秦四清
从地壳圈层结构看板内地震 精选
2021-6-16 09:24
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地壳(Earth Crust),是指莫霍面以上的固体外壳(图1-2),其是岩石圈的重要组成部分。地壳以康拉德面(对应低速高导层)为界分为上地壳和下地壳,前者化学成分以为主,平均化学组成与花岗岩相似,称为花岗岩质层硅铝层;后者富含硅和镁,平均化学组成与玄武岩相似,称为玄武岩质层硅镁层

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1 地壳结构示意图

(图片来自网络,无商业目的,在此致谢!)

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2 板内构造块体、地震区与锁固段示意图(吴晓娲等,2021

锁固段类型:(1)岩桥;(2)断层中的坚固体;(3)凹凸体;(4)断层所围限的块体

上地壳以不整合面(盖层底界面)为界又可细分为上部的沉积盖层和下部的硅铝层(基底)。李朝阳等(2004)指出,不整合面是一个容易失稳的界面,是构造的薄弱部位,因此在后期的构造运动改造下,不整合面易发生挤压破碎,致使断裂构造非常发育,且展现拆离滑脱特征,从而形成一个呈面状分布的高孔隙度的区带。显然,流体易沿该区带运移。

先谈板内地震的震源深度问题。

我们的研究表明,沉积盖层和下地壳可能发育有非锁固段,其仅能发生较小地震;而基底发育有锁固段(图2),其能发生较大地震。由此而论,较大地震仅发生在上地壳,这就合理解释了板内地震震源深度较浅的原因。

由于板内地区盖层和基底的厚度不一,所以较大地震的深度分布范围不同,如有的地区M≥5地震深度分布在8~25km,而有的地区则分布在10~30km。我国大陆地区较大地震的震源深度呈现西深东浅、北深南浅的规律,这应与不同地区盖层的厚度密切相关。熊盛青等人(2014)的研究表明,在盆地区和坳陷区沉积盖层厚度总体上呈东薄西厚的特征,以105°E 线为界,西部地区厚度多在5~15km,最厚可达17~21km;而东部地区厚度多在3~9km,有的盆地局部可达11km。由此可见,我国大陆地区较大地震的震源深度呈现西深东浅的规律,实属必然。

接下来,再讨论水库蓄水能否诱发大地震的问题。

水库一般建在盖层表层(库深通常<1km)。水库蓄水后,由于水体荷载为局部荷载(附加荷载),根据力学原理,其向下传播是快速衰减的,所以向下传播到数百米即可忽略其作用,即基本上不需考虑水体荷载对锁固段破裂的影响。

如上所述,盖层内可能发育有非锁固段。由于盖层内岩石较破碎,库水易渗透到断层中(需要一定时间)的非锁固段内,导致其发震。然而,非锁固段破裂所能发生的地震震级一般不超过MS6.0。以汶川地震区(图3)为例,我们确定的锁固段破裂事件的门槛震级为MS5.5,故非锁固段破裂发生的地震震级不超过MS5.5

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3  汶川地震区地震构造图

若库水继续下渗,将遇到盖层与基底之间的分界面——导水性强的区带(见上述),而基底为花岗岩质层不易导水,且在较高的环向构造应力作用下基底中断层带内物质密实度较高、渗透性较小。因此,流体将主要沿该区带分流,而很难渗透到基底中。即使极小部分流体能渗透到基底中的锁固段内部,所起的作用也微乎其微。

仍以汶川地震区为例。从该地震区不同区域的地震活动性图4看出,紫坪铺水库的库水并未渗透到龙门山断裂带深部(秦四清,2018),这佐证了上述分析的可靠性。

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(a) 汶川地震区

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(b) 沿龙门山断裂带(图3紫色虚线范围)

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(c) 紫坪铺水库附近(图3绿色虚线范围)

4 汶川地震前涵盖紫坪铺水库不同尺度研究区

的每年地震(ML≥3.0)数量(N)与时间(t)关系

需指出的是,水对岩石的破裂致震作用有:(1)降低其强度或震级;(2)加速岩石破裂,即地震频度增大。无疑,震级是决定地震破坏力的主要因素。在水的作用下,非锁固段或锁固段破裂地震会多些,但震级小些,大概利大于弊。

最后,谈两点启示。

我国目前的页岩气开采都在沉积盖层中进行,因此注入流体对地震活动的影响与水库类似。要说注入流体能诱发浅部较小地震,这种可能性较大;但要说其能诱发基底中的较大地震,则几乎没有可能。我们不应忘记,正常的构造运动也能导致地震的发生,并不需要流体参与其中。在未来的流体注入与地震活动研究中,应注意:(1)流体能否渗入到盖层中的发震断层?(2)地震发生在哪个圈层?(3)如何区分诱发地震和正常的构造地震? 如此,才能有的放矢,规避陷阱。

要弄清有关地震的任何问题,须以地质为基础,以物理学基本原理为指导,以力学为手段,以数据为证据。除此无他。

参考

李朝阳,刘玉平,管太阳,皮道会,叶霖.2004.不整合面中的成矿机制与找矿研究.地学前缘,11(2):353-360.

熊盛青,丁燕云,李占奎.2014.中国陆域磁性基底深度及其特征.地球物理学报,57(12):3981-3993.

秦四清.2018.紫坪铺水库蓄水渗入到龙门山断裂带深部了吗?

http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-1107528.html

吴晓娲,秦四清,薛雷,张珂,陈竑然,翟梦阳.2021.孕震构造块体与相应地震区划分方法.地质论评,67(2):325-338.

相关:

为何我国大陆地震的震源深度如此浅呢?

http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-1143340.html

浅谈流体注入诱发地震的机理

http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-1123257.html

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