WFSD鉆孔氣體氫濃度動態(tài)與斷裂構(gòu)造及地震的關(guān)系

劉耀煒 方 震 張永久 官致君 楊多興 張 磊

1）中國地震局地殼應(yīng)力研究所，地殼動力學(xué)重點實驗室，北京 100085

2）四川省地震局，成都 610041

為了開展汶川8級地震孕育機理及其科學(xué)問題深入研究，“十一五”國家科技專項“汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探（WFSD）” 2008年11月開始實施。汶川斷裂帶科學(xué)鉆探項目設(shè)計在龍門山斷裂帶上鉆5口科學(xué)深鉆，其中 WFSD-2井位于汶川地震主斷裂的北川-映秀斷裂中段，斷裂上盤為8億年前形成的古老彭灌花崗巖閃長質(zhì)雜巖，下盤為三疊系煤系地層，2009年7月6日開鉆，設(shè)計孔深2000 m，截止2012年1月15日終孔鉆進深度為2 180.52 m。使用最新觀測技術(shù)痕量氫在線分析儀，開展WFSD-2井隨鉆泥漿氣體H2濃度的觀測，采樣間隔為5 min。WFSD-3井位于安縣-灌縣逆沖斷裂帶中段，斷裂上盤為三疊紀砂板巖，下盤為侏羅紀砂礫巖，設(shè)計孔深1 500 m，于2009年12月8日開鉆，截止2012年1月15日鉆進深度為1 470.30 m，使用痕量氫在線分析儀開展隨鉆泥漿氣體H2濃度的觀測，采樣間隔為20 min。本文使用WFSD-2鉆孔311.9～2 039.01 m深度之間近11萬個隨鉆泥漿H2濃度觀測數(shù)據(jù)和WFSD-3鉆孔379.53～1 378.41 m深度之間2萬個隨鉆泥漿H2濃度觀測數(shù)據(jù)進行分析。排除鉆孔過程的影響等因素，結(jié)合巖性和斷裂密度，分析了H2濃度高值異常與斷裂構(gòu)造和地震孕育過程的關(guān)系。

科鉆中H2高值異常成因主要有3種機理：第一類與鉆孔內(nèi)斷裂破碎帶H2釋放有關(guān)，H2高值異常主要出現(xiàn)在WFSD-2井606.18～616.68 m，1 560～1 562 m和WFSD-3井711.2～764.85 m，961～978m的斷裂發(fā)育區(qū)段層位，認為是由于賦存在巖石中的H2沿著斷裂破碎帶運移使得鉆孔泥漿中H2濃度升高；第二類是與構(gòu)造塊體邊界強震孕育和龍門山斷裂上近場顯著地震活動有關(guān)，其中在2010年4月14日玉樹MS7.1級地震發(fā)生前20天，距震中680 km的WFSD-2井鉆進到642.36～676.22 m層位，H2濃度出現(xiàn)高值異常，高值達到58.476×10-6，異常持續(xù)7天，恢復(fù)到正常背景值13天后發(fā)生玉樹7.1級地震。2011年6月5日茂縣、北川交界處4.3級地震發(fā)生前7天，WFSD-2井鉆進到1383.5～1405m層位，H2濃度出現(xiàn)高值異常，高值達到46.156×10-6，異常持續(xù)5天恢復(fù)到正常背景值2天后發(fā)生4.3級地震。2010年5月25日都江堰市 MS5.0地震前 20天，WFSD-3井鉆進到 570.05～665.9 m 層位，H2濃度出現(xiàn)高值異常，高值達到288.359×10-6，異常持續(xù)直到地震發(fā)生，震后2天恢復(fù)到正常背景值。第三類是鉆孔穿過斷裂破碎帶，近場區(qū)地震孕育過程H2濃度異常時間會增長。如WFSD-2井在720.88～791.01 m層位H2濃度快速升高，異常持續(xù)50天，異常恢復(fù)7天后，2010年5月25日發(fā)生了都江堰MS5.0地震。H2具有很強的擴散能力，巖石微破裂或應(yīng)力作用等均會促使H2擴散、滲透作用加強，以斷裂帶或破碎帶為通道運移而產(chǎn)生高值異常。

本項研究結(jié)果揭示了還原性氣體與地震活動的關(guān)系，為重塑斷裂帶活動與地震孕育過程的動態(tài)信息提供了氣體地球化學(xué)觀測數(shù)據(jù)。這對分析氫等還原性氣體與地震孕育、發(fā)生過程的關(guān)系，以及解釋地震前兆成因機制也具有重要的意義。