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。

地　质　学　报2008年

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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