仑断裂;
L MSF —龙门山断裂;XSHF —鲜水河断裂;H YF —海源断裂
Red dot s —Eart hquakes (M ≥7.0)(after Deng et al.,2007);AL TF —Altyn Tagh fault ;EKL F —East Kunlun fault ;
L MSF —Longmenshan fault ;XSH F —Xianshuihe fault ;H YF —Haiyuan fault
生5个多月来,大量的余震定位表明,地震发生后的
30000多次余震主要沿龙门山映秀2青川一线,而在其南部宝兴一带却没有任何“响应”,这一异常的“安静”使地质地震学家们感到难以理解,对余震的预测又意味着什么?3.4　地下流体是怎样决定着地震的孕育、发生、停止的过程? 地下流体在地壳的浅源地震中发挥着重要作用。

然而,具体到汶川地震,地下流体的作用究竟表现在什么地方,地下流体是怎样决定着地震的孕育、发生、停止的过程的,需要直接的断层取样来回答。

回答这些问题也有助于弄清楚汶川地震前可能存在什么样的地震前兆。

3.5　汶川地震后的余震强度和余震持续时间?
这是汶川地震以来倍受社会关注的问题之一。

这个问题的回答,取决于对地震断层的愈合性质和深部地壳的流变性质的了解。

与其他的地震钻探如圣安德烈斯钻探、野岛钻探和车笼埔钻探不同,汶川地震钻探试图在地震发生后的5个月时间内、在余震活动还在持续的时候就开始快速钻进,由此所测得的地震断层及周围介质的性质随时间的变化,不仅对理解地震断层的愈合过程有直接帮助,而且对强余震趋势的估计具有直接的实际意义。

4　汶川地震断裂带科学钻探工程的实
施和意义
温家宝总理曾经说过:“中华民族在灾难中失去的,将在进步中得到”。

面对汶川特大地震灾难,良知和责任感使中国的地球科学家感到格外沉痛,我
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图5　北川行系列照片
Fig.5　Photos f rom prospecting Beichuan
们应该为民族的科学进步事业做什么?
得到中外许多科学家支持的“汶川地震断裂带
科学钻探”的实施是中国大陆科学钻探整合计划的新的起点,是我国第一次围绕大地震的主题进行的科学钻探,也是世界上回应大地震实施科学钻探最
快(大地震后178天)的一次科学行为,是极为珍贵的一次机遇。

汶川地震断裂带科学钻探工程(WFSD )首钻已于2008年11月6日启动,井位设在四川省都江堰市虹口乡(图4)。

汶川地震断裂带科学钻探工程(WFSD )计划在汶川大地震和复发微
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地震的源区———龙门山“映秀2北川”断裂及龙门山前缘灌县2安县断裂带先后实施数口中—浅科学群钻(800～3000m)。

对钻探的岩芯、岩屑和流体样品进行多学科观测、测试和研究。

WFSD将采用一系列先进的观测和分析手段,开展地质构造、地震地质、岩石力学、化学物理、地震物理、流体作用和流变学等多学科研究。

对大地震和复发微地震的源区进行直接取样,通过多学科观测和测试,揭示控制断裂作用及地震发生的物理和化学作用,为未来地震的监测、预报或预警提供最基础的数据。

主要研究内容包括:揭示汶川地震断裂带的深部物质组成、结构、产出和构造属性;恢复地震过程中的岩石物理和化学行为(包括摩擦系数、流体压力、应力大小、渗透率、地震波速、矿物和化学组成等)以及能量状态与破裂演化过程;深化认识汶川地震发生的应力环境、巨大的地震破裂产生及自南西向北东方向传播原因、地下流体在地震的孕育、发生、停止的过程中的作用;检验和深化理解逆冲兼右行走滑性质地震断裂的发震机理,为未来地震的监测、预报或预警提供最基础的数据和科学依据。

完钻后,将在井中安放地震探测仪器,以实现井中地震监测和提高预报能力的目的,建立中国第二个深孔长期地震观测站(第一个是江苏省东海县5km深井的长期观测站)。

不久前,笔者进入了北川县城,这座经过5·12大地震摧残和9月24日大暴雨、泥石流肆虐的城市,已经变成一座空城和废城,惨不忍睹。

劫后余生的北川同胞正面临严冬(图5)。

作为地学工作者应把国家和人民的安全放在首位,把提高地震预警和预报能力作为不可推卸的社会责任,以科学之进步弥补灾难之所失。

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