科學鉆探與地震關系研究與展望

趙帥

【摘 要】 鉆探技術，特別是深部鉆探技術的發展，為人類打開了了解地球內部信息的窗戶；利用鉆探技術，研究地震發生機制，進而成功預測地震發生，避免人員傷亡和財產損失成了地震研究的熱點之一。美國圣安德列斯活動斷裂地震帶科學鉆探與實時監測項目（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鉆探（WFSD）是依托鉆探技術研究地震發震機理的三個典型案例。本文從宏觀上總結了三個項目的部分信息，并對地震科學鉆探進行了展望，供科研人員參考。

【關鍵詞】 科學鉆探；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）在眾多的自然災害中，特別是在造成人員傷亡方面，地震造成的死亡人數占各類自然災害造成的死亡人數總數的一半以上，地震災害堪稱群災之首[1]。如何有效監測和預報地震發生，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的世界性科學難題。

（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，也是從海底以下數米深處采集樣品的唯一手段[2]。隨著人類對地球認識不斷深入，鉆探設備不斷改進，鉆探技術水平不斷提高，鉆探為地質學的研究提供了有力的技術保障。特別是近幾十年發展起來的地質深鉆甚至是超深鉆，更為人類打開了了解地球內部世界的窗戶[3]。

（3）“國際專家普遍認為，在地震斷裂帶上實施科學鉆探，特別是在大地震發生后，利用科學鉆探，通過對溫度、地震波速度和發震斷層滲透性等物理參數的精確測量，有可能獲取有關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、應力狀態等重要基礎數據，大地震后的快速鉆探是研究地震機制和捕捉余震直接信息的有效方法之一”[4]。因此，在地震活動地區進行以探測震源區為目的的科學鉆探，鉆探到發震層所在深度對震源區作直接觀測，對于地震預測理論和實踐都具有十分重要的意義。

（4）鑒于此，在全世界范圍內開展的國際大陸科學鉆探計劃（ICDP）和綜合大洋鉆探計劃 （IODP）將發震帶列為其重點研究領域之一。美國和我國臺灣都曾在地震活動帶上實施科學鉆探，并取得積極的成果，成為依靠科學鉆探技術研究地震難題的典型案例。2008年，我國汶川大地震發生后，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，快速組織實施了汶川地震斷裂帶科學鉆探（WFSD）。如今，該項目正在順利實施。

（5）科學鉆探是入地的重要手段，被稱為伸入地球內部的“望遠鏡”[5]，必將在未來地震研究中繼續發揮更大的作用。鑒于此，筆者了解了美國圣安德列斯活動斷裂地震帶科學鉆探與實時監測項目（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鉆探（WFSD）的相關工程技術信息，供科研人員參考。

2. 圣安德列斯活動斷裂地震帶科學鉆探與實時監測項目（SAFOD）

2.1 SAFOD地理及地質背景。

美國圣安德列斯活動斷裂地震帶科學鉆探與實時監測項目（The San Andreas Fault Observatory at Depth，簡稱SAFOD）是“地球透鏡計劃”（EarthScope）的一個子項目，其目標是解決控制大型板塊邊界斷層形成機制的物理化學過程等基本問題以及研究地震成因機理和地震預警[6]。SAFOD位于美國加利福尼亞州中部Parkfield小鎮西北9Km處，地理坐標35° 58' 26.5"N， 120° 33' 8.73" W。在構造位置上恰好在San Andreas活動斷裂帶上。井位選在1966年Parkfield 6級地震斷裂帶的最北端，這個地區也是歷史上的地震高發區，相似震級的大地震會近周期性的在這個地區發生。斷層在這個地區有著明顯的表現，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 鉆探工程實施過程。

2.2.1 該項目鉆探施工主要分四個階段[8]進行：（1）先導孔，2002年6月6日到7月24日，垂直鉆進2168m；（2）主孔Ⅰ，2004年6月11日到10月6日，位于先導孔東北768m處，先垂直鉆進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基礎上繼續斜向鉆進并穿過斷層帶，縱深度達到3987m；（4）主孔III，2007年6月14日到9月15日，在主孔II的基礎上側向鉆三個側孔，目的是深入到反復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，在斷層帶位置出現了一個低電阻率、Vs、Vp低速區，而且反復的多點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初步科學研究。

2.3.1 鉆井中的氣體和流體性質一直備受科研人員關注。SAFOD采用的方法是利用攪拌機將氣體從鉆井泥漿中提取出來，持續的輸入實驗管道中，每隔十分鐘對氣體成分進行一次測量。測量發現，氣體成分主要是CH4、H2、CO2和Rn。同時，還對這些氣體的導電性、pH、溫度的持續變化進行了測量。研究結果表明幔源流體對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上，開展長達大約20年的實時監測。實時監測旨在通過對斷層帶內地震活動性、變形特征、流體壓力和其他參數的觀測，實時監控San Andreas斷裂的活動情況，并試圖對地震進行預測。SAFOD實時監測項目的實施主要包括以下幾個階段：（1） 在先導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測鉆探地區的地質和地球物理特征，以此確定地質構造和地震震源區的具體位置，從而為主孔鉆探作準備。2004年在Parkfield地區又發生了一次6級地震，在先導孔中的地震檢波器和測斜儀就監測到了一些地震波的數據。 （2）2004年夏天，激光應變計被安置在主孔垂直部分的鉆井套外側。隨后，包括地震檢波器、變形傳感儀在內的一系列檢測設備安裝在斜井部分。這些設備主要測量壓力、剪切波各向異性、熱流溫度等。（3）2006年2月起，一系列測量設備被放入到使鉆井套發生變形的地方，也就是斷層帶區域。如，將一個遠程電子三分量檢波器（Three-Component Geophones）夾在套管壁內側，采樣率4000sps，利用這個裝置可以近距離監測地震現象（Ellsworth，2007）。此外還有垂直地震剖面（VSP）、虛擬地震試驗等觀測方法。地震帶內地震活動性、變形特征、流體壓力和其他參數的觀測要持續約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備，以便在反復微震發生的地方長時間觀測地震源區的地震能量、變形狀態、流體壓力和地震波特性。這是科學家們第一次可以在地震發生的源區觀測地震形成、擴展、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，進而分析車龍埔斷層產生劇烈錯動的原因，為地震理論科學和預報實踐提供有益的幫助。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、地質填圖、地球物理填圖（大地電磁、重力等），需要圍繞鉆井目標地區進行。

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，然后連續取芯到2000 m，預計在1500 m深處遇到車籠埔斷層。取芯完成后，HQ（96 mm直徑）孔將被擴大，以便安裝3層套管并用水泥封固，套管一直達到孔的底部。如果在孔的下部遇到不可預見的地質條件，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年發展起來的一套方法可以對現今應力場加以估計。比如，傳統的水壓致裂法的改進技術和BHTV（超聲波井孔電視監測儀）以及FMI（結構微成像儀）等測井方法聯合使用，可以識別井孔內的應力誘發破壞和拉張破裂現象。同時，這些方法還在整個鉆井的深部區域（直到2000 m）確定應力大小和方向。用高精度的熱敏電阻，在各個深度進行連續溫度測量。同時，在孔內完成更長時間的溫度測量。這項工作的主要目的是：（1）精確確定大地熱流值；（2）探測斷層區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狀態、現場的孔隙壓力和滲透率進行全面的測量，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，將獲得包括強度、滲透率和摩擦性能（包括膨脹和孔隙彈性效應）等一系列物理特征參數。對集集地震時斷層的動態破裂傳播和弱化的數值模擬中使用這些測量結果，進行與近場地震觀測得到的震源機制解做對比研究。這些物理性能測試還可以對來自巖芯樣本微結構和地球化學觀測的變形機制以及構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調查局完成，在模擬真實現場溫度、等效應力和孔隙流體化學環境的巖石力學裝置上進行。

3.5 孔內測量和觀測。活斷層上的深孔為觀察正在發生的地球物理過程提供了機會。在車籠埔斷層2000 m深的孔完成后，將開展一系列實地測量和井內連續觀測。（1）溫度測量：鉆孔后期，用有線測井儀器仔細測量溫度，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，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制解，為此需要安裝井內地震儀。觀測穿過斷層的由深部地震發射的地震波，可以對監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測結果進行比較。另外，在鉆孔后的數年內，還要重復進行高精度溫度測量。

4. 汶川地震斷裂帶科學鉆探工程（WFSD）

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

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

（1）汶川地震破裂帶結構、構造屬性的研究：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，準確識別活動斷裂位置、結構、產狀及各種構造要素，精確測量斷裂破壞帶的寬度和破壞強度，并劃分斷層巖的類型，確定斷裂的構造屬性。

（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：摩擦、溫度、流體、應力、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的關系，重塑破裂演化過程，深化認識地震斷裂帶的地震能量狀態、地震愈合周期以及斷裂帶物理行為對地震發生機制的制約。

（3）地震斷裂帶化學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特征、礦化、巖脈的充填和局部熔融的研究，應用地球化學方法來限定斷裂帶的熱歷史（磷灰石/鋯石裂變徑跡、U+Th/He低溫熱年代學技術），提供熱異常證據及其時空變化。深化認識流體在地震孕育、發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，監測更深部的地震活動及進行地震后應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、余震強度和影響范圍進行新的分析和探討（汶川地震斷裂帶科學鉆探項目的鉆孔及其主要參數設計見表1）。

5. 斷裂帶地震科學鉆探展望

5.1 我國著名構造地質學家許志琴院士等指出，經過幾十年的發展，斷裂帶科學鉆探研究地震發生機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生的物理變化；（8） 氣體地球化學異常對遠程大地震的響應。

5.2 地震鉆探項目的主要目的是研究地震能量補償和斷層帶活動過程。

（1）對于地震鉆探工程的實施及研究應該注意以下幾個方面。首先，應該選擇已知的和相對簡單的斷層和地質構造，因為在單一的主斷層比在斷裂系更容易獲取地震學資料。其次，應該在地震反演和地表變形數據給出的斷層上同震位移較大的地區鉆探，因為地表位移量大于1 m時能捕獲到摩擦信息。理想狀態下，鉆探應盡量接近或達到地震成核的深度，并將科學問題鎖定在摩擦、增溫及地震相互作用等方面。第三，盡量獲取結晶巖石，因為與沉積巖相比，結晶巖的滲透率較低且帶有更多的摩擦信息，另外，松散沉積物也不利于對孕震斷層進行深入研究。第四，應盡量選擇傾向斷層，以便垂直鉆孔可以高角度穿過斷層面。最后，鉆探地點最好選擇在有地震觀測臺和GPS觀測臺的地區以便獲取充足的地震信息。為有效利用井內空間并避免相互干擾，在設計鉆探計劃時還應對綜合鉆孔測量和井中觀測系統做好規劃。為在時間和空間上盡量實現眾多科學目標，還應注意觀測次序，優選觀測手段，例如盡量采用對井孔擾動較小的應力測試和水壓實驗，或者僅在某一段上進行某種實驗。在現場觀測時，溫度測量、地震觀測、應力觀測、水壓試驗、流體采樣等在時間上或空間上都可能發生沖突（Emily E. Brodsk，2009）。

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

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