地下流體對地震孕育過程的影響淺析

■張環曦 周安聘 董博 劉靜

（河北省地震局石家莊中心臺 河北石家莊050200）

地下流體對地震孕育過程的影響淺析

■張環曦 周安聘 董博 劉靜

（河北省地震局石家莊中心臺 河北石家莊050200）

地下流體在地震孕育過程中有著重要作用，已經被國內外諸專家多學者研究證實。本文關注的重點不是地下流體是否對地震孕育過程產生作用，而是地下流體如何對孕育過程產生作用。因此筆者分析了地下流體對地震孕育過程產生作用的物理機理，同時簡述了一些典型的地下流體孕震模式，以期為地震預測提供參考借鑒。

地下流體地震孕育過程物理機理孕震模式

在地震預測研究中，人們很早就注意到了地下流體的存在，在認識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，更為關注地下流體在地震孕育過程中的作用，這也成為了地震預測領域中的一個新的研究熱點。地震預測主要以地震孕育的物理過程及過程中的巖石物理性質、力學狀態的變化為依據，而地下流體恰好能影響斷裂帶巖石強度，揭示地球運動規律，是地震預測分析中不可忽視的一個因素。所以，研究地下流體對地震孕育過程的影響，有助于正確把握震情發展方向，為地震預測作出有力的支持。

1　地下流體對地震孕育過程的影響

地下流體在地球運動過程中起著重要作用，地下介質熱量傳遞、構造運動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動的一個重要因素，更是具有決定意義的介質條件，其對地震孕育過程有著重要影響。具體表現如下：

第一，流體的深入、抽取會造成有效的應力擾動，進而對地震孕育過程產生影響。

第二，巖石表面的流體會吸附進入巖石體內，降低巖石的強度。

第三，充水斷裂端部的應力集中與水的劈裂作用會對斷裂帶的巖石強度產生影響。

2　地下流體誘發地震的物理機理

2.1孔隙壓增大造成有效應力變化，進而誘發地震

地震發生的主要成因是地殼中應力超過了巖石的彈性極限，而孔隙壓變化會造成地殼中有效壓力的變化，勢必對地震孕育過程產生影響，甚至誘發地震發生。斷裂帶中的流體主要以裂隙滲流和孔隙滲流的方式運移，在流體通過裂隙進入斷層后，就會產生孔隙壓，降低有效應力。有效應力的計算公式如公式1所示。

注解：τ表示斷層面的抗剪強度，C表示斷層面巖石的粘結力，μ表示滑動摩擦系數，ν表示界面上正應力，Pf表示孔隙壓。

圖1　孔隙壓增大誘發地震原理圖

根據巖石力學中的Coulomb—Mohr破裂準則，制作了孔隙壓增大誘發地震的原理圖，如圖1所示。從圖1中可以看出，在Pf增大時，ν3和ν1會同時減去一個Pf值，摩爾圓向左側移動。如果Pf增大至可以使斷層面的剪切力大于抗剪強度時，就會造成斷層兩盤快速的剪切錯動，進而引發地震。從這樣的過程可以看到地下流體加速了斷層滑移過程，易誘發地震。

2.2地下流體受熱膨脹擴容，進而誘發地震

地下流體在流動過程中，會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、體積也會相應的發生變化，造成水受熱后膨脹，氣化產生壓力，使巖體在壓力作用下破裂。在地下流體發生以上變化的同時，深入巖體中的地下流體也會造成巖體發生一定程度的膨脹，膨脹量大小不一，最大可達到巖體原體積的20%左右。一旦巖體破裂、膨脹，就可能孕育地震，誘發地震。

2.3地下流體滲入巖體后，造成巖石軟化或潤滑，進而誘發地震

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。在地下流體作用下，斷裂帶中巖石的物理、化學性質會發生一定變化，出現軟化、泥化等現象，巖石的強度會有所下降，造成地層失穩而引發地震。地下流體之所以能對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，就會產生溶蝕作用，進而降低巖體強度。

3　典型的地下流體孕震模式

基于地下流體對地震孕育過程的影響，一些專家學者提出了一些地下流體孕震模式，如膨脹-擴散模式，地震泵模式。其中，膨脹-擴散模式認為板塊運動或其他原因會造成構造應力累積，當這種應力累積到一定程度，就會產生大量的微裂隙集結，形成主斷裂，并造成巖體膨脹。在這過程中，地下流體會滲入到巖體中，產生新的孔隙，使孔隙壓增大，產生膨脹硬化現象。由于孔隙壓的增大、巖體的膨脹，加速了巖體的破裂、發育、成核及滑移，就會誘發地震。這一過程是一個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理非常契合。

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

4　結束語

綜上所述，地下流體滲入斷裂層中能增加孔隙壓，降低有效應力，造成巖層滑移；能受熱膨脹擴容，造成斷裂層中巖體破裂、膨脹，使巖層失穩；能對巖石產生軟化、泥化、潤滑作用，降低巖石強度和斷裂帶強度。以上這些都可以誘發地震的發生，可見地下流體在地震孕育過程中的作用顯著。所以，地震預測中，應多加關注地下流體對地震孕育過程的作用，分析觀測數據變化，研究地下流體運動規律，就可能掌握地震前兆，為地震預測提供有力的支持，提高預報地震能力，便于降低地震災害的危害性，保護人們的生命安全。

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P315[文獻碼]B

1000-405X（2016）-2-297-1