圣安德烈斯斷層中是否存在高孔隙壓力*

Chi-yuen Wang

(Department of Earth and Planetary Science，University of California-Berkeley，Berkeley，California 94720，USA)

圣安德烈斯斷層中是否存在高孔隙壓力*

Chi-yuen Wang

(Department of Earth and Planetary Science，University of California-Berkeley，Berkeley，California 94720，USA)

假設(shè)圣安德烈斯斷層(加州)中存在高孔隙壓力流體，并用其來解釋斷層的主動性失穩(wěn)，這或許直接影響著對地震發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識。但最近在位于加州東部圣安德烈斯斷層上的鉆探(SAFOD，San Andreas Fault Observatory at Depth)中，未發(fā)現(xiàn)存在高孔隙壓力流體的相關(guān)證據(jù)[1]。假如沒有高孔隙壓力普遍存在的證據(jù)，這將影響我們對圣安德烈斯斷層或其他活斷層上地震發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識。然而，筆者認(rèn)為圣安德烈斯斷層深鉆現(xiàn)有的證據(jù)，尚不足以否定高孔隙壓力流體存在的假說。要充分認(rèn)識斷層中孔隙壓力的特征，還需要在圣安德烈斯斷層的鉆孔上進(jìn)行長期監(jiān)測。以上分析結(jié)果或許對解釋其他活斷層鉆探項(xiàng)目結(jié)果有所幫助。

引言

伴隨著加州圣安德烈斯斷裂帶失穩(wěn)表現(xiàn)出的無熱流異常[2-4]和斷層應(yīng)力狀態(tài)[5-6]，對認(rèn)識地震發(fā)生機(jī)理和巖石圈板塊驅(qū)動力有重要意義，但對于斷層失穩(wěn)的機(jī)理還不甚清楚。對于斷層失穩(wěn)問題目前存在3種假說:假說一認(rèn)為，斷裂帶由粘土斷層泥組成[7-9]，尤其是富含富蒙脫土的粘土斷層泥，其摩擦系數(shù)較低，約為0.1[10-13]?？紤]到地殼巖石的摩擦系數(shù)一般約為0.6[14]，斷層泥的低摩擦系數(shù)異常造成了斷層失穩(wěn)。假說二認(rèn)為，斷裂帶中摩擦系數(shù)“正?！保前殡S地震產(chǎn)生的剪切熱及其相關(guān)物理化學(xué)過程造成了斷層動力失穩(wěn)[15-16]。假說三也認(rèn)為斷層中摩擦系數(shù)“正常”，但是斷裂帶中的高孔隙壓力降低了斷層有效應(yīng)力而使滑動摩擦阻力減小，導(dǎo)致斷層失穩(wěn)[17-18]。

這3種假說表示了3種不同的機(jī)理，分辨哪一種正確尤為重要。利用來自于圣安德烈斯斷裂帶的斷層泥實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們對獲得的地震波速度、重力異常和穿過圣安德烈斯斷裂帶的電阻數(shù)據(jù)等分析，認(rèn)為斷裂帶可能由延伸至孕震深度的斷層泥組成[9，19]。隨后，也收集了一些在活斷層上的深部鉆探結(jié)果，以期獲得斷層中物質(zhì)組成與孔隙壓力的直接觀測資料。這些鉆探研究包括:早期的靠近加州中部干湖谷的圣安德烈斯斷層鉆探[20];靠近南加州Cajon Pass的圣安德烈斯斷層鉆探[21]，最近的加州中部帕克菲爾德附近的圣安德烈斯斷層鉆探(SAFOD)[1]，日本野島斷裂帶探測，臺灣車籠埔斷層鉆探項(xiàng)目[22]和計(jì)劃實(shí)施的新西蘭South Island Alpine斷層項(xiàng)目[23]。

在這些斷層鉆探項(xiàng)目中，SAFOD項(xiàng)目(圖1a)得到了完整的科鉆記錄和報(bào)告，并且提供了與圣安德烈斯斷裂帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)的重要信息[1]。在SAFOD項(xiàng)目中，在深度約2.7 km處發(fā)現(xiàn)了3條活動并富含粘土斷層泥的滑動帶(即斷層核，圖1b)，每條寬度約2～3m。Zoback等[1]基于鉆探過程中的3項(xiàng)觀測結(jié)果推斷，在斷層核中不存在高孔隙壓力:(1)沒有多余的水相流體從斷裂帶涌入鉆孔;(2)沒有多余的氣相流體流入鉆孔;(3)穿過斷裂帶的vP/vS值接近常數(shù)(vP和vS分別是縱波和橫波速度)。如果結(jié)論成立，那么將否定斷層失穩(wěn)機(jī)理中的第3種假說，并將對我們認(rèn)識地震發(fā)生機(jī)理有重要影響。然而，我認(rèn)為這些觀測結(jié)果不足以完全否定高孔隙壓力存在的假說，要充分認(rèn)識斷層中孔隙壓力的特征，還需要在SAFOD項(xiàng)目的鉆孔上進(jìn)行長期監(jiān)測。以上分析結(jié)果也許對解釋其他活斷層鉆探項(xiàng)目的結(jié)果有所幫助。

圖1 (a)SAFOD鉆孔路徑的三維透視圖，圖中標(biāo)有地震，朝上為北，朝右為東，朝下為深度(軸線單位為千米，摘自Zoback等[24])。(b)斷裂帶部分剖面圖，近垂直的線表示了活動變形的斷層核;圖為西北朝向，與圣安德烈斯斷層平行(修改自Zoback等[1])。(c)用于模擬水相流體流入井筒的簡化幾何圖形

1 兩種滲透率模型

計(jì)算巖層水相或氣相流體向井筒涌入量的關(guān)鍵決定于斷層核部的滲透率。現(xiàn)主要有兩種滲透率模型:Rice提出斷層中的滲透率比周圍地殼大3個數(shù)量級或者更多[17]。針對于通用的地殼滲透率模型[25-26]，深度約2.7 km處的斷層中滲透率至少為10－13～10－11m2。我們把上述的斷層模型稱作高滲透率模型。

然而，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室對圣安德烈斯斷裂帶的斷層泥的測定，包括早期靠近霍利斯特的干湖谷鉆探[11，27]和靠近帕克菲爾德的圣安德烈斯鉆探[28-29]，都表現(xiàn)出了很低的滲透率(10－22到10－18m2，見表1)。表1中分散的滲透率數(shù)據(jù)很可能反映了斷層泥的各向異性，即與斷層泥面理平行時(shí)滲透率相對較高，垂直時(shí)相對較低(表1;文獻(xiàn)[29])?？紤]到斷裂帶的各向異性和高度非均質(zhì)性，那么通過實(shí)驗(yàn)測定的收集于斷裂帶不同部位的斷層泥樣品的滲透率分散程度將非常小，這也表明了斷層泥的普遍屬性，即富集滲透率很低的粘土。因此，在接下來的分析中使用實(shí)驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)來代表富粘土的低滲透性模型。值得注意的是，這兩個模型中的滲透率相差5～11個數(shù)量級，這表明:當(dāng)孔隙壓力一定時(shí)，流體在不同滲透率模型下向井筒中的涌入量不同。

表1 實(shí)驗(yàn)測定圣安德烈斯斷層泥的滲透率

2 巖層水相流體的涌入

如上文所述，對于兩個不同滲透模型，其水相流體涌入量之間相差5～11個數(shù)量級，以下研究中將按數(shù)量級的順序來模擬流體從斷層核到井筒的涌入量。因此，對實(shí)際問題的幾何描述可簡化為以下模型:活動斷層核的平均厚度為2m，井筒垂直于斷層核面(圖1c)，實(shí)際上井筒軸線偏離垂直方向約30°(圖1b)?；谏鲜龊喕?，求解下面微分方程來估算水相流體的流量。

P為斷層核中的孔隙壓力，大于井筒中的泥漿壓力。κ為滲透系數(shù)，其被定義為:

k和Ss分別是滲透率和多孔基體的儲水率，g是重力加速度，ρ和μ分別是水相流體的密度和粘度。這些參數(shù)常被當(dāng)作常數(shù)，但它們會因溫度和壓力的變化而變。

巖層水相流體的密度和粘度是溫度和壓力的函數(shù)，可參照純水進(jìn)行估計(jì)[30-31]。深度約2.7m處，SAFOD井筒與斷層核相交，靜巖壓力約為70mPa，假定斷裂帶的平均密度約為2500 kg/m3[9，32]，溫度約為110℃。水相流體在此溫壓條件下的密度同在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下大致相同;然而，其粘度將隨3個參數(shù)(κ，k和Ss)變化。儲水率可表示為:

a和n分別為斷裂帶物質(zhì)的壓縮系數(shù)和孔隙率。ρ和β分別是孔隙流體的密度和壓縮系數(shù)。使用干湖谷鉆探項(xiàng)目[33]中斷層泥在高壓下測得的a和n，純水的ρ和β，計(jì)算得到約2.7 km深度的儲水率Ss為10－6m－1。Saar和Manga[26]、Ingebritsen和Manning[34]在估計(jì)地殼滲透性中得到了相似值(Ss=10－6m－1)，該值將用于高滲透性模型。

鉆井泥漿的重量對鉆孔井壁施加的壓力將超過靜巖壓的40%[1]。為了估計(jì)水相流體涌入量的上限，假定斷層核處的最初孔隙壓力處于靜巖壓力狀態(tài)，并且流體可以滲透通過圍巖[17]?；谏鲜鰲l件和微分方程(1)求解得到P，應(yīng)用達(dá)西定律，單位面積上透過鉆孔壁的水相流體流量(單位面積的流體流速)可通過下式計(jì)算[35]:

q是流量，a是井筒半徑，t是監(jiān)測時(shí)間，Po是斷層核的最初孔隙壓力與鉆孔泥的壓力之差，Jo和Yo分別是第一類和第二類零階貝塞爾函數(shù)。

圖2a和2b分別表示了高低滲透率模型通過方程(4)計(jì)算得到的水相流體的流量隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系;0時(shí)刻代表斷層核被井筒穿過的時(shí)刻。對井壁面積和時(shí)間進(jìn)行積分，得到井筒中水相流體的體積隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系(圖2c)。

流入井筒的水相流體體積測定是通過監(jiān)測鉆井泥漿含量變化而實(shí)現(xiàn)的，但探測鉆井泥漿含量變化的閾值卻沒確定。假定斷層泥含量變化的探測閾值為1m，那么探測水相流體向井筒涌入量的閾值約為0.03m3。在實(shí)際鉆探過程中，停機(jī)后觀察鉆井泥漿含量的持續(xù)時(shí)間變化很大:幾小時(shí)或幾天。按數(shù)量級進(jìn)行估計(jì)，假設(shè)對穿過斷層核部后的井筒觀測的平均持續(xù)時(shí)間為一天。對流量在井筒面積范圍和一天時(shí)間范圍進(jìn)行積分，計(jì)算得到了井筒中水相流體的涌入量:高滲透性模型下約為87～8700m3，低滲透模型下約為9×10－6～9×10－4m3(圖2c)。對于高滲透模型，水相流體的涌入量超過了探測閾值(0.03m3)，而對于低滲透性模型，盡管孔隙壓力在斷層核部等于靜巖壓，但其流入量也遠(yuǎn)低于探測閾值。換句話說，比如在滲透性低的情況下，SAFOD鉆探中盡管沒有發(fā)現(xiàn)水相流體流入井筒，也不能排除存在高孔隙壓力的可能性。反之，在高滲透率模型下，不存在高孔隙壓力的結(jié)論才會成立。

圖2 (a)高滲透率模型下，滲透率在兩個數(shù)量級范圍內(nèi)的水相流體流量q隨時(shí)間t變化的函數(shù)關(guān)系。(b)低滲透率模型下，滲透率在兩個數(shù)量級范圍內(nèi)的水相流體流量q隨時(shí)間t變化的函數(shù)關(guān)系。(c)低滲透率模型下，鉆孔中積聚的水相流體體積隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系，并與探測閾值比較

SAFOD鉆探過程中，取自鉆井泥漿中的氣相流體和鉆井管材中的起鉆氣體主要成分是碳?xì)浠衔颷36]。起鉆氣體的濃度在SAFOD與斷裂帶相交的區(qū)間內(nèi)普遍較低[36]。由于氣相流體的流動需要由水相流體的流動來實(shí)現(xiàn)，其濃度大小反映了巖層水相流體的涌入量。因此，缺少水相流體將導(dǎo)致缺少氣相流體，所以不能因?yàn)槿鄙贇庀嗪退嗔黧w而排除低滲透率下斷層中存在高孔隙壓力的可能。

3 v P/v S值

對SAFOD試驗(yàn)中vP/vS值的解釋需要考慮斷裂帶的各向異性[37-38]。SAFOD試驗(yàn)中，測定速度時(shí)沿著鉆孔軸線[37]并與斷裂帶成高角度。對SAFOD試驗(yàn)中高孔隙壓力影響vP/vS值的認(rèn)識，來自于對均勻?qū)訝畛练e巖速度的測定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因?yàn)檫@些沉積巖中對應(yīng)的粘土薄片和云母形成的分層、各向異性結(jié)構(gòu)及活動斷層核中面理與各向異性結(jié)構(gòu)相似[38]。Lo等[39]測定了Chicopee頁巖在壓力100mPa條件下不同方向上P波、SH波和SV波的速度;同時(shí)計(jì)算了所有主要方向上的彈性常數(shù)。使用上述常數(shù)和Berryman[40]文獻(xiàn)中的方程，計(jì)算了垂直于層面和偏離垂直30°方向上的vP/vS值(圖3)。Carcione和Cavallini[41]使用有效應(yīng)力原理來解釋Lo等[39]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其與圍壓恒定情況下孔隙壓力變化導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致?；贑araione和Cavallini[41]的研究，圖3表示了圍壓100mPa條件下，孔隙壓力從0增加到100mPa過程中vP/vS值的變化。該圖表明了Chicopee頁巖在偏離垂直30°方向上的vP/vS值在孔隙壓力0～100mPa范圍內(nèi)的最大變化值只有0.06(圖3)。然而，從曲線中(文獻(xiàn)[1]中的圖2b)估算的SAFOD試驗(yàn)中圍巖或斷層核中的vP/vS值標(biāo)準(zhǔn)差基本高于0.1。換句話說，SAFOD試驗(yàn)中測定的vP/vS值對探測斷層核中孔隙壓力不夠敏感。

圖3 通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的圍壓從0～100mPa的v P/v S比值，圓圈表示偏離垂直30°方向，其余表示垂直方向。所有方向上的比值變化都很小[39]

4 討論

基于上述推斷:若SAFOD試驗(yàn)中測定的與斷層面成高角度的vP/vS值對探測孔隙壓力不夠敏感，那么要驗(yàn)證斷層核中存在高孔隙壓力的假說就必須直接測定斷層中孔隙壓力。研究結(jié)果說明了在SAFOD鉆探試驗(yàn)中，特別是在富粘土斷層泥的低滲透率情況下，監(jiān)測孔隙壓力持續(xù)的時(shí)間太短以至于不能夠斷定斷層核中究竟是否存在高孔隙壓力。因此，想要證明SAFOD揭露的斷層中是否存在高孔隙壓力，需要在穿過斷層核的鉆孔中進(jìn)行長期監(jiān)測。

如圖2c所示，對于低滲透率模型，滲透率分別為10－18，10－19和10－20情況下，要達(dá)到水相流體涌入量測定閾值(0.03m3)的最少持續(xù)時(shí)間分別為2個月、2年和24年。由于水相流體可能沿?cái)鄬用嫦蚓琢鲃?，因此?jì)算時(shí)用沿?cái)鄬用娴臐B透率(10－18表1;文獻(xiàn)[29])可能比垂直于斷層面的滲透率更加合理。所以，監(jiān)測水相流體涌入鉆孔的最少持續(xù)時(shí)間為2個月(圖2c)，不是2年或24年。

到目前為止，所有的活斷層鉆探項(xiàng)目均發(fā)現(xiàn)了富粘土斷層泥[20，1，22]，盡管鉆探結(jié)果支持富粘土斷層模型，但以上證據(jù)尚不足以完全否定高孔隙壓力模型。

譯自:Geology，November 2011:1047-1050

原題:High pore pressure，or its absence，in the San Andreas Fault

(中國地震局地殼應(yīng)力研究所陳濤劉耀煒譯;張磊校)

(譯者電子郵箱，陳濤:chentao9330@gmail.com)

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