汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程一號(hào)孔主斷層的隨鉆流體響應(yīng)特征

唐力君, 王 廣, 王 健, 王曉春, 劉舒波, 聶 武

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心, 北京 100037;

2)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京), 北京 100083

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程一號(hào)孔主斷層的隨鉆流體響應(yīng)特征

唐力君1), 王 廣1), 王 健1), 王曉春1), 劉舒波2), 聶 武1)

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心, 北京 100037;

2)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京), 北京 100083

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程(WFSD)的主要研究目的是探討龍門山斷裂帶深部斷裂的物質(zhì)屬性。隨鉆實(shí)時(shí)流體分析作為井口流體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段, 首次獲得了龍門山斷裂帶隨鉆流體組分響應(yīng)特征, 在一號(hào)孔(WFSD-1)主斷層上出現(xiàn)隨鉆流體多組分同時(shí)異常, 且異常強(qiáng)度大。通過比較 WFSD-1號(hào)孔主斷層的鉆探巖心巖性和隨鉆流體組分剖面, 認(rèn)為隨鉆流體組分的異常區(qū)間與主斷層的區(qū)間保持一致, 表明流體異常與斷層的響應(yīng)特征, 主斷層區(qū)間的流體異常為多組分的極值異常, 強(qiáng)度與斷層泥厚度成正比。這些鉆探泥漿氣體響應(yīng)特征將為鉆探工程、取心鉆進(jìn)提供第一時(shí)間支持。

科學(xué)鉆探; 隨鉆實(shí)時(shí)流體分析; 主斷層; 響應(yīng)特征

科學(xué)鉆探是獲取地球深部物質(zhì)、了解地球內(nèi)部信息的最直接、最有效、最可靠的方法。國(guó)際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃成立以來, 已經(jīng)在許多領(lǐng)域取得了重要成果(許志琴, 2004; 許志琴等, 2005; 董樹文等,2009a; 蘇德辰等, 2010)。國(guó)內(nèi)外, 美國(guó)、日本和臺(tái)灣已在地震活動(dòng)斷裂帶實(shí)施了科學(xué)鉆探, 取得的經(jīng)驗(yàn)和研究成果值得借鑒(Nakada et al., 2005; Gourley et al., 2007; Tretner et al., 2008; Faulkner et al., 2010;Wiersberg et al., 2011)。

2008年5月12日14時(shí)28分, 青藏高原東緣龍門山地區(qū)發(fā)生震驚世界的四川汶川地震(許志琴等,2008; Xu et al., 2008), 造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失, 汶川地震引起的次生災(zāi)害也極其嚴(yán)重。地震影響的范圍涉及10個(gè)省(區(qū)、市)的417個(gè)縣(市、區(qū)), 受災(zāi)面積達(dá) 50×104km2(董樹文等, 2008,2009b; Xu et al., 2008; 龍鋒等, 2011)。為了提高地震災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警能力, 需開展新途徑的探索研究,其中一個(gè)重要的途徑就是實(shí)施斷裂帶的科學(xué)鉆探(許志琴等, 2008; 李海兵等, 2008; Xu et al., 2008;龍鋒等, 2011), 特別是在大地震發(fā)生后快速進(jìn)行科學(xué)鉆探, 有可能獲取有關(guān)地震愈合和破裂周期、地震摩擦熱、流體作用、應(yīng)力狀態(tài)等重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

“汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探”(WFSD)是以汶川大地震為研究對(duì)象的科學(xué)鉆探, 簡(jiǎn)稱汶川科鉆(見圖1), 將要實(shí)施多口鉆探, 它的實(shí)施得到中外許多科學(xué)家支持, 是我國(guó)第一次圍繞大地震的主題進(jìn)行的科學(xué)鉆探, 也是世界上回應(yīng)大地震最快實(shí)施的科學(xué)鉆探(許志琴等, 2008; Xu et al., 2008; 李海兵等,2008)。

圖1 汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探WFSD-1鉆孔位置(據(jù)李海兵等, 2009)Fig. 1 WFSD-1 hole’s Location of Wenchuan Fault Scientific Drilling Project(after LI et al., 2009)

為了更好地完成汶川科鉆的研究目標(biāo), 將進(jìn)行井口氣體、流體地球化學(xué)監(jiān)測(cè)(羅立強(qiáng)等, 2004a, b;唐力君等, 2006, 2010; 李迎春等, 2008), 探討斷裂帶流體地球化學(xué)作用過程, 為地震前兆關(guān)系與地下流體異常的相關(guān)性研究提供依據(jù)(曾令森等, 2005a,b; Becken et al., 2008; Wiersberg et al., 2007, 2008,2011; 溫靜, 2010)。汶川科鉆實(shí)施的隨鉆實(shí)時(shí)流體分析, 將在鉆探過程中全程分析鉆探泥漿中的 Ar、CH4、CO2、H2、He、N2、O2、Rn 等多種組分。地下流體是地殼中最活躍的物質(zhì), 最容易在鉆探過程中遷移, 隨鉆實(shí)時(shí)流體分析是對(duì)鉆探過程中攜帶到地面的地下流體進(jìn)行分析檢測(cè), 可以揭示鉆探泥漿氣體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與地下流體之間的規(guī)律, 探討地下流體在地殼淺源地震中的作用規(guī)律(孫青等, 2005,2006; 李圣強(qiáng)等, 2005, 2006; 魏樂軍等, 2008; 溫靜,2010)。在汶川科鉆隨鉆實(shí)時(shí)流體分析中, 將具體探討汶川地震斷裂帶中隨鉆流體組分的表現(xiàn)形式及其與余震相關(guān)性(溫靜, 2010), 這將有助于弄清楚地下流體異常與地震前兆關(guān)系(Wiersberg et al., 2007;Italiano et al., 2010)。

1 WFSD-1鉆孔背景

汶川科鉆一號(hào)孔(WFSD-1), 已于2008年11月6日開鉆, 鉆孔位置位于四川省都江堰市虹口鄉(xiāng)(位置見圖1, 現(xiàn)場(chǎng)圖見圖2)。WFSD-1號(hào)孔鉆探主要將穿過龍門山斷裂帶的映秀—北川斷裂, 該斷裂又稱龍門山中央斷裂, 是龍門山斷裂帶的 3條主要逆沖斷裂之一, 處于以彭灌雜巖體和寶興雜巖體為代表的前寒武紀(jì)變質(zhì)雜巖地層與三疊系含煤系地層之間(許志琴等, 2008; Xu et al., 2008; 李勇等, 2009; 徐杰等, 2010)。

汶川科鉆的主要研究?jī)?nèi)容之一是揭示汶川地震斷裂帶的深部物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、產(chǎn)出和構(gòu)造屬性, 其中包括主要判斷汶川地震所發(fā)生的主要滑移斷裂,因?yàn)橹鲾鄬邮谴蟮卣鸢l(fā)生的“殺手和禍根”, 是深化認(rèn)識(shí)汶川地震所發(fā)生的應(yīng)力環(huán)境, 深化認(rèn)識(shí)地下流體在地震的孕育、發(fā)生、停止的過程中的作用, 檢驗(yàn)和深化理解逆沖兼右行走滑性質(zhì)地震斷裂的發(fā)震機(jī)理的寶貴記錄和實(shí)物見證(許志琴等, 2008; Xu et al., 2008; 李海兵等, 2008)。

2 WFSD-1現(xiàn)場(chǎng)流體實(shí)驗(yàn)室

WFSD-1號(hào)孔隨鉆實(shí)時(shí)流體分析實(shí)驗(yàn)室(見圖3)距離鉆孔約25 m。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)分析實(shí)驗(yàn)室通常需要與鉆探施工技術(shù)人員進(jìn)行充分溝通, 根據(jù)鉆探平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)室距離進(jìn)行恰當(dāng)設(shè)計(jì)和建設(shè), 進(jìn)行鉆探循環(huán)泥漿系統(tǒng)改造和鉆探泥漿脫氣系統(tǒng)安裝, 保證鉆探泥漿及時(shí)脫氣和氣體的密閉循環(huán), 以盡量避免大氣組分的加入, 確保鉆探泥漿氣體分析的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性(Luo et al., 2004; 羅立強(qiáng)等, 2004a, b;唐力君等, 2006, 2010)。最后, 通過抗壓耐熱管把鉆孔循環(huán)出來的鉆探泥漿脫氣引入到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

隨鉆實(shí)時(shí)流體分析在WFSD-1號(hào)孔的實(shí)施過程中, 流體組分的異常出現(xiàn)的頻率還是較多的, 這些由地震余震引起, 也有鉆探巖心的原因等。在一號(hào)孔的主斷層井段, 隨鉆流體組分不管在日均值變化,還是多組分最大、最小值方面都是其相鄰井段中的最強(qiáng)烈變化的一段, 甚至可視為一號(hào)孔整個(gè)井段中變化最強(qiáng)烈井段(唐力君等, 2010; 溫靜, 2010)。

圖2 WFSD-1號(hào)孔鉆探現(xiàn)場(chǎng)Fig. 2 Drilling site of WFSD-1

3 WFSD-1主斷層鉆探及隨鉆流體組分響應(yīng)

在WFSD-1孔鉆探過程中, 共實(shí)施了2次側(cè)鉆,形成 3個(gè)鉆探井段, 分別為 WFSD-1、WFSD-1-S1和WFSD-1-S2(張偉等, 2009a, b; 樊臘生等, 2009)。在WFSD-1孔的500～700 m井段中, 進(jìn)行了多次鉆探修改, 包括糾斜, 出現(xiàn)了多次各式各樣的鉆探事故, 特別是主斷層井段中, 出現(xiàn)的鉆探事故包括鉆具與鉆桿的脫節(jié)、遺留在鉆孔中, 甚至出現(xiàn)了鉆桿拉斷, 表明了主斷層的特殊性。這種情況導(dǎo)致了WFSD-1-S1在該斷層中的結(jié)束, 而 WFSD-1-S2從583.07 m開始, 進(jìn)行側(cè)鉆繞障之后, 順利鉆進(jìn)。

同時(shí), 作為鉆探工程的重要組成, 目前對(duì)復(fù)雜的主斷層井段, 鉆探泥漿體系也需要做出相應(yīng)改變(張偉等, 2009a, b; 樊臘生等, 2009; 李之軍等,2009)。主斷層井段的鉆探泥漿體系除了要滿足科學(xué)鉆探對(duì)泥漿的基本要求之外, 還需要在高應(yīng)力條件下保持鉆孔內(nèi)原有的壓力平衡, 能降低鉆桿和鉆具與斷層泥孔壁的摩擦阻力, 鉆探過程中泥漿的失水量低, 以避免斷層泥遇水膨脹。經(jīng)過鉆探泥漿體系的大量試驗(yàn), 反復(fù)論證, 形成了具有高密度、低失水、低滲透、具有潤(rùn)滑減阻特點(diǎn)的鉆探泥漿體系, 在WFSD-1孔的斷層泥井段鉆探過程中, 有效克服卡鉆、縮徑等鉆探問題, 順利完成斷層泥井段取心鉆進(jìn)。

3.1 WFSD-1鉆孔的主斷層

圖3 WFSD-1隨鉆實(shí)時(shí)流體分析實(shí)驗(yàn)室(a)及分析儀器(b)Fig. 3 Laboratory of real-time fluid analysis(a) and analytical instrument(b) of WFSD-1

龍門山斷裂帶的地下地層破碎, 這讓科學(xué)鉆探施工困難重重。因此, 為確保鉆探施工順利進(jìn)行, 鉆探工程技術(shù)人員(張偉等, 2009a, b; 樊臘生等, 2009)對(duì)斷裂帶地層取心鉆進(jìn)方法進(jìn)行了多次完善改進(jìn),通過配制高效的斷層泥井段的鉆探泥漿體系, 采用半合管取心技術(shù), 成功地解決了斷層泥井段的鉆探取心問題, 保持了高取心率, 獲得原狀性好的巖心。汶川科鉆一號(hào)孔(WFSD-1)在鉆探至井深為589 m時(shí),遇到主斷層, 主要為長(zhǎng)達(dá)數(shù)米的斷層泥。經(jīng)過巖心樣品編錄和初步研究, 確定了該斷層為汶川地震斷裂帶主斷層。揭示出北川—映秀斷裂帶規(guī)模巨大,地層巖石類型豐富, 特別是斷層泥的規(guī)模罕見, 這些發(fā)現(xiàn)為地震成因機(jī)制研究帶來實(shí)質(zhì)性的證據(jù)。

在 WFSD-1號(hào)孔中, 科學(xué)鉆探提前遇到了斷裂帶的地下深部主斷層, 這完全超出最初的科學(xué)設(shè)計(jì)判斷, 因?yàn)榈貙W(xué)研究人員從地表斷層的傾角判斷,WFSD-1號(hào)孔需要鉆進(jìn)到800 m時(shí)才能鉆進(jìn)到主斷層, 但是在589 m的井段中就出現(xiàn)主斷層。這種情況也再次表明, 地學(xué)研究需要突破地表、深入地下,在實(shí)際中, 地表與地下深部狀況往往有較大差別,也進(jìn)一步證實(shí)科學(xué)鉆探的必要性和重要性, 不愧為深入地下、探索地球奧秘的“望遠(yuǎn)鏡”。另外, 地學(xué)研究人員更多地從主斷層深部和淺部井段的比較來判斷主斷層, 這需要更多的鉆探巖心數(shù)據(jù)和時(shí)間,隨鉆實(shí)時(shí)流體分析作為實(shí)時(shí)分析技術(shù), 其實(shí)時(shí)分析結(jié)果也在WFSD-1號(hào)孔的主斷層中出現(xiàn)第一時(shí)間的響應(yīng), 主要是隨鉆流體實(shí)時(shí)分析的組分濃度出現(xiàn)異常的強(qiáng)度和組分種類急劇增加的特點(diǎn), 與主斷層井段變化趨勢(shì)極其吻合。

3.2 隨鉆流體組分在主斷層的響應(yīng)

在 WFSD-1的主斷裂上發(fā)現(xiàn)巨厚斷層巖, 特別是厚度達(dá)20余米的斷層泥, 世界罕見, 是青藏高原東緣龍門山隆升的最好記錄和見證, 同時(shí), 北川—映秀斷層泥應(yīng)該是多次強(qiáng)烈地震的結(jié)果, 對(duì)其準(zhǔn)確研究是深入了解地震的關(guān)鍵。隨鉆實(shí)時(shí)流體分析作為最直接的分析方式, 有可能第一時(shí)間獲得主斷層的流體組分信息。

在 WFSD-1號(hào)孔的主斷層上, 隨鉆流體出現(xiàn)大量異常, 主要表現(xiàn)在多組分同時(shí)異常、異常持續(xù)井段長(zhǎng), 并且異常強(qiáng)度大(見圖 4), 其中, H2、He、CH4、Rn出現(xiàn)明顯的高值正異常, N2、Ar出現(xiàn)低值正異常,而O2、CO2為明顯的低值負(fù)異常。隨鉆流體組分的異常區(qū)間與主斷層的區(qū)間一致(見圖5), 均從586 m開始, 且隨著斷層泥的厚度而對(duì)應(yīng)變化, 淺部斷層泥較厚, 隨鉆流體組分異常持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、異常強(qiáng)度較大, 深部斷層泥較薄, 相應(yīng)的, 隨鉆流體組分異常持續(xù)時(shí)間較短、異常強(qiáng)度較小, 而在深、淺部斷層泥之間, 所有隨鉆流體組分都?xì)w于正常情況,二者呈現(xiàn)一致的變化規(guī)律。在 WFSD-1-S1井段中,H2、He、CH4、Rn均為最高值異常, CO2為最低值異常, 也進(jìn)一步證實(shí)了異常強(qiáng)度大, 并且隨鉆流體的各種組分中, 不論是正異常, 還是負(fù)異常, 均隨著井深表現(xiàn)為“正常值—高值異?！Ｖ怠椭诞惓！Ｖ怠钡捻憫?yīng)規(guī)律。

圖4 WFSD-1鉆探泥漿氣體中甲烷CH4在主斷層上的剖面Fig. 4 Profile of drilling mud gas CH4 of main fracture zone of WFSD-1

從隨鉆流體組分的變化規(guī)律可判斷出汶川地震斷裂帶的主斷層位置: 第一, 在整個(gè)鉆探井段中,只有主斷層所在的井段引起的隨鉆流體組分異常最明顯, 異常強(qiáng)度最大。第二, 鉆探泥漿氣體的異常起止井段與主斷層的起止位置完全吻合, 其變化規(guī)律一致。第三, 鉆探泥漿氣體的異常表現(xiàn)為多組分異常, 多為正異常, 且為最高或最低值的極值異常。

4 結(jié)論

本文報(bào)道了龍門山斷裂帶中映秀—北川斷裂的主斷層的隨鉆流體組分響應(yīng)特征, 獲得龍門山斷裂帶科學(xué)鉆探的主斷層流體組分信息。該主斷層引起的流體組分響應(yīng), 包括多組分同時(shí)異常, 且大部分組分的異常強(qiáng)度明顯, 且為極值異常。

圖5 WFSD-1鉆探巖心巖性柱狀圖(500—700 m)(據(jù)李海兵等, 2009)Fig. 5 Lithology of drilling core WFSD-1(500–700 m)(after LI et al., 2009)

斷裂帶科學(xué)鉆探的主要目標(biāo)之一是發(fā)現(xiàn)主斷層位置、厚度等, 從某種意義上說, 隨鉆流體實(shí)時(shí)分析有可能成為第一時(shí)間從地面上發(fā)現(xiàn)主斷層的技術(shù)手段, 主斷層引起的隨鉆流體組分異常表現(xiàn)為鉆探泥漿氣體組分異常的加大, 這異常包括其出現(xiàn)的頻率和強(qiáng)度。

隨鉆實(shí)時(shí)流體組分對(duì)主斷層的響應(yīng)特征, 將有可能作為第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)主斷層的技術(shù)手段, 為科學(xué)鉆探工程、取心鉆進(jìn)提供重要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持, 以克服由于斷層泥的特殊性而經(jīng)常出現(xiàn)的鉆探事故、取心率不理想等困難, 提高工程效率, 進(jìn)一步獲得更大的科學(xué)研究效果。

致謝:非常感謝中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心羅立強(qiáng)研究員、孫青研究員、詹秀春研究員對(duì)隨鉆實(shí)時(shí)流體分析工作的大力支持和可行性建議;感謝中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程(WFSD)野外工作人員的工作和幫助; 感謝汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程(WFSD)地學(xué)部現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室和工程部在野外工作的幫助和提供的建設(shè)性意見; 感謝國(guó)家科技專項(xiàng)——汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程(WFSD)的課題 0008和課題0003第四專題的經(jīng)費(fèi)支持。

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Responding Features of Fluids during Drilling of the Main Fracture Zone in WFSD-1 Hole

TANG Li-jun1), WANG Guang1), WANG Jian1), WANG Xiao-chun1), LIU Shu-bo2), NIE Wu1)
1)National Research Center for Geoanalysis, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing100037;2)China University of Geosciences(Beijing), Beijing100083

The main goal of Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Project (WFSD) is to investigate the material property of deep fracture of Longmenshan fault zone. As the real-time monitoring means of fluids during drilling, the responding features of fluid components were obtained by the real-time fluid analysis for the first time,in which the anomalies of multi-components of fluids simultaneously appeared and the intensity of the anomaly was great. Through the lithologic comparison between the drilling core of the main fracture in WFSD-1 hole and the drilling profile of fluid components, the authors found that the range of fluid anomaly and that of the main fracture zone in drilling core are almost the same, and the anomaly intensity of the fluid positively varies with the thickness of fault gouge of the drilling hole. In addition, the multi-components of the fluid are extreme anomaly(maximum or minimum), showing the same responding result as the fault gouge in the main fracture zone. These responding features of drilling mud gas would be very helpful for the whole drilling project and the timely collection of drilling core.

book=96,ebook=160

scientific drilling; real-time fluid analysis; main fracture zone; responding feature

P542.3; P315.9; P315.2

A

10.3975/cagsb.2013.01.09

本文由國(guó)家科技專項(xiàng)“汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程”課題0008和課題0003第四專題聯(lián)合資助。

2012-06-11; 改回日期: 2012-07-16。責(zé)任編輯: 張改俠。

唐力君, 男, 1976年生。副研究員。主要從事現(xiàn)場(chǎng)流體地球化學(xué)分析。通訊地址: 100037, 北京市西城區(qū)百萬(wàn)莊大街26號(hào)。電話: 010-68999559。E-mail: tanglijun@cags.ac.cn。