地质力学学报  2011, Vol. 17 Issue (1): 15-26
引用本文
李振, 彭华, 马秀敏, 姜景捷. 地震断层摩擦残余热异常测量方法探讨———以WFSD- 1钻孔温度测量为例[J]. 地质力学学报, 2011, 17(1): 15-26.
LI Zhen, PENG Hua, MA Xiu-min, JIANG Jing-jie. METHOD EXPLORING OF THE RESIDUAL FRICTION THERMAL ANOMALY MEASUREMENT: A CASE STUDY ABOUT THE TEMPERATURE MEASUREMENT IN WFSD-1[J]. Journal of Geomechanics, 2011, 17(1): 15-26.
地震断层摩擦残余热异常测量方法探讨———以WFSD- 1钻孔温度测量为例
李振1,2 , 彭华1,2 , 马秀敏1,2 , 姜景捷1,2     
1. 国土资源部 新构造运动与地质灾害重点实验室,北京 100081;
2. 中国地质科学院 地质力学研究所,北京 100081
摘要:以汶川地震断裂带科学钻探工程WFSD-1钻孔高精度相对温度梯度测量确定汶川地震断层为例,探讨了地震断裂带断层摩擦残余热温度测量方法。利用WFSD-1钻孔相对温度梯度温度测量取得的科学数据进行分析,发现在400~500 m、580~610 m及620~750 m三个测量段内存在温度正异常。结合地质资料综合分析,判定400~500 m、620~750 m段温度异常可能由地层热导率差异引起,并非断层摩擦残余热异常,判定位于不透水断层泥中温度异常深度580~610 m范围为断层主滑移带位置。
关键词汶川地震    龙门山断裂带    断层摩擦残余热    温度梯度    温度异常    
文章编号:1006-6616(2011)01-0015-12
METHOD EXPLORING OF THE RESIDUAL FRICTION THERMAL ANOMALY MEASUREMENT: A CASE STUDY ABOUT THE TEMPERATURE MEASUREMENT IN WFSD-1
LI Zhen1,2 , PENG Hua1,2 , MA Xiu-min1,2 , JIANG Jing-jie1,2     
1. Key Lab of Neotectonic Movement and Geohazards, Ministry of Land and Resources, Beijing 100081, China;
2. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: In WFSD-1 borehole of the Wenchuan earthquake fault scientific drilling project, we conducted relative temperature gradient high-precision measurements and obtained large numbers of field data. In this paper, the friction residual heat temperature measuring method is discussed in detail and the position of Wenchuan earthquake fault zone is detected after field datum analyzing. We found three temperature anomalies in 400~500 m, 580~610 m and 620~750 m, respectively. Take geological data into comprehensive account, the two section's temperature anomalies may be caused by discrepancy of thermal conductivity in 400~500 m and 620~750 m and they aren't the residual frictional thermal anomalies. The section of the anomaly from nonpermeable fault clay in interval of 580~610 m may be resulted from friction heat generation during Wenchuan earthquake, and it located in the primary slip fault zone.
Key words: Wenchuan earthquake    the Longmenshan fault zone    the residual frictional thermal anomaly    temperature gradient    temperature anomaly    
0 引言

地震是断层在应力作用下突发活动而引发的岩石振动现象。地震过程中,地质体内积聚的应变势能快速释放。应变势能除部分消耗于断层破裂、周边岩石破碎和部分以弹性波的形式向外辐射外,很大部分应变势能在摩擦生热机制下转化为热能,以摩擦残余热形式聚集在断裂附近,使岩石升温,并驱动流体运动; 同时,在升温过程中岩石局部产生热变质作用,以新生矿物形式将部分能量储存起来[1]。台湾集集地震断层和日本野岛断层研究表明地震过程中断层产生摩擦热是地震总能量中最大部分(80%~90%)[2],新生矿物分析断层部分地段已达熔融状态,局部瞬时温度高达800~1000 ℃,而产生的地震波能只占整个地震事件释放总能量的5%。地震过程中的断层活动表现为一种复杂摩擦行为,地震的孕育、发生、发展和结束与地震断层的摩擦性状密切相关。基于此,各国学者纷纷将目光集中在断层摩擦规律研究上,希望通过残余热来研究断层摩擦特征。

1968年,Henyey分析了第一批来自圣安德列斯断层的断层热流监测数据,希望找到断层摩擦热的证据,但并未发现明显的热流异常[3],引发了“热流悖论”及驱动地震绝对应力水平的讨论,自此,也开始了各种断层带摩擦热异常测量方法的尝试。针对“热流悖论”,Matthew A D Alessio等[4]提出裂变径迹方法研究断层摩擦热,研究发现横跨断层带的岩芯样本缺乏“年龄异常”,作者的解释是影响断层摩擦热生成的原因太多,如滑移距离、摩擦强度、多次地震事件综合影响等等。之后日本学者借鉴此法,在Nojima断层带开展相关研究。Ryuji YAMADA等[5]对取自钻孔1838 m和1310 m两处断裂带的16个样本锆石裂变径迹数据进行分析,指出破裂带第四纪活动(包括1995活动)以来未发生二次加热,经历峰值密闭温度250 ℃。Fukuchi等(2001)结合核磁共振ESR颗粒分析和高速摩擦实验两种方法,确定Nojima断层面经历的最高温度为600 ℃ [6]。Fukuchi等(2007)通过核磁共振方法,分析了Nojima断裂Hirabayashi NIED数个滑移带岩芯中的热异常,他们的结论是滑移带内的物质从未经历过350 ℃以上的摩擦生热过程[7]。2005年,即集集地震后6年,台湾开展车笼埔断裂带科学钻探,对钻孔1100 m车笼埔断层处进行温度测量,采取相对温度梯度测量方式,温度曲线分辨率0.003 ℃。尽管已是地震后6年,断层附近仍显示小的温度正异常[2]。残余摩擦热温度异常振幅为0.06 ℃,异常宽度约40 m,处于断裂带中心。由于相对温度梯度测量为不完全热平衡测得,观测到的热异常可能小于应有值。考虑温度梯度恢复条件,估计的最大热异常为测量值两倍左右(0.2 ℃)[8],但并未能明确给定估计原则。

目前,关于断层摩擦热测量的方法基本如上所述,可分为两类。一类基于断层带岩芯的矿物学、裂变径迹、核磁共振、热剩磁等实验方法开展,主要研究其热历史; 另一类直接在断层带钻孔开展地震后温度异常测量。前一类方法基于断层带岩芯可能受到多次地震事件的影响,测得的数据为多次热事件的综合结果; 另外,受到实验技术的制约,所得温度的准确度有待提高。后一种方法虽然可以直观得到地层各个深度温度变化及其异常幅度,但影响温度异常的因素过多,断层摩擦温度异常的确定难度较大。目前该方法测量断层带摩擦温度异常的技术还不十分成熟,关于温度测量技术方面的文章还不多见。

2008年5月12日汶川特大地震发生后,汶川地震断裂带科学钻探工程(Wenchuan Faults Scientific Drilling,简称为WFSD)项目快速启动。随后在WFSD-1钻孔开展了断层带温度测量、研究工作。本文利用WFSD-1钻孔断层带温度测量工作成果,详细探讨了地震断裂带断层摩擦残余热温度测量方法。

1 断层摩擦热温度异常测量方法 1.1 大地热流影响及温度异常确定

地球内部所蕴藏的丰富热能在温度差的驱动下主要通过地层或断层等介质向地表流动、散失,形成了地热场。热流方向总是垂直于地面,以大地热流值表征热流状况,定义为单位时间内通过地球表面单位面积的热流值,即

(1)

式中: q———大地热流,cal / (m2·s); Kr———岩石热导率,cal / (m·s·℃); ———温度梯度,℃ / m。

在特定地质条件的影响下,地层中相对稳定的热流被破坏,围绕着热源表现为温度异常脉冲。如在地震过程中,沿断层摩擦面就会形成一个面状热源,地层中稳定热流被破坏,从而表现出一定程度地热流异常、温度异常。

为研究地震后断层附近热异常,可将地层概化为水平层状结构,每层均可看作带小孔(钻孔)的无限平板,周围地层平板和孔内流体之间热能在温度差驱动下热交换可在短期内基本达到平衡。可认为钻孔内流体温度等于地层的温度。在垂直方向上,由于水的热导率为0.613 W / (m·℃),而岩石热导率一般在3.0 W / (m·℃)左右[9],钻孔中流体残余热异常扩散速度要比地层中扩散速度慢。因此,理论上讲,测量钻孔中流体温度可以充分反映地层的温度异常。可通过大地热流异常的剔除,确定温度异常ΔT:

(2)

式中: T———实测温度,℃; T0———恒温带地层温度,℃; Kr—岩石热导率,cal / (m·s·℃); Z———深度(自恒温带底界起算的深度),m。

如此,可首先将地温梯度对温度的影响消除,得出存在温度异常段,进而确定断层摩擦残余热异常。

1.2 断层摩擦温度异常测量影响因素分析

钻孔温度异常测量受到测量仪器精度、钻探施工、地下水、地层热导率、特殊地热源等因素的影响,从中辨别出断层摩擦热异常也是一个很艰巨的任务。

1.2.1 测量仪器精度

断层摩擦温度异常不像地震波,可以通过地震台站观测单一地震事件,每次地震产生的摩擦热能不是那么容易观测、分辨出来。温度异常位置处于地下几千米,甚至十几千米处,很难直接测量。即使是大地震,在完成科学钻探、开始温度监测已是地震破裂几个月甚至几年后的事情,温度脉冲也已难辨认[3]。以往在圣安德列斯断层、Nojima断层、车笼埔断层温度测量显示温度异常通常在10 -2数量级上。因此,钻孔温度测量精度应达到0.001 ℃。

1.2.2 钻探施工影响

与断层摩擦一样,钻探施工也会产生温度异常,而断裂带科学钻探钻进过程中将不可避免地使用钻井液,使得井孔周围温度场受到很大人为干扰。因此,完井后须停待一段时间,让井温与围岩温度达到或趋于平衡,再进行温度测量。为减小或避免温度测量中钻探钻井液的影响,WFSD-1钻孔在完井后约3个月开始温度测量。每间隔1个月开展一次温度测量,通过测量数据对比分析了解其影响程度。

1.2.3 地下水影响

地下水对流存在传导大部分热的可能性,始终是摩擦热测量必须考虑的问题。在钻井过程中进行了多次测温,由于裸眼钻孔温度测量时,钻孔和围岩之间的水流动引起温度不稳定及钻井液的干扰,使测量效果不佳。为此,在完井后即进行固井,下入ϕ89套管至779.36 m以阻止地下水越流补给或排泄,减小对温度测量的影响。

若仍存在流体对流,将监测到更大范围的温度异常。由于流体热对流有方向性,使温度向上扩散较向下扩散快,随时间推移而不对称。另外,流体对温度影响随季节周期变化,可根据连续温度监测结果,判断是否存在热对流影响。

1.2.4 地层热导率

实测温度由于地层热导率空间差异的影响,往往呈现出非完全线性。传导率值的不同是岩石种类和含水量不同所引起的,无法采取工程手段避免,只能从摩擦热产生机制及数据分析入手加以判别和剔除。断层摩擦残余热是一种“脉冲型”非稳定热源,随时间的累积会逐步衰减,并逐渐向周围地层扩散。据此,我们也可以判断是否为断层摩擦残余热源。

综上所述,在地震带科学钻探开展高精度(0.001 ℃)温度测量,可获得温度异常数据,综合上述影响因素加以分析,剔除非地震带断层摩擦引起的温度异常,即可确定断层摩擦残余热异常。

2 温度测量 2.1 温度测量系统

按照汶川地震断裂带科学钻探项目温度测量的需求,并结合国内外断层温度异常实测经验,若要分辨出0.1 m以内温度变化,考虑地层平均温度梯度在0.02~0.03 ℃ / m,井温仪的分辨率也应优于0.003 ℃。目前国内测温探头分辨率最高可达0.01 ℃ (如上海地质仪器厂JJX型测温探头),不能满足项目温度测量要求。基于测温传感器现状,最终决定自行研制分辨率达0.001 ℃的BBT-01型高精度温度测量探头(显示0.0001 ℃)。汶川地震断裂带科学钻探项目设计深度最深为3000 m,按照地温梯度估计,孔底温度达到90 ℃左右,测量量程初步设计为5~100 ℃,要求测温仪动态范围必须达到120 dB。另外,测井设备应考虑3000 m深部环境对井温仪壳体的耐压、测量量程及测井绞车性能的影响。

本项目研制的BBT-01型温度测量系统是一个体积小、低能耗、自主研发的综合数字测温系统,由温度传感器、探头升降控制系统、采集模块、电源及通讯模块组成(见图 1)。系统采用的温度传感器为高精度铂电阻探头,探头升降控制系统由DJ1548电动绞车、DJQ电动绞车控制器、光电脉冲发生器组成。井下电源采用110 V直流供电,数据通讯模块采用温彻斯特码两线传输系统,完成实时数据采集存储于地表计算机的工作。

图 1 BBT-01型温度测量系统原理框图 Figure 1 BBT-01 temperature measurement system diagram

温度测量过程中,采用绞车和绞车控制器控制测温探头匀速提升和下放,探头在井下测得微弱信号,经过放大、数模转换、编码后,传送至地面,利用串口连接由计算机完成实时数据采集工作(见图 2)。

图 2 温度测量系统工作示意图 Figure 2 Works diagram of temperature measurement system
2.2 钻孔温度测量方式 2.2.1 温度测量方式确定

温度测量有相对温度梯度测量和绝对温度测量(要有足够的温度平衡时间)两种方式。地震带科学钻探项目中,相对温度梯度测量一般用于确定断层带位置,绝对温度测量用于精确计算断层摩擦产生热量和确定断裂摩擦系数。绝对温度测量适于温度长期观测,一般安排在相对温度测量之后进行。为不影响其他井中探测试验的开展,在WFSD-1完井后2个月,对全孔段开展连续相对温度梯度测量,测量间隔一个月。

2.2.2 探头温度热平衡试验

相对温度梯度测量为不完全热平衡测得,观测到的热异常可能小于实际值。为了了解探头升降速度对实测温度影响,本项目进行了测量探头的温度热平衡试验。在温度曲线分辨率0.001 ℃的条件下,热平衡时间至少要1500 s。

2.2.3 探头升降速度控制

实际测量中,探头受热升温的过程是一个非稳态导热过程,进入探头沿途不断地被吸收热量而使温度升高,此过程持续到探头内部各点温度均匀为止。但是考虑测温探头达到温度平衡约25 min (见图 3),在相同小时间段Δt内,可认为探头受热升温为稳态导热过程,符合傅里叶导热定律:

(3)
图 3 测量探头温度热平衡试验 Figure 3 Heat balance test of temperature measuring probe

式中,Kir———第i层地层岩石热导率,cal / (m·s·℃); Ti———第i层地层温度,℃。

导热过程中,单位时间通过定截面的热量,正比于该截面方向上温度变化率和截面面积,也就是说传导热量的大小与探头和地层间温度差的大小呈正比关系。温度高的地段与探头间温差大,传导给探头的热量多,实测温度也较高。假设相等小时间段内,探头和地层之间热交换程度相同,在进行相对温度梯度温度测量时,只需保证下放和提升探头的速度保持匀速,即可保证实测温度能充分反映地层温度的相对变化。

依据地热学经验,一般情况下,地表至15 km深度温度梯度平均约0.02~0.03 ℃ / m,结合目前测温探头分辨率0.001 ℃,数据采集间隔0.1 s,经计算确定测温探头升降速度不应超过30 m / min。为了获得较高的精度,考虑探头热平衡过程及其对井温挠动的影响,最终确定下放和提升速度为100 m / h,约1.7 m / min,每米有360个测点。

2.3 WFSD- 1钻孔温度测量

WFSD-1钻孔位于四川省都江堰市虹口乡(见图 4),处于龙门山断裂带中央断裂(映秀—北川断裂带),为前寒武纪彭灌杂岩与三叠纪砂板岩之间的逆冲断裂(见图 5)。汶川地震后,中国学者进行了多方位的深入研究[10~18]。研究表明,汶川地震时,NW侧地表抬高6 m,断裂陡坎走向NE 40°~50°,向NW陡倾,倾角70°~80°,断裂面上擦痕清晰,显示了块体由NW向SE方向逆冲的运动学特征[19]

图 4 WFSD-1钻孔周边地貌地质图 Figure 4 Geological map of WFSD-1 borehole surrounding

图 5 WFSD-1钻孔部署示意图 Figure 5 Deployment of WFSD-1 borehole

该钻孔于2008年11月6日开工,次年7月29日完钻,终孔深度1201.15 m,终孔顶角13.5°,方位角168°,岩芯采取率95.43%。钻孔上段自地表至779.36 m采用ϕ89 mm套管固井,以下为裸孔。

自2009年10月8日至2010年6月25日,WFSD-1先后开展了4次温度测量工作。钻孔深度1201.15 m,实际测量深度970.15 m左右。2009年10月8日分别利用JJX型测温探管(分辨率为0.1 ℃)及BBT-01型测温探管(高精度铂探头,分辨率为0.001 ℃)对WFSD-1钻孔进行了对比温度测量工作。

3 测量数据分析 3.1 数据可靠性分析

2009年10月8日WFSD-1钻孔上升段温度测量中,进行了970 m深度处探头温度热平衡试验(见图 3),结果显示BBT-01型井温仪温度分辨率优于0.001 ℃ / m,测出了位于590 m左右的温度异常峰值0.058 ℃ (见图 6),满足设计目标。2009年10月8日利用JJX型测温探管(精度0.1 ℃)及BBT-01型高精度测温探管对WFSD-1钻孔进行了对比温度测量工作。在550~620 m深度段内温度异常较为明显,对比曲线清晰显示BBT-01型测温探管所得数据信噪比较JJX型测温探管要大很多。由此可明显看出BBT-01型测温探管精度能够满足温度测量要求。通过室内数据处理,实测WFSD-1钻孔温度梯度为2 ℃ / hm左右,与理论温度梯度值相近,表明测得温度数据可靠性强。

图 6 BBT-01型探管测温异常曲线 Figure 6 Abnormal contrast curve of Shanghai temperature probe and development probe
3.2 温度异常分析

剔除由大地热流引起的温度升高量(温度梯度),得到温度异常曲线(见图 7)。由图 7可看出,390~550 m深度段,温度异常宽度150 m,最大温度异常值0.127 ℃,异常集中在440~470 m范围内,向外衰减迅速; 580~610 m深度段,温度异常宽度20 m左右,最大温度异常值0.06 ℃,异常集中在595 m左右,向外衰减; 620~750 m深度段,最大温度异常值0.240 ℃,异常集中在680~700 m范围内,向外衰减迅速。

图 7 WFSD-1温度异常及地层构造剖面对照图 Figure 7 Comparison of temperature anomaly and strata tectonic section in WFSD-1

对照温度异常曲线与地层构造剖面(见图 7),390~550 m、620~750 m深度段内温度异常应当为地层变化引起。756 m以浅岩层裂隙密度增大,地下水作用,地层热导率增大,地层温度变化减小,因而在620~750 m形成温度异常; 而400 m以浅,地层热导率降低,大地热流向地面传递被阻隔,在390~550 m形成温度异常。因此,390~550 m、620~750 m深度段温度异常应当不是断层摩擦残余热引起。

美国圣安德列斯断层、日本Nojima断层、台湾车笼埔断层等地震带科学钻探项目都开展了井中温度测量工作,利用温度异常估算断层摩擦系数均在6 × 10 -2左右[20]。假设地震断层摩擦生热后,断层热传递主要以热传导为主,简化为一维热传导模型。利用Byerlees定律计算知,若要产生0.2 ℃的温度异常,断层深度应在1000 m以下。另外,各地大陆科学钻探项目测得断层摩擦热温度异常幅度均在10 -2数量级上,异常带宽度几十米左右。由此也可验证,WFSD-1钻孔390~550 m及620~750 m深度段温度异常不是断层摩擦造成。

WFSD-1钻孔2009年7月完井,在2009年10月至2010年6月期间分别进行了4次井中温度测量(见图 8)。

图 8 WFSD-1多次测量温度及断层摩擦温度异常曲线 Figure 8 Temperature anomaly curve of the fault friction and temperature measurements in WFSD-1

图 8可以看出,0~80 m为变温层,地下水位较深(60 m左右),地层受大气影响较大,井中温度呈现季节性变化明显。80 m左右进入恒温层,多次获得的温度梯度及其所反映的温度异常特征完全一致。80~590 m地层平均地温梯度19.77 ℃ / km,590~970 m地层平均地温梯度21.31 ℃ / km。地质资料显示590 m左右为彭灌杂岩与三叠系砂板岩分界线。该段为巨厚的断层泥,透水性极差,可排除地层热水干扰的可能性。另外,经过多次温度测量表明在590 m附近温度异常值随时间有减小的趋势(见图 9),与断层摩擦温度异常“温度脉冲”和热扩散特点相符。综合判定580~610 m深度段为汶川地震主滑带。

图 9 WFSD-1孔590 m附近多次测量的温度异常曲线 Figure 9 Temperature anomaly curve of multiple measurements about 590 m in WFSD-1
4 结论

(1) 采用BBT-01测温系统进行WFSD-1钻孔高精度温度测量,测量数据显示分辨率0.001 ℃高精度铂温度测量探头可满足汶川地震带科学钻探科研测温需求。实测WFSD-1钻孔温度梯度2 ℃ / hm左右,与理论温度梯度值相近,表明测得的温度数据可靠。

(2) 测温数据分析发现多处温度异常,在400~500 m、580~610 m及620~750 m深度段内存在温度正异常。综合分析认为400~500m、620~750m深度段温度异常可能为地层热导率差异引起,并非断层摩擦残余热异常; 而存在于不透水断层泥中的温度异常符合摩擦热和热扩散规律,判定580~610 m为断层位置。

(3) WFSD-1钻孔断层摩擦残余热异常监测成功实践表明相对温度梯度测量可以用于断层温度异常监测和断层位置的确定。

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