科學(xué)鉆探與地震關(guān)系研究與展望

趙帥

【摘 要】 鉆探技術(shù)，特別是深部鉆探技術(shù)的發(fā)展，為人類打開了了解地球內(nèi)部信息的窗戶；利用鉆探技術(shù)，研究地震發(fā)生機(jī)制，進(jìn)而成功預(yù)測地震發(fā)生，避免人員傷亡和財產(chǎn)損失成了地震研究的熱點(diǎn)之一。美國圣安德列斯活動斷裂地震帶科學(xué)鉆探與實(shí)時監(jiān)測項目（SAFOD）、臺灣車籠埔斷層深井鉆探計劃（TCDP）以及汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探（WFSD）是依托鉆探技術(shù)研究地震發(fā)震機(jī)理的三個典型案例。本文從宏觀上總結(jié)了三個項目的部分信息，并對地震科學(xué)鉆探進(jìn)行了展望，供科研人員參考。

【關(guān)鍵詞】 科學(xué)鉆探；地震；SAFOD； TCDP；WFSD

【Abstract】 Drilling technique， especially the deep drilling makes it possible for us to get the information of the inner Earth directly. Thus， studying the mechanism for the generation of earthquake and then predicting earthquake by means of drilling technique have become one of the hot spots of earthquake study. Here， we conclude some information about The San Andreas Fault Observatory at Depth （SAFOD）， Taiwan Chelungpu Fault Drilling Project（TCDP） and Wenchuan Fault Scientific Drilling（WFSD）. All of the three projects are the typical cases on earthquake study.

【Key words】 Scientific drilling；Earthquake；SAFOD；TCDP；WFSD

1. 引言

（1）在眾多的自然災(zāi)害中，特別是在造成人員傷亡方面，地震造成的死亡人數(shù)占各類自然災(zāi)害造成的死亡人數(shù)總數(shù)的一半以上，地震災(zāi)害堪稱群災(zāi)之首[1]。如何有效監(jiān)測和預(yù)報地震發(fā)生，避免地震給人類社會造成的巨大損害一直是全人類的共同愿望和公認(rèn)的世界性科學(xué)難題。

（2）鉆探是從被大洋覆蓋的70 %的地球表面獲取沉積物和巖石的主要工具，也是從海底以下數(shù)米深處采集樣品的唯一手段[2]。隨著人類對地球認(rèn)識不斷深入，鉆探設(shè)備不斷改進(jìn)，鉆探技術(shù)水平不斷提高，鉆探為地質(zhì)學(xué)的研究提供了有力的技術(shù)保障。特別是近幾十年發(fā)展起來的地質(zhì)深鉆甚至是超深鉆，更為人類打開了了解地球內(nèi)部世界的窗戶[3]。

（3）“國際專家普遍認(rèn)為，在地震斷裂帶上實(shí)施科學(xué)鉆探，特別是在大地震發(fā)生后，利用科學(xué)鉆探，通過對溫度、地震波速度和發(fā)震斷層滲透性等物理參數(shù)的精確測量，有可能獲取有關(guān)地震愈合和破裂周期、地震摩擦熱、巖脈填充、滲透性、流體作用、應(yīng)力狀態(tài)等重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，大地震后的快速鉆探是研究地震機(jī)制和捕捉余震直接信息的有效方法之一”[4]。因此，在地震活動地區(qū)進(jìn)行以探測震源區(qū)為目的的科學(xué)鉆探，鉆探到發(fā)震層所在深度對震源區(qū)作直接觀測，對于地震預(yù)測理論和實(shí)踐都具有十分重要的意義。

（4）鑒于此，在全世界范圍內(nèi)開展的國際大陸科學(xué)鉆探計劃（ICDP）和綜合大洋鉆探計劃 （IODP）將發(fā)震帶列為其重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。美國和我國臺灣都曾在地震活動帶上實(shí)施科學(xué)鉆探，并取得積極的成果，成為依靠科學(xué)鉆探技術(shù)研究地震難題的典型案例。2008年，我國汶川大地震發(fā)生后，國家和地震科研人員從地震帶來的巨大悲痛中走出來，抓住有利時機(jī)，快速組織實(shí)施了汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探（WFSD）。如今，該項目正在順利實(shí)施。

（5）科學(xué)鉆探是入地的重要手段，被稱為伸入地球內(nèi)部的“望遠(yuǎn)鏡”[5]，必將在未來地震研究中繼續(xù)發(fā)揮更大的作用。鑒于此，筆者了解了美國圣安德列斯活動斷裂地震帶科學(xué)鉆探與實(shí)時監(jiān)測項目（SAFOD）、臺灣車籠埔斷層深井鉆探計劃（TCDP）以及汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探（WFSD）的相關(guān)工程技術(shù)信息，供科研人員參考。

2. 圣安德列斯活動斷裂地震帶科學(xué)鉆探與實(shí)時監(jiān)測項目（SAFOD）

2.1 SAFOD地理及地質(zhì)背景。

美國圣安德列斯活動斷裂地震帶科學(xué)鉆探與實(shí)時監(jiān)測項目（The San Andreas Fault Observatory at Depth，簡稱SAFOD）是“地球透鏡計劃”（EarthScope）的一個子項目，其目標(biāo)是解決控制大型板塊邊界斷層形成機(jī)制的物理化學(xué)過程等基本問題以及研究地震成因機(jī)理和地震預(yù)警[6]。SAFOD位于美國加利福尼亞州中部Parkfield小鎮(zhèn)西北9Km處，地理坐標(biāo)35° 58' 26.5"N， 120° 33' 8.73" W。在構(gòu)造位置上恰好在San Andreas活動斷裂帶上。井位選在1966年P(guān)arkfield 6級地震斷裂帶的最北端，這個地區(qū)也是歷史上的地震高發(fā)區(qū)，相似震級的大地震會近周期性的在這個地區(qū)發(fā)生。斷層在這個地區(qū)有著明顯的表現(xiàn)，在表層它以每年1.8cm的速率蠕變，形成寬不超過10m的斷裂帶[7]。

2.2 鉆探工程實(shí)施過程。

2.2.1 該項目鉆探施工主要分四個階段[8]進(jìn)行：（1）先導(dǎo)孔，2002年6月6日到7月24日，垂直鉆進(jìn)2168m；（2）主孔Ⅰ，2004年6月11日到10月6日，位于先導(dǎo)孔東北768m處，先垂直鉆進(jìn)1445m，后以55°傾角向斷層方向打斜井，總垂向深度為3051m；（3）主孔II，2005年6月8日到2005年8月28日，在主孔Ⅰ基礎(chǔ)上繼續(xù)斜向鉆進(jìn)并穿過斷層帶，縱深度達(dá)到3987m；（4）主孔III，2007年6月14日到9月15日，在主孔II的基礎(chǔ)上側(cè)向鉆三個側(cè)孔，目的是深入到反復(fù)微震的具體震源位置（圖1）。在鉆探孔位所在斷層的這一段上既有斷層的無震蠕變（aseismic creep）又有反復(fù)微震（repeating microearthquakes）。

2.2.2 在鉆孔中，開展了大量的地球物理測井，如電阻率測井、Gamma測井、Vs、Vp測井。測井信息表明，在斷層帶位置出現(xiàn)了一個低電阻率、Vs、Vp低速區(qū)，而且反復(fù)的多點(diǎn)井徑測井記錄了測井套管的變形，由此可以確定斷層帶位置大約在3200m～3400m深處[9]。

2.3 SAFOD初步科學(xué)研究。

2.3.1 鉆井中的氣體和流體性質(zhì)一直備受科研人員關(guān)注。SAFOD采用的方法是利用攪拌機(jī)將氣體從鉆井泥漿中提取出來，持續(xù)的輸入實(shí)驗(yàn)管道中，每隔十分鐘對氣體成分進(jìn)行一次測量。測量發(fā)現(xiàn)，氣體成分主要是CH4、H2、CO2和Rn。同時，還對這些氣體的導(dǎo)電性、pH、溫度的持續(xù)變化進(jìn)行了測量。研究結(jié)果表明幔源流體對San Andreas斷裂中的地震過程影響微小，San Andreas斷裂對流體的運(yùn)動起到了阻隔的作用。

2.3.2 SAFOD在對巖心、流體、物理測井信息分析的基礎(chǔ)上，開展長達(dá)大約20年的實(shí)時監(jiān)測。實(shí)時監(jiān)測旨在通過對斷層帶內(nèi)地震活動性、變形特征、流體壓力和其他參數(shù)的觀測，實(shí)時監(jiān)控San Andreas斷裂的活動情況，并試圖對地震進(jìn)行預(yù)測。SAFOD實(shí)時監(jiān)測項目的實(shí)施主要包括以下幾個階段：（1） 在先導(dǎo)孔底部放置一些觀測儀器，包括三分量地震檢波器、測斜儀、激光應(yīng)變計、地震加速度檢波器、孔隙壓力計和溫度計等。這些裝置最初是用于監(jiān)測鉆探地區(qū)的地質(zhì)和地球物理特征，以此確定地質(zhì)構(gòu)造和地震震源區(qū)的具體位置，從而為主孔鉆探作準(zhǔn)備。2004年在Parkfield地區(qū)又發(fā)生了一次6級地震，在先導(dǎo)孔中的地震檢波器和測斜儀就監(jiān)測到了一些地震波的數(shù)據(jù)。 （2）2004年夏天，激光應(yīng)變計被安置在主孔垂直部分的鉆井套外側(cè)。隨后，包括地震檢波器、變形傳感儀在內(nèi)的一系列檢測設(shè)備安裝在斜井部分。這些設(shè)備主要測量壓力、剪切波各向異性、熱流溫度等。（3）2006年2月起，一系列測量設(shè)備被放入到使鉆井套發(fā)生變形的地方，也就是斷層帶區(qū)域。如，將一個遠(yuǎn)程電子三分量檢波器（Three-Component Geophones）夾在套管壁內(nèi)側(cè)，采樣率4000sps，利用這個裝置可以近距離監(jiān)測地震現(xiàn)象（Ellsworth，2007）。此外還有垂直地震剖面（VSP）、虛擬地震試驗(yàn)等觀測方法。地震帶內(nèi)地震活動性、變形特征、流體壓力和其他參數(shù)的觀測要持續(xù)約20年之久。（4）2007年夏天，在主孔III完成后，將會在其中安置一套測量設(shè)備，以便在反復(fù)微震發(fā)生的地方長時間觀測地震源區(qū)的地震能量、變形狀態(tài)、流體壓力和地震波特性。這是科學(xué)家們第一次可以在地震發(fā)生的源區(qū)觀測地震形成、擴(kuò)展、鎖止過程以及流體壓力影響。

3. 臺灣車籠埔斷層深井鉆探計劃（TCDP）

臺灣車籠埔斷層深井鉆探計劃，即TCDP，旨在通過獲得集集地震深部斷層帶的巖心樣本，并通過一系列的深井探測和觀測研究，進(jìn)而分析車龍埔斷層產(chǎn)生劇烈錯動的原因，為地震理論科學(xué)和預(yù)報實(shí)踐提供有益的幫助。TCDP所做的工作主要有以下幾個方面[10～13]：

3.1 高精度反射剖面、地質(zhì)填圖、地球物理填圖（大地電磁、重力等），需要圍繞鉆井目標(biāo)地區(qū)進(jìn)行。

3.2 初步鉆井和加套管計劃。首先鉆一個深度1000 m的8″孔，加6″套管并用水泥封固這個孔，然后連續(xù)取芯到2000 m，預(yù)計在1500 m深處遇到車籠埔斷層。取芯完成后，HQ（96 mm直徑）孔將被擴(kuò)大，以便安裝3層套管并用水泥封固，套管一直達(dá)到孔的底部。如果在孔的下部遇到不可預(yù)見的地質(zhì)條件，這就需要將巖芯減為NQ尺寸（45 mm）。為了能更高精度地恢復(fù)巖芯未受擾動時的狀況，取芯方法使用3倍大的取芯管。為了便于控制偏移，將在每100 m使用數(shù)字化井孔測量儀-EZ shot檢查偏離情況。

3.3 鉆孔過程中的測量。使用在近10～15年發(fā)展起來的一套方法可以對現(xiàn)今應(yīng)力場加以估計。比如，傳統(tǒng)的水壓致裂法的改進(jìn)技術(shù)和BHTV（超聲波井孔電視監(jiān)測儀）以及FMI（結(jié)構(gòu)微成像儀）等測井方法聯(lián)合使用，可以識別井孔內(nèi)的應(yīng)力誘發(fā)破壞和拉張破裂現(xiàn)象。同時，這些方法還在整個鉆井的深部區(qū)域（直到2000 m）確定應(yīng)力大小和方向。用高精度的熱敏電阻，在各個深度進(jìn)行連續(xù)溫度測量。同時，在孔內(nèi)完成更長時間的溫度測量。這項工作的主要目的是：（1）精確確定大地?zé)崃髦?；?）探測斷層區(qū)由于地震和瞬時流體流動等生熱所造成的熱擾動。還將在井下對物理特性和力學(xué)狀態(tài)、現(xiàn)場的孔隙壓力和滲透率進(jìn)行全面的測量，同時獲取流體樣本等。

3.4 巖芯樣本的物理性能測試。通過對取自斷層泥和斷層巖石以及圍巖的樣本研究，將獲得包括強(qiáng)度、滲透率和摩擦性能（包括膨脹和孔隙彈性效應(yīng)）等一系列物理特征參數(shù)。對集集地震時斷層的動態(tài)破裂傳播和弱化的數(shù)值模擬中使用這些測量結(jié)果，進(jìn)行與近場地震觀測得到的震源機(jī)制解做對比研究。這些物理性能測試還可以對來自巖芯樣本微結(jié)構(gòu)和地球化學(xué)觀測的變形機(jī)制以及構(gòu)造行為給出定量的約束。這些物理性能的測試將在美國加州的美國地質(zhì)調(diào)查局完成，在模擬真實(shí)現(xiàn)場溫度、等效應(yīng)力和孔隙流體化學(xué)環(huán)境的巖石力學(xué)裝置上進(jìn)行。

3.5 孔內(nèi)測量和觀測。活斷層上的深孔為觀察正在發(fā)生的地球物理過程提供了機(jī)會。在車籠埔斷層2000 m深的孔完成后，將開展一系列實(shí)地測量和井內(nèi)連續(xù)觀測。（1）溫度測量：鉆孔后期，用有線測井儀器仔細(xì)測量溫度，以估計未受干擾的形變溫度。溫度觀測要在不同時間進(jìn)行，以便修正由于鉆井造成的溫度擾動。（2）流體觀測：在跨越斷層的套管上安裝濾網(wǎng)，以觀測流過斷層的流體，并長期觀測水位的變化。③地震觀測：地震活動的深部觀測，可以獲得小地震的精確震源機(jī)制解，為此需要安裝井內(nèi)地震儀。觀測穿過斷層的由深部地震發(fā)射的地震波，可以對監(jiān)測車籠埔斷層在集集地震后的愈合情況有幫助。這些觀測結(jié)果還要和來自其他斷層，如蘭德斯地震和神戶地震后獲得的地震波監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比較。另外，在鉆孔后的數(shù)年內(nèi)，還要重復(fù)進(jìn)行高精度溫度測量。

4. 汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程（WFSD）

4.1 2008 年5 月12 日，我國四川省發(fā)生了震驚世界的汶川8.0級特大地震，給人民的生命財產(chǎn)造成了巨大的損失。在為同胞蒙難悲痛之余，地震科研人員和相關(guān)部門很快意識到這一開展地震研究的難得機(jī)遇，在科學(xué)調(diào)研論證的基礎(chǔ)上，于2008 年11 月6 日在四川省都江堰市虹口鄉(xiāng)，快速組織實(shí)施汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探工程，即WFSD。

4.2 該項目將通過“鉆探、井中探測、科學(xué)研究”三位一體的方式捕捉大地震直接信息，揭示地震機(jī)制。項目將在汶川大地震和復(fù)發(fā)微地震的源區(qū)——龍門山“北川- 映秀”斷裂及龍門山前緣安縣- 灌縣斷裂傍側(cè)先后實(shí)施5口科學(xué)群鉆[14]（具體參數(shù)見表1），在主孔孔內(nèi)安放科學(xué)儀器，建立深孔長期地震觀測站。在此基礎(chǔ)上，主要做以下幾個方面[15]的工作：

（1）汶川地震破裂帶結(jié)構(gòu)、構(gòu)造屬性的研究：在精確校正鉆探測井和巖芯深度的前提下，綜合地球物理測井、巖芯的良好保存以及通過主動震源地震成像和觀測，準(zhǔn)確識別活動斷裂位置、結(jié)構(gòu)、產(chǎn)狀及各種構(gòu)造要素，精確測量斷裂破壞帶的寬度和破壞強(qiáng)度，并劃分?jǐn)鄬訋r的類型，確定斷裂的構(gòu)造屬性。

（2）地震斷裂帶物理行為的研究：通過對地震斷裂帶的物理參數(shù)：摩擦、溫度、流體、應(yīng)力、滲透性、地震波速等的測量和研究，揭示巨大的滑移量及滑移速度與斷裂潤滑關(guān)系，建立高分辨率（0.003度）溫度剖面，研究溫度變化與摩擦系數(shù)的關(guān)系，重塑破裂演化過程，深化認(rèn)識地震斷裂帶的地震能量狀態(tài)、地震愈合周期以及斷裂帶物理行為對地震發(fā)生機(jī)制的制約。

（3）地震斷裂帶化學(xué)行為和流體行為的研究：通過地震斷裂帶巖石、礦物和流體的地球化學(xué)特征、礦化、巖脈的充填和局部熔融的研究，應(yīng)用地球化學(xué)方法來限定斷裂帶的熱歷史（磷灰石/鋯石裂變徑跡、U+Th/He低溫?zé)崮甏鷮W(xué)技術(shù)），提供熱異常證據(jù)及其時空變化。深化認(rèn)識流體在地震孕育、發(fā)生和停止過程中的作用。

（4）井下長期觀測：通過安裝井中地震儀和綜合地球物理探測儀，監(jiān)測更深部的地震活動及進(jìn)行地震后應(yīng)力衰減的測量和記錄。從三維地震臺陣的角度，對汶川地震斷裂帶的余震趨勢、余震強(qiáng)度和影響范圍進(jìn)行新的分析和探討（汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項目的鉆孔及其主要參數(shù)設(shè)計見表1）。

5. 斷裂帶地震科學(xué)鉆探展望

5.1 我國著名構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家許志琴院士等指出，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，斷裂帶科學(xué)鉆探研究地震發(fā)生機(jī)制取得的成績主要有8個方面：（1） 斷層滑移摩擦生熱量和熱異常研究；（2） 斷裂帶的流體作用；（3） 流體滲透作用和斷裂帶的愈合；（4） 微型地震的破裂過程；（5） 斷裂帶的礦化作用；（6） 余震層析成像；（7） 地下巖石在地震來臨前發(fā)生的物理變化；（8） 氣體地球化學(xué)異常對遠(yuǎn)程大地震的響應(yīng)。

5.2 地震鉆探項目的主要目的是研究地震能量補(bǔ)償和斷層帶活動過程。

（1）對于地震鉆探工程的實(shí)施及研究應(yīng)該注意以下幾個方面。首先，應(yīng)該選擇已知的和相對簡單的斷層和地質(zhì)構(gòu)造，因?yàn)樵趩我坏闹鲾鄬颖仍跀嗔严蹈菀撰@取地震學(xué)資料。其次，應(yīng)該在地震反演和地表變形數(shù)據(jù)給出的斷層上同震位移較大的地區(qū)鉆探，因?yàn)榈乇砦灰屏看笥? m時能捕獲到摩擦信息。理想狀態(tài)下，鉆探應(yīng)盡量接近或達(dá)到地震成核的深度，并將科學(xué)問題鎖定在摩擦、增溫及地震相互作用等方面。第三，盡量獲取結(jié)晶巖石，因?yàn)榕c沉積巖相比，結(jié)晶巖的滲透率較低且?guī)в懈嗟哪Σ列畔?，另外，松散沉積物也不利于對孕震斷層進(jìn)行深入研究。第四，應(yīng)盡量選擇傾向斷層，以便垂直鉆孔可以高角度穿過斷層面。最后，鉆探地點(diǎn)最好選擇在有地震觀測臺和GPS觀測臺的地區(qū)以便獲取充足的地震信息。為有效利用井內(nèi)空間并避免相互干擾，在設(shè)計鉆探計劃時還應(yīng)對綜合鉆孔測量和井中觀測系統(tǒng)做好規(guī)劃。為在時間和空間上盡量實(shí)現(xiàn)眾多科學(xué)目標(biāo)，還應(yīng)注意觀測次序，優(yōu)選觀測手段，例如盡量采用對井孔擾動較小的應(yīng)力測試和水壓實(shí)驗(yàn)，或者僅在某一段上進(jìn)行某種實(shí)驗(yàn)。在現(xiàn)場觀測時，溫度測量、地震觀測、應(yīng)力觀測、水壓試驗(yàn)、流體采樣等在時間上或空間上都可能發(fā)生沖突（Emily E. Brodsk，2009）。

（2）可以預(yù)見，在未來地震科學(xué)鉆探研究中，取心、測井、監(jiān)測依然是地震科學(xué)鉆探的主要直接目的，原狀巖心獲取、深井鉆探技術(shù)、監(jiān)測儀器研發(fā)是開展該研究的難點(diǎn)，長期實(shí)時監(jiān)測并及時預(yù)測地震發(fā)生是將是其最為宏偉的目標(biāo)。

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