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探密天然地震

已有 1150 次阅读 2021-9-20 08:21 |系统分类:观点评述

天然地震到底是横波还是纵波?地震震源包含一种还是多种振动?地下爆炸有可能吗?本文是对地震的一种初步探索,望指正。

      文章《储集层中高压流体引爆强地震的机理》终于发出来了,得感谢梁光河教授,受他在2年前提出的流体爆炸说致震的思路的启发写成此文。同时提出相似假说的还有杜建国教授、岳中琦教授等,他们认为流体可能来自于深部,因为震源深度较大10-100km,强调来自于深部,甚至来自地幔的流体,而岳教授说是深部来的天然气爆炸。
      本文支持爆炸说,与他们的不同的是,主要解决了2个问题:1)流体来源问题;2)爆炸是否有可能性。
      首先,震源深度有时的确较深,但在震源处,地幔或下地壳的流体,以前的认识均是以“名义”上的水,即含有O,H分子的物质,在一定条件下会转成流体水(?),但在地震瞬间,要合成为水,并需要一定数量,这是很难完成的,但地震时的流体活动现象来自于哪儿呢?
      其次,按目前的地震学理论,或模型,认为地震是断层错断,错断时,震源会激发出横波,因而目前地震学认为,地震强振幅能量是S波,不支持爆炸说,且比较讨厌爆炸成因说。
      本文经详细解剖汶川地震的情况,认为爆炸是有可能的。


1.地震震源是什么波动?
      目前几乎一致认为,地震强振幅波动是S波,如下图所示(Honda,1962,p79)。

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图1 目前地震理论波形

      他认为前面的弱振幅为P波,之后的强振幅为S波,且经过了严密的推算。但我们从汶川地震近震记录来看,强振幅可能不一定是S波,而更象是P波,如下图所示,为震源与不同震中距(如卧龙台等)地震台站的关系剖面图。根据地震波理论,P波质点振动方向与地震波的传播方向相同;而S波(包含SV波和SH波两种波动)与传播方向垂直。近震源的记录,特别是5-20公里以内的地震记录,可以直观地反映地震震源特性,因为它几乎是直达波,较少有反射和转换横波。从剖面可以看出,如果震源So处所激发的P波,则近震源台站(卧龙台)接收到的一般是地震直达波,且垂直向上,地震波三个分量的振动应以垂直分量为主,而远离震中(如什坊八角,茂县叠溪)的地震接收器,收到的三个分量的振动则以水平分量为主;如果震源So激发的是Sv波,则近震源应以水平分量为主,而远离震源处则以垂直分量为主。
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图2 地震波射线路径

     

      下图为位于震中西部的卧龙台地震记录,该台离震中仅19km,考虑到低速带,地震波传播路径几乎垂直出射至地表。图中只显示正半轴振动,蓝色为Z分量,能量最强;红色为X分量,绿色为Y分量,显然,20-32秒以Z分量为主,符合震源为P波的特点。而距离更远的什坊八角台(震中距67km)、茂县叠溪(震中距120km),则以水平分量X,Y占主导,即在这些地区,地震时人感觉站不稳,是前后或左右方向晃,而不是一升一降的垂向晃动,故成都一科技公司所做的地震预警系统,在预警提示时,说大约XXX秒后,地震横波将要到达,这个“横波”是不是狭义的“横向振动的波”,还是有地震学家指导说,这就是地震学意义上的”横波“,这就不得而知了。即虽然是横向晃动,但它却是纵波P波。
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图3 卧龙台三个分量的正振幅波形图(蓝Z;红X; 绿Y)   

      卧龙台在震中西部19km,它会是孤证?为了进一步落实此现象,我们还搜集到了另一个方向,震中东部仅5km的紫坪水库附近的地震台站紫坪八角台的信号(叶建庆等,2008),很遗憾,只有前面2-3秒是有效信号,之后由于振幅太强,而失真限幅,但这几秒也有相同的现象,Z分量占主导。这下就放心了。
      于是,我们认为,既然震源肯定是P波,地震波振动就不能排除爆炸产生的可能性。

2.地震波是单一的波动吗?
      前人认为P波,和S波均从震源出发,之后S波慢了,且是引起破坏性的罪魁祸首。
      事实上,将上面的波形进行分析,发现应是两个过程的叠加,一是和初动一致的高频低振幅波动,和低频强振幅波动;每一个波形就对应一个事件,每个事件所产生的地点和深度均有所不同。只有离震源很近的台站才能收到如此差异较大的信号。
      结合爆炸假说,我们认为高频波动为断层破裂过程;而低频强振幅则是爆炸过程。
 
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图4 地震波初动后至强震的离散频谱


3.地下会有爆炸吗?
      如果没有地幔流体,那么地震时流体从哪儿来?我们认为沉积地层中,不缺乏孔隙度较高的地层,里面包含大量高压流体水。当断层从深达100-200km断至浅层沉积地层后,地层中的水流入断裂带,形成一个高压流体囊,其等效深度并不是沉积储水层的深度,而是包含断裂空间的一个等效深度,一旦更浅的地层中有流体释放的空间,或断裂断至地表后,高压流体弹性能释放,从而产生强震。沉积地层厚度一般为5-25km,文中只假定了一个最小储集层,5公里长,100米厚度,500米宽,内含5%的流体,若从4km深度以一定高压释放到静水压力,可以产生8级以上的地震能量。而汶川地震震中之下仍有巨厚沉积地层,因而不缺乏这么一个小尺度的储集体。地表出露的是三叠系地层,之下还有多套地层,如震旦系顶界的风化壳。
      一提到爆炸就自然会想到火药爆炸,地下没火,哪会点燃及点燃什么东西呢?其实火药爆炸的原理,是通过点火使化学物质产生高压气体,这是一个化学过程,然后气体释放压力的过程,就是一个弹性能的物理释放过程。地下流体本身具有高压特征。如井喷事故,火山爆发,均是地层内部高压流体的释放。即不需要前面的化学过程,但它仍是爆炸。

4.地震时电异常的什么原因?
      既然找到了流体,而在断裂时,流体活动,就会产生“流动电位”现象。石油勘探压裂采油时,由于注水井将水注入地下储集层,并驱动油、水向生产井流动,即有流体流动,井口周边就能检测出电异常信号,这一现象被用于石油生产了,可根据电位大小,波动来推测油层的情况。它和雷雨天气时,云的垂向快速运动会产生电现象一样。
      据此,中科院空间所陈涛教授所倡导的用震前电异常观测来预警地震的发生(之前也有学者关注过,在此略),我认为其核心机理就是流体活动,虽然现在主流认识还认为是断层错断的压电效应。但用流体活动更能够解释了。

      从这个角度,在地震到来前,其实地层已开始有微破裂了,此破裂信号太弱,不能被地震台站接收到,有了破裂,流体就能活动,因此在初动前能观测的电异常现象,即我们常说的前兆信号。在此,将天然地震分为三个阶段:

      一)微破裂阶段,1小时-数天,地震台站接收不到振动信号,但存在电异常现象;

      二)断层大规模破裂阶段,从初动后的全过程,其破裂信号频率高,振幅低;

      三)流体爆炸阶段,当刺破多个储集体后,高压流体囊释放压力的过程,低频,强振幅。

      综上,只有存在流体活动时,这些现象才能较好地解释。而变质基底、侵入岩体是较少有“可流动”流体的。只有沉积地层才会有高孔隙结构,内含高压力流体。于是会问,既然强地震是由于沉积体的储集层内的高压流体在断裂错断后爆炸产生,那是不是地震一定在沉积地层发育地区?如果不是,这一结论就存在问题。为此,我们研究了大量全球著名的地震,发现的确如此,如全球最大的地震1960年9.5级Valdivia(智利)地震发生于离大陆很近的大陆架上,震源上覆的增生楔可观察到地震速度的局部降低,可能是由沉积物的水化或底侵引起的(Dzierma et al., 2012),Olsen et al. (2020)用多条高精度地震剖面证实沿智利中南部边缘(地震发生的地点)流入的沉积物几乎全部由沟槽楔状浊积岩组成,其厚度为8~10 km。汶川地震及唐山地震震中深部均为寒武奥陶及震旦系地层。环太平洋地震带均位于大陆架上,大陆架就含有大陆所携带的陆源碎屑沉积。



毛小平, 何廉康, 刘佳林, 李岁岁, 张学强, 宿宇驰, 卢鹏宇. 储集层中高压流体引爆强地震的机理——以5.12汶川地震为例[J]. 地质力学学报, 2021, 27(4): 628-642.


扫描下面二维码,可听我对该文的一些解释语音。
 
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      下面是一些专家的质疑及对他们的回复,在此先谢过:

  秦教授:

1、要形成大尺度的高压流体囊,得有持续的流体注入,还得能密封住,这在有大量深断层(如龙门山断裂带及其周围断裂)和底部滑脱面存在的情况下,几乎没有可能。

回复:本文就是着重于沉积地层内部,存在砂砾岩、岩溶等高孔隙储集层,内部充满了水,很多油田勘探证实,内部的水存在超压现象,如与汶川邻近的鸭子河油田水超压1.6-2倍;与唐山地震震中最近的南堡油田超压1.2-1.5倍。鸭子河油田长60km,宽5-20km,注意,这还只是圈闭范围,若不按圈闭计算,仅计算其含水面积,更大。

2、退一万步说,真能形成高压流体。那么,在高压流体作用下,周围的岩石会破裂(地震)形成裂隙通道,流体会沿通道(且与断层连接)涌出大幅泄压,根本不可能达到爆炸的压力。爆炸说违反基本的岩石力学原理:破裂是一个由小到大的发展过程。

回复:实际储集层的压力就是这么大,鸭子河油田储集层深度4-5km,其孔隙流体压力在4km深处为72Mpa,注意,储集层流体压力和地应力不同,在4km深处地应力按重力计算约为108Mpa,所以,如果没有断层错断,这个压力是不会释放的。

3、从我们看到的现象——断层错动而非大范围沉陷,测定结果——天然地震的应力降较小,等等来看,都不支持地震成因的爆炸说。

回复:同上,地应力不是孔隙流体压力,就是流体压力释放了,地应力影响不大。

4、上USGS网看看,每个地震,不管是化学爆炸、核爆、开采爆破、塌陷引起的,还是天然地震等,都分得一清二楚。能分得清,靠什么?肯定两者有显著区别。

回复:汶川地震的地震传播路径分析,已说明,至少汶川地震,其强震能量,是P波,但这不是说初动就一定是P波,而目前分析地震的性质的主流,主要依据是初动,且是远距离的。
 

Henry:

有没有考虑过大洋中间广大的区域为什么没有或很少地震?

洋底是水渗透最多的地方,却是接触形成了蛇纹岩,却不是引起地震。

这至少说明了两个问题:1. 大洋的洋壳并非如板块论者所说的那样是在“漂移”,2. 地层中可能含水最多的部分反而不容易发生地震。

回复:感谢你的质疑!和含水多少没有必然的联系,必须有应力差才行,按4km深度储层中的水72Mpa,突然因断层错开,即使释放到40Mpa的静水压力,还余32Mpa的富余应力需要释放。




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2 尤明庆 张学文

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