地下流體對(duì)地震孕育過程的影響淺析

■張環(huán)曦 周安聘 董博 劉靜

（河北省地震局石家莊中心臺(tái) 河北石家莊050200）

地下流體對(duì)地震孕育過程的影響淺析

■張環(huán)曦 周安聘 董博 劉靜

（河北省地震局石家莊中心臺(tái) 河北石家莊050200）

地下流體在地震孕育過程中有著重要作用，已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外諸專家多學(xué)者研究證實(shí)。本文關(guān)注的重點(diǎn)不是地下流體是否對(duì)地震孕育過程產(chǎn)生作用，而是地下流體如何對(duì)孕育過程產(chǎn)生作用。因此筆者分析了地下流體對(duì)地震孕育過程產(chǎn)生作用的物理機(jī)理，同時(shí)簡(jiǎn)述了一些典型的地下流體孕震模式，以期為地震預(yù)測(cè)提供參考借鑒。

地下流體地震孕育過程物理機(jī)理孕震模式

在地震預(yù)測(cè)研究中，人們很早就注意到了地下流體的存在，在認(rèn)識(shí)到地下流體的存在具有普遍性與地下流體作用的重要性后，更為關(guān)注地下流體在地震孕育過程中的作用，這也成為了地震預(yù)測(cè)領(lǐng)域中的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。地震預(yù)測(cè)主要以地震孕育的物理過程及過程中的巖石物理性質(zhì)、力學(xué)狀態(tài)的變化為依據(jù)，而地下流體恰好能影響斷裂帶巖石強(qiáng)度，揭示地球運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是地震預(yù)測(cè)分析中不可忽視的一個(gè)因素。所以，研究地下流體對(duì)地震孕育過程的影響，有助于正確把握震情發(fā)展方向，為地震預(yù)測(cè)作出有力的支持。

1　地下流體對(duì)地震孕育過程的影響

地下流體在地球運(yùn)動(dòng)過程中起著重要作用，地下介質(zhì)熱量傳遞、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等都離不開地下流體。所以，地下流體不僅僅是影響影響地球運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要因素，更是具有決定意義的介質(zhì)條件，其對(duì)地震孕育過程有著重要影響。具體表現(xiàn)如下：

第一，流體的深入、抽取會(huì)造成有效的應(yīng)力擾動(dòng)，進(jìn)而對(duì)地震孕育過程產(chǎn)生影響。

第二，巖石表面的流體會(huì)吸附進(jìn)入巖石體內(nèi)，降低巖石的強(qiáng)度。

第三，充水?dāng)嗔讯瞬康膽?yīng)力集中與水的劈裂作用會(huì)對(duì)斷裂帶的巖石強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

2　地下流體誘發(fā)地震的物理機(jī)理

2.1孔隙壓增大造成有效應(yīng)力變化，進(jìn)而誘發(fā)地震

地震發(fā)生的主要成因是地殼中應(yīng)力超過了巖石的彈性極限，而孔隙壓變化會(huì)造成地殼中有效壓力的變化，勢(shì)必對(duì)地震孕育過程產(chǎn)生影響，甚至誘發(fā)地震發(fā)生。斷裂帶中的流體主要以裂隙滲流和孔隙滲流的方式運(yùn)移，在流體通過裂隙進(jìn)入斷層后，就會(huì)產(chǎn)生孔隙壓，降低有效應(yīng)力。有效應(yīng)力的計(jì)算公式如公式1所示。

注解：τ表示斷層面的抗剪強(qiáng)度，C表示斷層面巖石的粘結(jié)力，μ表示滑動(dòng)摩擦系數(shù)，ν表示界面上正應(yīng)力，Pf表示孔隙壓。

圖1　孔隙壓增大誘發(fā)地震原理圖

根據(jù)巖石力學(xué)中的Coulomb—Mohr破裂準(zhǔn)則，制作了孔隙壓增大誘發(fā)地震的原理圖，如圖1所示。從圖1中可以看出，在Pf增大時(shí)，ν3和ν1會(huì)同時(shí)減去一個(gè)Pf值，摩爾圓向左側(cè)移動(dòng)。如果Pf增大至可以使斷層面的剪切力大于抗剪強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)造成斷層兩盤快速的剪切錯(cuò)動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)地震。從這樣的過程可以看到地下流體加速了斷層滑移過程，易誘發(fā)地震。

2.2地下流體受熱膨脹擴(kuò)容，進(jìn)而誘發(fā)地震

地下流體在流動(dòng)過程中，會(huì)逐步向深部巖體滲透，但是由于地下溫度、壓力條件的變化，地下流體的密度、體積也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，造成水受熱后膨脹，氣化產(chǎn)生壓力，使巖體在壓力作用下破裂。在地下流體發(fā)生以上變化的同時(shí)，深入巖體中的地下流體也會(huì)造成巖體發(fā)生一定程度的膨脹，膨脹量大小不一，最大可達(dá)到巖體原體積的20%左右。一旦巖體破裂、膨脹，就可能孕育地震，誘發(fā)地震。

2.3地下流體滲入巖體后，造成巖石軟化或潤(rùn)滑，進(jìn)而誘發(fā)地震

大量研究證明，斷裂帶中的巖石軟化與地下流體的存在密切相關(guān)。在地下流體作用下，斷裂帶中巖石的物理、化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生一定變化，出現(xiàn)軟化、泥化等現(xiàn)象，巖石的強(qiáng)度會(huì)有所下降，造成地層失穩(wěn)而引發(fā)地震。地下流體之所以能對(duì)斷裂帶中的巖石起到一定程度的軟化作用，主要在于地下流體的一部分水來自于地下礦物的脫水作用，其中含有非金屬、金屬鹽類。一旦含有這些成分的地下流體滲透到斷裂帶中的巖體，就會(huì)產(chǎn)生溶蝕作用，進(jìn)而降低巖體強(qiáng)度。

3　典型的地下流體孕震模式

基于地下流體對(duì)地震孕育過程的影響，一些專家學(xué)者提出了一些地下流體孕震模式，如膨脹-擴(kuò)散模式，地震泵模式。其中，膨脹-擴(kuò)散模式認(rèn)為板塊運(yùn)動(dòng)或其他原因會(huì)造成構(gòu)造應(yīng)力累積，當(dāng)這種應(yīng)力累積到一定程度，就會(huì)產(chǎn)生大量的微裂隙集結(jié)，形成主斷裂，并造成巖體膨脹。在這過程中，地下流體會(huì)滲入到巖體中，產(chǎn)生新的孔隙，使孔隙壓增大，產(chǎn)生膨脹硬化現(xiàn)象。由于孔隙壓的增大、巖體的膨脹，加速了巖體的破裂、發(fā)育、成核及滑移，就會(huì)誘發(fā)地震。這一過程是一個(gè)典型的地震孕育過程，與上文提出的地下流體影響地震孕育過程的物理機(jī)理非常契合。

地震泵模式是基于礦物與斷裂帶之間的關(guān)系提出的，這一模式認(rèn)為地震斷層像一個(gè)“泵”，把熱液從地層深部抽取出來，由斷層面進(jìn)入裂隙中。而且，斷層運(yùn)動(dòng)中裂隙會(huì)加大，將會(huì)加劇熱液對(duì)斷層巖石的影響，這對(duì)地震孕育過程的作用是巨大的。從這一模式可以看出，地下流體始終發(fā)揮著重要作用。

4　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，地下流體滲入斷裂層中能增加孔隙壓，降低有效應(yīng)力，造成巖層滑移；能受熱膨脹擴(kuò)容，造成斷裂層中巖體破裂、膨脹，使巖層失穩(wěn)；能對(duì)巖石產(chǎn)生軟化、泥化、潤(rùn)滑作用，降低巖石強(qiáng)度和斷裂帶強(qiáng)度。以上這些都可以誘發(fā)地震的發(fā)生，可見地下流體在地震孕育過程中的作用顯著。所以，地震預(yù)測(cè)中，應(yīng)多加關(guān)注地下流體對(duì)地震孕育過程的作用，分析觀測(cè)數(shù)據(jù)變化，研究地下流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，就可能掌握地震前兆，為地震預(yù)測(cè)提供有力的支持，提高預(yù)報(bào)地震能力，便于降低地震災(zāi)害的危害性，保護(hù)人們的生命安全。

[1]繆淼，朱守彪.地下流體對(duì)地震孕育發(fā)生過程的影響研究綜述 [J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，（03）：950-959.

[2]陸明勇，范雪芳，周偉，房宗緋，趙麗葵.華北強(qiáng)震前地下流體長(zhǎng)趨勢(shì)變化特征及其產(chǎn)生機(jī)理的研究 [J].西北地震學(xué)報(bào)，2010，（02)：129-138.

P315[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-2-297-1