第82卷 第12期2008年12月 地 质 学 报 ACTAGEOLOGICASINICA Vol.82 No.12Dec. 2008
注:本文为国家“汶川地震断裂带科学钻探”项目资助成果。收稿日期:2008211210;改回日期:2008211220;责任编辑:周健。作者简介:许志琴,女。研究员,中国科学院院士,构造地质专业。Email:xzq@ccsd.cn。汶川地震和科学钻探
许志琴1),李海兵1),吴忠良2)
1)中国地质科学院地质研究所,北京,100037; 2)中国地震局地球物理研究所,北京,100029
内容提要:2008年5月12日,在我国四川省发生了震撼世界的汶川特大地震,给人民的生命财产造成了巨大的损失。在汶川特大地震发生及其余震尚在继续的特殊时期,快速实施汶川地震断裂带的科学钻探(WFSD),是认识地震发生的机制、继续对余震进行有效监控以及提高地震监视和预警的能力的极佳机遇。2008年11月6日,汶川地震断裂带科学钻探工程开工典礼在四川省都江堰市虹口乡举行,标志着地震机制的研究跨上了新的台阶。通过对科学钻孔的直接取样,多学科观测和测试,揭示地震断裂带的深部组分、结构和构造属性,重塑地震断裂带的物理和化学过程,为提高未来地震的监测、预报或预警能力提供重要信息。
关键词:汶川地震;科学钻探;地震机理
2008年5月12日14时28分,在我国四川省发
生了震撼世界的汶川特大地震。汶川地震的发震断
裂位于青藏高原东缘龙门山断裂带,震级8.0,最大烈
度11。截至2008年10月10日,主震区累计发生余
震33125次,其中5.0～5.9级32次,6级以上8次,余震范围长300km,宽80km,地震影响的范围涉及
10个省(区、市)的417个县(市、区),受灾面积达50×104km2。汶川地震引起的次生灾害极其严重,致
使救灾难度极大。汶川特大地震是新中国成立以来
破坏性最强,损失最惨重、波及范围最广而且援救最
困难的一次强烈地震,造成8万多人死亡、37万多人
受伤、4500多万人失去家园,导致近万亿元的财产损
失。汶川特大地震发生后,在党中央、国务院和中央
军委的坚强领导下,灾区和社会各界进行了伟大的众
志成城、抗震救灾战斗,取得重大的胜利。
尽管地震预报的难度很大,但是目前世界上一
些国家和地区的科学家,正在千方百计利用新的科
学技术,不断探索新的途径来提高对地震灾害的预
报预警能力,提升对地球内部岩石变形机理的认知
程度,其中一个重要的途径就是实施活动(地震)断
裂带的科学钻探。国际专家普遍认为,在地震断裂
带上实施科学钻探,特别是在大地震发生后,利用科
学钻探,通过对温度、地震波速度和发震断层渗透性
等物理参数的精确测量,有可能获取有关地震愈合
和破裂周期、地震摩擦热、岩脉填充、渗透性、流体作用、应力状态等重要基础数据,大地震后的快速钻探
是研究地震机制和捕捉余震直接信息的有效方法之
一。活动(地震)断裂带的科学钻探可以通过原位观
测、井中实验、断裂带物质的实验室分析以及长期监
测等手段,为解决地震的物理化学和地震机制的根
本问题提供重要的答案。
我们认为,中国是世界上地震多发国家之一,根
据我国大陆强震分析趋势,选择若干重要地震活动
带,制定中国主要地震断裂带(包括历史上的地震
带)的科学钻探计划,通过科学钻探研究不同类型地
震断裂的发震机制,并监测未来可能发生的地震,是
防震减灾的长期科学战略。特别是在汶川特大地震
发生及其余震尚在继续的特殊时期,快速实施汶川
地震断裂带的科学钻探(WFSD),是认识地震发生
的机制、继续对余震进行有效监控以及提高地震监
视和预警的能力的极佳机遇。
1 地震断裂科学钻探的态势
我国台湾、日本和美国在地震活动断裂带实施
科学钻探的经验给予我们重要的启迪。
1995年日本阪神大地震之后,日本科学家立即在Nojima断裂带实施了科学钻探。并分别于1997年、2000年和2003年进行了3次注水水文试验,以
了解大地震之后水文学特征的演化规律。“地震之
国”日本,是世界上开展深井观测最早的国家之一。地 质 学 报2008年
到2000年为止1000～3800m深的深井观测站至少
已有22所,并逐年增加综合地球物理深井观测台站
数目。2006年在日本召开来自世界各地的80位科
学家组成的由大陆科学钻探(ICDP)和大洋科学钻
探(IODP)联合会议,重新检验断裂带上科学钻探的
工艺,包括应力测量、流体压力测量、磁导率测量、岩
芯取样、岩屑取样、流体取样,以及在断裂带及其周
围的地表-钻孔地球物理场特征的研究。
1999年9月21日,我国台湾集集地震(MW7.6)发生在南北向的车笼埔断裂。为了理解引起集集地震的断层带的结构和机制,我国台湾和日本于
2000年4月联合实施了车笼埔钻探项目。我国台湾科学家立即在车笼埔断裂进行了两个浅孔科学钻
探。以调查车笼埔断裂南、北两段断裂特征截然不
同的原因。并于2006年在1300m深钻孔内安置了
一组由美国研制生产的7台地震仪组成的深井地震
仪,进行长期观测。经过一年多的观测实践,证明深
井观测可以记录到断裂带上震级M为0～2级极微
弱地震,并能精确定位,根据微震活动研究断裂带上
闭锁段的位置从而预测地震,其灵敏度和精度是常
规地面观测无法达到的。
美国正在实施庞大的EARTHSCOPE计划,旨
在详细地揭示北美大陆岩石圈和地球深部构造,提
高对地震、火山等地质灾害预警能力。计划之一的
加利福尼亚州圣安德列斯断层深度观测站
(SAFOD)是通过圣安德列斯断层的钻孔观测测量并查明引起断层滑动、地震和地壳变形的地质条件。
地震科学钻探取得的初步成绩:(1)断层滑移摩擦生热量和热异常研究:地震断裂作用非常重要且突出的问题是断层滑移摩擦生热
的量。通过对Nojima钻孔岩芯物质进行分析,估
算了滑移带的瞬时热异常。Fukuchi等(2007)通过
顺磁共振方法,分析了Nojima断裂Hirabayashi
NIED岩芯中数个滑移带的热异常,他们的结论是滑移带的物质从未经历过350℃以上的摩擦生热过
程。Sakaguchi等(2007)利用镜质组反射特征作为
古地温指示,分析了我国台湾集集地震的车笼埔断
裂带两处地表开孔样品和通过钻探取出的深部样
品,发现断裂的总位移量取决于断裂上下盘的最大
温差。从1999年集集地震断层摩擦产生的最大温
度达580℃,背景温度为130℃。
(2)断裂带的流体作用:Tagami和Murakami(2007)利用裂变径迹方法发现由于局部流体在断裂带内的流动,热扰动在时间和空间上的分布具有不均匀性。Yamada等(2007)利用裂变径迹方法研究
了HirabayashiNIED岩芯(1140m深)的锆石和磷
灰石的冷却年龄,发现由于流体流动的影响,断裂表
面2m以下的锆石和磷灰石具有明显不同的年龄
分布。
(3)流体渗透作用和断裂带的愈合:提出伴随同震的流体渗透作用,破坏带的断裂2裂隙体系中含硅
酸盐地下水。2000年和2004年从624m深的
HirabayashiGSJ钻孔断裂带获取的水样,分析结果表明,Nojima断裂在阪神地震5年后仍然没有愈
合。Kitagawa等(2007)利用1997年、2000年和
2003年反复注水试验,观测了Nojima断裂在
Toshima破坏带的渗透性变化。他们记录到了在
800m深度向相邻深孔注水时排水量的变化,结论是地震6年后渗透性减少40%。此外,通过测量自
然电位变化观测了注水试验时断裂带的特征,还发
现导水率在阪神地震8年后下降了40%。
(4)微型地震的破裂过程:利用安装在Toshima
DPRI孔中的地震仪,调查了微型地震的破裂过程。他们利用环形裂纹孕育模式分析了31个地震事件
的P波初始状态,结论是地震的最终大小取决于破
裂孕育区的大小。
(5)断裂带的矿化作用:Hashimoto等(2007)用
X射线衍射分析了车笼埔断裂带的粘土矿物,发现断裂带及其围岩中常见的粘土矿物为伊利石、蒙脱
石和绿泥石。他们发现在一些滑移带中蒙脱石有减
少现象,与摩擦升温有关。车笼埔断裂南北段的绿
泥石化学成分变化反映流体特征变化。利用钻孔岩
芯样品研究了同震和震间流体行为,结果表明,同震
摩擦或震间酸性流体的渗透是导致流体体积减少的
主要原因。
(6)余震层析成像:车笼埔断裂带的地球物理调查包括横跨断裂地表破裂面的超浅P波地震反射。
该技术揭示近地表的断裂带结构与地面穿透雷达有
相似的分辨率。主要成果包括:①根据2000多余震
绘制了清晰的地震层析成像图,揭示车笼埔断裂深
部7～9km垂直位移,大部分余震集中于5～6km/
s的地震层序中;②横跨车笼埔断裂带下有一个低电阻率区域,反应了深部地壳流体可能参与了集集
地震的破裂过程。
(7)地下岩石在地震来临前发生的物理变化:最近,《自然》杂志刊登了美国科学家钮凤林等人在圣
安德烈斯断层上,第一次利用深井地震观测技术,在
微秒级的精度上测量了地下岩石在地震来临前发生4161第12期许志琴等:汶川地震和科学钻探
的物理变化(Niu,2008)。钮凤林表示,如果后续的
实地研究能够证实,在世界其他地区的断层地震活
动中,也普遍存在同样的岩石物性变化,那么将来在
此基础上有望开发出比较可靠的地震早期预警系
统。这篇论文引起了广泛的关注。一些科学家认为
这是有关捕获地震前兆现象的有效手段。
(8)气体地球化学异常对远程大地震的响应:在位于中国东部苏鲁超高压变质带(江苏省东海县)上
的中国大陆科学钻探工程(CCSD)实施过程中,在
线流体地球化学监测在2004年12月10至2005年
1月10日之间捕获到一段重要的气体地球化学异常。该异常从2004年12月24日晚上11点半开始
到12月29日晚上7点半结束,其中在12月26日
早上7点半到29日晚7点半的流体地球化学剧烈
变化。表现为流体组分从基本上不含Ar、He及N2跳跃到富含Ar、但亏损He和N2。该异常发生开始
在9.3级苏门答腊地震前1个半小时。气体异常的
出现是否和苏门答腊地震所产生的面波在CCSD现
场激发的动态效应有关,而导致库仑型失稳,增进深
部岩石或破裂带的渗透率,释放富含Ar但亏损He和N2的流体(詹秀春等,2005),是人们感兴趣和值
得探究的问题。
目前,在中国大陆科学钻探工程形成的5km深井的基础上,已建立亚洲第一个深井长期观测站,将利用深孔进行地震监测的新的探索
2 汶川地震和汶川地震破裂构造
1995～2001年全球地震主要分布在环太平洋带、阿尔卑斯—喜马拉雅带、大西洋中脊和印度洋中
脊上。说明地震主要发生在洋脊和裂谷、海沟、转换
断层和大陆内部的古板块边缘等构造活动带。研究
表明世界上存在3种类型的地震断裂:逆冲型、走滑
型和正滑型,其中,汶川地震断裂是一条高角度逆冲
兼右行走滑性质的断裂类型,对它的研究有特殊的
意义。
位于青藏高原东缘与四川盆地结合带的龙门山
主要由4条逆冲断裂:汶川2茂县断裂、映秀2北川断
裂、灌县2安县断裂及平武2青川断裂及其夹持的构
造岩片组成。中石油和中石化集团已完成的横穿龙
门山地震反射剖面,初步揭示龙门山具有前陆逆冲
楔的深部结构(许志琴等,1992,Chenetal.,1995;贾东等,2003)(图1)。
汶川地震发生在龙门山脉,它是由扬子克拉通
的西缘在青藏高原向东强烈挤压重新活化而形成的高山,龙门山脉的主体部分———彭灌杂岩就是活化
了的扬子克拉通结晶基底。研究表明,汶川地震的
发生与印度板块向亚洲板块俯冲、碰撞有关,由此产
生的挤压作用造成青藏高原的物质向东和东南方向
流动,在龙门山地区受阻于刚性的扬子地块,长期挤
压的能量积累突然释放造成强震(Xuetal.,
2008)。汶川地震断裂具有逆冲兼右行走滑、深度浅、震级大及破坏力强的特征(图1)。
对汶川地震的发震断裂进行地表破裂研究表明,龙门山中部的映秀2北川断裂是发震的主断裂,长275
km。沿断裂及两侧(特别是上盘)破裂十分强烈,断裂面较陡,向西北陡倾(70°～80°),断裂面上发育可能
是同期发育的横向擦痕及近水平擦痕指向,最大的垂
直位移10m以上,水平位移达4m,表明是一条逆冲
兼右行走滑的断裂。断裂擦痕的测量表明,在映秀一
带断裂擦痕以逆冲为主,北川一带以斜向逆冲走滑为
主。大量的破裂构造显示既有垂直抬升又有右行位
移,而NE地带的走滑分量大于SW地带。靠近四川
盆地的灌县2安县断裂也是一条同震断裂,沿断裂及
两侧的破裂明显,延续70～80km,垂直位移最大达4～5m,水平位移2～3m,同样显示逆冲兼右行走滑
的特征(Xuetal.,2008)(图2)。在该断裂东侧5～
10km处出现一条NE方向延伸的沙土液化带,推测下面有隐伏断裂。INSAR雷达干涉影像表明汶川2茂
县断裂也有逆冲活动。
总体来看,龙门山是一条高耸狭长的山脉,山脉
和盆地之间相对高差达4000m,GPS测量的水平位
移量极小,高角度的逆冲断裂使龙门山快速向上增
长,区别于逆冲断裂面较缓、水平位移分量较大的我
国台湾集集地震的发震断裂———车笼铺逆冲兼左行
断裂。
3 关于汶川大地震发生机理的关键科
学问题
著名美国科学家Zoback等(2007)曾提出当今
活动断裂和地震领域的8大科学问题:(1)无震和有震条件下断裂滑移的变形机制有什么区别?(2)为什么断裂滑移有时可导致地震,有时没有地震,有时又处于中间过渡状态,什么因素控制这些
过程的相互转变?(3)地震是如何形成的?断裂是如何发展、演化或停止的?(4)地震之前,断裂带或其次级构造有没有前兆5161