第12期(总第420期) 2013年12月 国际地震动态 Recent Developments in World Seismology No.12(Serial N0.420) December,2013 断层带流体对断层强度和强震 孕育的影响* 宋娟D 周永胜 ’ 1)中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,青岛266580 2)中国地震局地质研究所,地震动力学国家重点实验室,北京100029 摘要 大量研究表明,流体在断层弱化中起着非常重要的作用。在地壳浅部脆性 域,自由水通过流体孔隙压力减小断层有效正压力,从而降低断层摩擦强度;在地壳深 部,矿物中的微量结构水弱化岩石流变强度。另外,流体一岩石相互作用等化学过程,如 长石水解反应,对断层强度的影响也非常显著。断层深部流体通过物理作用与化学作用 影响着岩石的变形机制,从而影响断层力学性质与地震孕育和发生。断层内部流体孔隙 压力周期性变化是断层带脆一塑性转化、裂缝张开与愈合等的直接体现,这种变化控制着 断层强度与强震周期性发生现象。 关键词 断层强度;脆塑性转化;水岩反应;裂缝愈合;高压流体;强震孕育 中图分类号:P315: 文献标识码: A;doi:10.3969/j.issn.0235—4975.2013.12.003 引言 根据摩擦和流变实验得到地壳强度剖面 显示,大陆地壳强度模型类似于“三明治”结 构。其中,地壳脆塑性转化深度与地震深度 分布具有很好的一致性,表明在脆塑性转化 关 。如图1所示,流体压力增加,断层的 摩擦强度降低,脆塑性转化带的深度增加; 随应变速率升高,断层摩擦强度增大,断层 脆塑性转化带的深度增加 。断层带这种 300 带之上,断层强度最大,最有可能形成强震; 400 在脆塑性转化带内,岩石不具有发生强震的 条件但可能发生余震;而在塑性变形层,基 本不具备发生地震的条件。断层强度和脆塑 性转化带深度除了受地壳物质组成、热流结 构等的影响外,还与流体特征和应变速率相 收稿日期:2013—07 01;修回日期:2013-07—08。 基金项目:国家自然科学基金项目(40972146)和地震动 力学国家重点实验室自主课题(LED2009A01) 资助。 0 200 400 600 800 1000 600 赠500 差应力/MPa 图1流体压力和应变速率对断层强度的影响E ̄-z] 国际地震动态 随流体压力和应变速率的变化被认为与地震 循环相关 j。 与水发生退变反应,这种反应吸干了能够获 取的水分,并留下孤立的盐和CO ,使得水 分压受到化学平衡的制约,从而不大可能存 在连续的自由水口 。但出露于地表麻粒岩 的主要矿物中_1 。。 和单斜辉石在变质反应 中[1 都有Hz O—CO 包裹体及盐水包裹体。 而以麻粒岩为主的下地壳也发现存在一定的 结构水_2 。这些结构水主要赋存于矿物包 断层深部流体通过物理作用与化学作用 影响着岩石的变形机制,从而影响断层力学 性质与地震孕育和发生 ]。然而,以往的研 究更多的是关注流体孔隙压对断层强度的影 响和矿物结构水对矿物塑性流变的弱化这两 方面L1],水岩反应对断层强度影响和在强震 孕育中的作用研究相对比较少。由于地壳内 裹体、晶体缺陷中Lg ,22-25]或出现在晶体颗 粒边界_2 。 部流体有多种存在形式,流体对断层强度影 响是一个复杂的过程。针对这些问题,本文 高温高压实验岩石学也提供了相关的证 据:如,天然的和热压合成的斜方辉石中 HO 的扩散作用E27]、单斜辉石岩、角闪岩 综述了地壳深部流体存在状态、流体对断层 强度弱化的物理和化学机制、流体对强震孕 育与发生的影响等研究进展,讨论流体在强 震孕育发生中的重要性。 和玄武质岩石的熔体中水含量的测定和水在 基性岩及其熔体中的溶解实验表明,斜长石 1地壳深部流体存在状态 大量研究表明大陆上地壳含有连续的自 与单斜辉石和玄武岩浆中可以溶解一定的自 由水和HO_。,而且水的溶解度随岩浆成分 由水[7 ],也存在结晶水和结构水。上地壳水 主要以自由水的形式存在。上地壳通常存在 的含水矿物(如角闪石等)中的水一般为结晶 水和结构水。以长英质岩石为主的中地壳, 岩石中的水主要赋存在含结构水的矿物中。 此外,名义上的无水矿物如石英、长石和辉 石等也不同程度地含有微量结构水_g 。 在大陆下地壳,目前还没有水存在的直 接证据,主要证据来源于岩石学和实验岩石 和压力条件而变化,其中斜长石比辉石溶解 水的能力高。溶解了一定水的岩浆在结晶过 程中会把水带入到晶体中,以矿物粒间或包 裹体中的自由水、矿物的结晶水和结构水等 形式存在。因此,由玄武质基性岩及麻粒岩 构成的大陆下地壳可能有微量水,它们以矿 物包裹体中的自由水、矿物晶体中的结晶水 或结构水(氢氧根离子)等形式存在于岩石中。 根据地壳含水情况,提出2种地壳流体 学。岩石学研究表明,下地壳麻粒岩中的无 压力模型:水饱和地壳模型与干下地壳模 1引。如图2所示,地壳浅部水流体孔隙压 水矿物(如辉石)在稳定的封闭环境下会很快 型[(a)水饱和地壳模型;(b)干下地壳模型。 图2地壳流体压力模型 ] 第12期 宋娟等:断层带流体对断层强度和强震孕育的影响综述 等于静水压,在地壳深部水饱和地壳模型流 2.1流体压力降低断层摩擦强度 有效压力定律: 厂一(P 一P,) 体孔隙压最大只是静岩压状态。如果地壳深 部是无水的干地壳,则流体孔隙压小于静水 压,低至静水压为零。根据有效压力定律, 此时断层强度相当高。 其中P,为流体孔隙压力,P 为断层正应 力, 为断层摩擦系数。 2流体对断层强度的影响 流体在断层弱化中起着非常重要的作 用,流体(水)对断层所起的弱化作用既有物 理效应,也有化学效应。在地壳浅部脆性 域,自由水通过流体压力减小断层有效压 力,降低断层摩擦强度;在地壳深部,矿物 中的微量结构水弱化岩石流变强度。另外, 流体一岩石相互作用,特别是水岩反应等化 学过程对断层强度的影响也非常显著。 0 0 10 根据有效压力定律,流体压力会降低断 层有效压力,因此,如果断层带内存在非常 高的流体压力,会显著降低断层带的有效正 应力,在摩擦系数不变的条件下,断层的摩 擦强度降低。例如,在不同流体压力条件下 给出的龙门山构造带的断层摩擦强度(图3, 直线所示)。与静水压条件相比(图3b),流 体孔隙压为静水压的2倍时(图3a),断层的 摩擦强度显著降低,而在没有流体孔隙压时, 断层的摩擦强度相当高[3](图3c)。显然,流 强度/MPa 400 800 1200 1600 0 400 强度/MPa 800 1200 1600 2000 lO 三。o 30 互 0 繁30 40 50 6O 40 50 6O (a)流体压力为2倍静水压;(b)流体压力为静水压;(c)流体压力为零。图中的直线是 断层摩擦强度(虚线和实线分别是走滑和逆冲断层);曲线是岩石的流变强度 (实线和虚线分别代表长英质岩石和基性岩)。 图3不同流体压力条件下龙门山构造带的地壳流变结构 体孑L隙压对断层摩擦强度有明显的弱化作 用。 以晶体缺陷水为主,并且含有颗粒边界水和 包裹体水。这与Kronenberg和Gleason研 究样品中石英和长石研究结果[2 。 类似。 大量流变实验研究表明,结构水对矿物 和岩石流变具有显著影响 ’31-34]。根据流变 2.2 矿物中微量结构水对断层流变强度的 弱化作用 . 石英、长石和辉石等名义上的无水矿物 也不同程度地含有微量结构水。而以麻粒岩 为主的下地壳也发现存在一定的结构 水 。周永胜等 利用傅里叶变换红外 吸收光谱仪(FTIR),对红河断裂带中地壳 参数计算的石英、长石和花岗岩的流变强度 显示[3 ,含水岩石或矿物的流变强度显著 降低(图4),其中,含水石英和长石比干的 石英和长石流变强度显著降低;含水花岗岩 与干花岗岩流变强度相比也显著降低。显 然,即使矿物中的微量结构水对断层流变强 度的弱化作用也是非常显著的。 韧性剪切带中的细粒长英质糜棱岩和条带状 花岗片麻岩中的主要矿物石英、长石进行了 水含量分析,结果表明,石英和长石中的水 8 国际地震动态 强度/MPa 3o0 断层构造岩研究发现[36-40 ̄,在断层带 800 1000 0 200 400 600 内,通过水岩反应会产生大量含水的层状或 环状硅酸盐矿物,如橄榄石变成蛇纹石与滑 石;辉石变成角闪石、绿泥石、阳起石等; 400 500 长石变成石英+云母+角闪石+绿帘石等。 靖晨等 通过对映秀一北川I断裂南段的韧 性剪切带中变形花岗岩的化学成分与剪切变 形关系的研究发现,随着矿物变形的增强, 蠢600 赠 700 导致SiO2、K2O降低,Fe2O3、CaO、MgO 800 增加,这说明长石含量降低,铁镁质矿物含 量增多,据此推断长石经水解反应发生云母 化。 900 图4 干的、含水石英、长石、花岗岩的流变强度 比较 水岩反应中长石的水解反应最普遍(图 5): 3Albite+2H +K 一muscovite+ 6SiO2+3Na (1) 2.3水岩反应的产物降低了断层强度 在高温高压条件下,水除了对矿物具有 溶解和沉淀作用外,水与岩石会发生化学反 应,即水一岩反应。水岩反应对断层强度降低 方程(1)钠长石水解反应生成白云母和 石英。3K—feldspar+2H。。一muscovite+ 6SiO2+2K (2) 表现在两方面:反应生成云母等低摩擦系数 的矿物,降低了断层的摩擦强度;同时,这 些水岩反应的产物在高温下也具有较低的流 变强度。 方程(2)钾长石也可以水解反应生成白 云母和石英。 方程(1)和(2)表明,钾长石、钠长石和 实心箭头指示长石水解反应方向,空心箭头指示云母脱水反应的方向。 图5 长石的水解反应相图 ”] 白云母3者之间的反应方向受水、Na 、K 含量的控制(图5a)。在富含水的碱性条件 下,长石发生水解反应,生成白云母;反之, 2phlogopite+4H +H2O:=: clinochlore+3SiO2+Mg +2K phlogopite+6H :K—feldspar+ 3Mg +4H2O (5) (4) 在缺水的碱性条件下,白云母脱水生成长石。 第12期 宋娟等:断层带流体对断层强度和强震孕育的影响综述 l1 3.3流体在地震循环周期中的变化 形的石英愈合 。 。这种塑性一脆性一塑性 转化和裂缝愈合过程被认为与地震循环和流 体压力变化相关 位错蠕变 在多个地表出露的塑性变形岩石中,叠 加了脆性破裂,而这些脆性破裂又被塑性变 石英: 低温塑性变形 (图9)。 颗粒生长 图9地震前后断层流体含量及强度随时间的变化 在强震发生前和同震加载阶段,断层深 这种强震循环发生与发震断层深部流体压力 高低变化相关。 周永胜等[3]对汶川地震发震断层高角度 部存在接近静岩压力的高压流体,导致断层 有效正压力极低,断层突然滑动,发生地 震。由于同震和震后滑移阶段,应变速率增 加,断层脆塑性转化深度也增加(图I),原 来处于塑性变形的岩石,发生了脆性变形, 形成脆性裂缝。地震发生后,脆性域的断层 逆冲滑动的力学条件的分析提出,高孔隙流 体压力很可能是触发断层滑动发生强震的重 要原因。断裂带既可作为流体的通道,又可 作为阻碍流体运动的障碍[4 。如果断层 及其周围岩石裂隙张开,地震前积累的高流 体压力转变为静水压。随着流体高压消失, 流体向上排出,原先溶解于高压流体中的矿 物质(岩盐、方解石、石英等)在裂隙中析出 结晶,形成脉体,愈合了浅部断层带中的裂 内部有流体,而且渗透率很高,流体压力最 大只是静水压状态。但在很长的间震期,处 于脆塑性转化带的岩石,在岩石塑性变形、 压溶、静态重结晶、水岩反应等作用下,地 震形成的断层和微裂缝逐渐被愈合,把断层 隙_4 钉 s6-58]。在间震期,由于应变速率逐 渐恢复到正常水平,处于脆塑性转化带的石 英,在低应变速率条件下发生震后蠕变,断 深部的流体密封,断层愈合后流体压力逐渐 增加,形成接近于静岩压的流体压力。当流 体压力达到静岩压时,断层突然滑动,出现 大的应力降,发生强震。地震发生后断层裂 缝张开,渗透率增大,流体压力降低到静水 压状态。随着断层逐渐被愈合,流体压力又 一层有脆性变形转化为塑性变形,不仅断层强 度逐渐降低,而且同震形成的裂缝通过动态 重结晶作用被愈合,而长石发生水解反应也 会加速裂缝愈合。因此,随着裂缝愈合程度 增加,断层带内的流体压力逐渐增大,这为 次逐渐增大,孕育下一次强震。地震就这 样周而复始地发生,但由于断层愈合需要的 时间随地震发生次数增加而延长,导致地震 复发时间间隔延长 。 高压流体形成奠定了基础_2 。流体压力、断 层强度、脆塑性转化会随断裂带的破裂及愈 合而周期性地变化,这可能与地震的孕育及 循环机理有关 。 4红河断裂带构造岩研究揭示出的断 层带流体对断层强度的影响,及其 对强震发生的启示 断层塑性一脆性一塑性转化与地震循 龙门山断裂带古地震研究 。 揭示出, 至少发生过两次类似汶川地震的大地震事 件。据此推断汶川Mw7.9地震发生过多次, 第12期 宋娟等:断层带流体对断层强度和强震孕育的影响综述 state plastic flow at E4]Trepmann C A,Stckhert B.Quartz mierostructures developed during non-steady rapidly decaying stress and strain rate.J.Stuct.Geo1.,2003,25(12):2035—2051 n.Bul1.Geo1.Soe. 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Key words fault strength;brittle—plastic transition;water—rock reaction;fracture hea1一 ing;high pore fluid pressure;strong earthquake gestation (上接第2页) 注:(1)由于四舍五入的原因,各金额的合计不一定一致。 (2)与部分独立行政法人等的运营支付金有关的事项没有 计算在合计中。 译自日本《地震本部新闻}2013年8月号 (北京市地震局 彭岩 译,白玲校) (译者电子信箱,彭岩:pybj1201@yahoo.corn.cn)