水庫(kù)誘發(fā)地震孕育與發(fā)生過(guò)程中超臨界流體作用的思考

胡先明 陳巨鵬

1）四川省地震局，成都 610041

2）四川遠(yuǎn)光實(shí)業(yè)公司，成都 610213

水庫(kù)誘發(fā)地震作為一種因人類水利建設(shè)活動(dòng)導(dǎo)致的地震，其地震機(jī)制多年來(lái)受到地震學(xué)界的廣泛研究，目前基本認(rèn)為庫(kù)水滲漏降低斷裂帶巖石的摩擦阻力是導(dǎo)致發(fā)震的主要原因之一，而地震能量來(lái)源自于板塊運(yùn)動(dòng)的積累。筆者在對(duì)庫(kù)水滲漏可能到達(dá)的深度環(huán)境進(jìn)行分析研究后，參考重力熱管的熱工原理，提出一種水庫(kù)與斷裂耦擬，受庫(kù)水影響地下水沿?cái)嗔褞B漏到超過(guò)水的臨界溫度條件下發(fā)生二級(jí)相變的一種熱抽運(yùn)體制，導(dǎo)致淺部地溫升高形成大量水二級(jí)相變超壓，導(dǎo)致水封蓋地層破壞而發(fā)生地震的物理模型—水庫(kù)誘發(fā)地震的水二級(jí)相變?cè)姓鹉Ｐ汀?/p>

大陸板塊內(nèi)部的地震，多發(fā)生在地殼中時(shí)層平10～25 km深度內(nèi)是一個(gè)普遍事實(shí)，人們將大陸板塊內(nèi)部震源相對(duì)集中的層平稱為“多震層”或“易震層”。水以礦物的結(jié)構(gòu)水形式被帶入到15.5～25.1 km深度以下的巖石圈中；若礦物結(jié)構(gòu)水完全脫出，在俯沖帶中水臨界溫度至礦物脫結(jié)構(gòu)水的極限溫度相對(duì)應(yīng)的區(qū)域內(nèi)（如秦嶺15.5～64.0 km）；平平含水為0.5～1.0%。過(guò)渡帶和下地幔上部的水含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為1.48%，下地幔下部水含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.21%。筆者認(rèn)為，從“多震層”和地下流體的存在狀態(tài)來(lái)考慮水庫(kù)誘發(fā)地震，據(jù)一些學(xué)者的研究可知在地殼和地幔中地下流體是富足的，有產(chǎn)生水二級(jí)相變的條件。

在近地表地溫特別高的火山活動(dòng)區(qū)或張性深大斷裂附近可能存在水的一級(jí)相變，相變的方向是由高壓液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，而在相對(duì)封閉的巖石圈中水只有二級(jí)相變而無(wú)一級(jí)相變。如今人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，少量水的存在就可以深刻影響著巖石礦物和熔體的物理性質(zhì)，例如可以使它們的粘度和強(qiáng)度降低，擴(kuò)散速率和電導(dǎo)率提高，地震波衰減，以及液相擬溫度降低。這些影響表明了水在任何地質(zhì)體系中都是最活躍的組分，對(duì)整個(gè)地球的演化和動(dòng)力學(xué)有著巨大的意義。深部流體具有爆破作用。流體的壓力梯度越大，其爆破作用越強(qiáng)。與深部含流體層相交的斷層或隱伏斷層能給上涌流體提供通道，從而產(chǎn)生較大的流體壓力梯度，并容易發(fā)生地震。6722鈾礦床長(zhǎng)英質(zhì)隱爆碎屑（角礫）巖產(chǎn)出的地質(zhì)條件及其分帶特征與我國(guó)地下核爆炸試驗(yàn)的地質(zhì)條件及其產(chǎn)生的地質(zhì)效應(yīng)在一定程度上可以對(duì)比。類比計(jì)算表明6722隱爆碎屑巖的形成伴隨著巨大能量（152 400噸TNT當(dāng)量）的爆炸釋放。地下流體產(chǎn)生二級(jí)相變有地質(zhì)動(dòng)力產(chǎn)生，可能為水庫(kù)誘發(fā)地震帶來(lái)能量。

在巖石圈中若沒(méi)有斷裂的存在時(shí)則不可能同時(shí)達(dá)到水的臨界溫度和臨界壓力，不可能出現(xiàn)臨界奇異性。斷裂使壓力降至水的臨界壓力，使得在巖石圈中某處溫度和壓力可同時(shí)達(dá)到水的臨界值而出現(xiàn)奇異性，水的臨界奇異性和斷裂的耦擬導(dǎo)致熱壓劇增，可能觸發(fā)地震。流體對(duì)斷裂活動(dòng)性的影響比較復(fù)雜，主要表現(xiàn)在水巖相互作用導(dǎo)致斷裂帶強(qiáng)度的變化以及水巖摩擦作用產(chǎn)生的熱應(yīng)力等引起的流體壓力的變化對(duì)斷裂帶穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而使斷裂帶失穩(wěn)，引發(fā)地震。巖體結(jié)構(gòu)在有水作用的情況下，其內(nèi)部的小裂縫也有可能發(fā)展到一定規(guī)模，甚至威脅到結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在巖石主破裂前，不同類型試樣各點(diǎn)應(yīng)變都出現(xiàn)趨勢(shì)性變化；除軟包體型試樣外，各點(diǎn)應(yīng)變除趨勢(shì)性變化外，都出現(xiàn)應(yīng)變突變。據(jù)此提出應(yīng)變成核概念。眾多的潛在前兆之一就是該地區(qū)4～5級(jí)地震前的“成核”。“成核”指的是小地震密集發(fā)生，集結(jié)成4～5級(jí)地震。這樣，關(guān)鍵的問(wèn)題就歸結(jié)為如何實(shí)時(shí)地識(shí)別“成核”。筆者認(rèn)為，識(shí)別“成核”，重點(diǎn)關(guān)注特定水庫(kù)蓄水使得其下方可能出現(xiàn)的地下流體變化情況，對(duì)于水庫(kù)誘發(fā)地震研究，對(duì)于特定水庫(kù)可能誘發(fā)的最大震級(jí)，對(duì)于特定水庫(kù)蓄水后的水庫(kù)誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)，都是十分重要的。