水库诱发地震孕育与发生过程中超临界流体作用的思考

胡先明，陈巨鹏

(1.四川省地震局，四川 成都 610041;2.四川远光实业公司，四川 成都 610213）

0 引言

近年来超临界流体以其独特性质，作为溶剂和反应介质在许多领域有诸多应用。从过去的固体地球观向今后流体地球观转变的概念更新，建立整体地球科学必须找到一条逻辑串纲，这条主纲就是幔汁辐射[1]。借鉴多位研究者的工作结果，笔者根据对水库诱发地震的思索，提出了一种新的水库诱发地震孕震模型，指出在水库蓄放水过程中，库水可使得地下深部的流体达到形成水二级相变的条件，所产生的能量积聚起来，从而诱发水库地震[2]。本文介绍在孕震模型研究中引用有关专家的部分成果，以及分析我国现有水库建设状况和水库诱发地震情况，并结合四川省水库建设和现状提出思考。

1 流体二级相变孕震模型

水库诱发地震作为一种因人类水利建设活动导致的地震，其地震机制多年来受到地震学界的广泛研究，目前基本认为库水渗漏降低断裂带岩石的摩擦阻力是导致发震的主要原因之一，而地震能量来源自于板块运动的积累。在对库水渗漏可能到达的深度环境进行分析研究后，参考重力热管的热工原理，提出一种水库与断裂耦合，受库水影响地下水沿断裂带渗漏到超过水的临界温度条件下发生二级相变的一种热抽运体制，导致浅部地温升高形成大量水二级相变超压，导致水封盖地层破坏而发生地震的物理模型。该模型简要表述为：水库在断裂带蓄水，在库水作用下地下水沿断裂带裂隙渗透，在一定范围内形成水封盖层；在地表水与断裂耦合中心，地下流体向深部渗漏达到水的二级相变温度的地温区，引发超临界对流循环，在对流的核部由低温地下流体的持续流入形成低温冷芯；持续的超临界水对流循环将深部岩体热带到浅部与围岩和液态水进行热交换，使大量的浅部液态水进入临界状态形成喇叭体状的 （拟）临界温区，最终随水的二级相变超压的持续升高，水封盖地层破坏发生地震[2]。

2 地下流体富足的 “多震层”有产生二级相变的条件

大陆板块内部的地震，多发生在地壳中间层位10～25 km深度内是一个普遍事实，人们将大陆板块内部震源相对集中的层位称为 “多震层”或 “易震层”。笔者认为，从 “多震层”和地下流体的存在状态来考虑水库诱发地震，据一些学者的研究可知在地壳和地幔中地下流体是富足的，有产生水二级相变的条件。

以15.5～25.1 km深度为界，在该深度以上的岩石圈浅部水是液态，而在该深度以下的岩石圈深部水是气态；水以矿物的结构水形式被带入到15.5～25.1 km深度以下的岩石圈中；若矿物结构水完全脱出，在俯冲带中水临界温度至矿物脱结构水的极限温度相对应的区域内 （如秦岭15.5～64.0 km）；平均含水为0.5～1.0℅[3]。过渡带和下地幔上部的水含量 （质量分数）为1.48%，下地幔下部水含量 （质量分数）为0.21%。据此，计算出的地幔各层圈的总水量表明，地幔水的74%以上存在于过渡带和下地幔上部。将地幔总水量和现代海洋总水量之和作为地球总水量，计算出现代海洋总水量约占全球总水量 （质量分数）的6.6%，这个结果与根据地球的球粒陨石成分模型计算出的总水量 （6%）十分接近[4]。中地壳大致的深度是在15～25km范围，各地的中地壳的深度相似。中地壳下部，经常出现高导层，低速层[5]。这些因水所产生的高导低速带的深度一般变化于15.5～20.4 km，这与大多数的高导低速带的深度相当，此时温度远低于岩石的熔融温度[6]。这种高导层也常是低速带 （低速是由于临界态流体的低密度引起）。岩层的电导率性质随深度变化，深度加大，使孔隙溶液进入超临界态时，电导率会下降[7]。实验和理论研究表明处于300℃～400℃流体具有高电导率性质。这些水岩相互作用会使中地壳出现高导-低速层[8]。

地球深部流体主要是NaCl-H20溶液，越到地球深部，它赋存的温度、压力越高，性质状态也不断变化，反之，亦然。当NaCl-H20流体进入和脱离 （上升过程）超临界状态时，其性质会发生截然不同的变化，影响着各种地质过程[9]。正是地幔流体 （更确切地说是HACONS超临界态流体，简称幔汁）活动主宰了地球演化、地台活化、历次大地构造运动旋回 （包括地槽、地台、裂谷、地体、板块、造山、造陆、造海、造盆等）以及各种金属、非金属、煤、石油、天然气等的形成和分布。地幔流体是通过幔壳溃变和地球排气这两大动力学机制来实现上述过程的。可以说，没有流体就不可能产生大地构造作用；不可能形成岩浆、热液及成矿作用；不可能有地台活化和地球演化；不可能有水圈、气圈和岩石圈的形成[1]。地幔流体能够渗透到各造岩矿物颗粒间隙、浆胞、蚀变边和晶体内部超微裂隙之中[10]。用新的证据证明此富碱热液来自深部碱型地幔流体。通过碱金属地球化学这条纲把热液作用和地幔流体作用串联为深浅一个整体[11]。

被碱性玄武岩和金伯利岩带到地表的地幔捕虏体是认识地球深部信息的窗口，是人们能够直接观察到的一种上地幔样品，其矿物中流体包裹体的存在提供了上地幔流体活动的直接证据[12]。水是硅酸盐熔体中含量最丰富的流体，可以大量溶解在花岗质熔浆中，因而深部流体可能来自于岩浆本身的溶解物[13]。山东夏甸金矿矿床成因一直有变质热液、岩浆热液和天水之争。经过工作得知，还有幔源流体加入成矿，其主要证据有：招平深大断裂带存在，为幔源流体加入成矿提供了通道[14]。成矿流体经历了从高温度、高盐度向低温度、低盐度的持续演化过程，与成矿作用阶段基本对应，降温、流体沸腾是导致流体中巨量铜元素卸载的主要因素。氢、氧同位素组成表明成矿流体以岩浆水为主，可能在成矿晚期混有少量大气降水[15]。H.Kawakatsu介绍水在100 km以上的浅部从含水的洋壳中释放出来，然后在俯冲板块顶部形成含水的地幔物质沟渠，这就是水进入地幔深部的通道[16]。

3 地下流体产生二级相变有地质动力产生

长时间内人们把地球看成为一个固体星球，忽视流体在地球动力学中非常重要的作用[17]。地球内部 （特别是深于上地壳）的流体均呈超临界态存在，既不是水液，也不是岩浆，而是高压缩高密度的极强还原性气体 （例如H2、CO、CH4，和地表上的大气成分截然不同）。地球排气作用和哮喘就是在强大的温度差、压力差、粘度差、密度差驱动下高压气体自发反重力不均匀的向上辐射喷流。这当然会对大气、海洋、地震等灾害的孕育和发生产生不可忽视的影响[1]。把地球看成一个整体，提出以下五条地球内动因基本规律：① Na、K被幔汁的带入，乃是地幔和地壳中产生各种类型岩浆的关键要素；② Na、K碱交代作用是整个热液作用中最重要的一个反应机制；③ 大地构造源于幔壳溃变 （是幔汁在起主要作用）；④在地球的演化上，地壳乃是地幔亏损 （depletion）部分的向上分化、搬家,地壳=原始地幔－亏损地幔；⑤ 地球深部的Na、K流 （即幔汁主体）是来自威力更大的地核氢 （H+、H、H2）流的萃取和驱动[18]。

中地壳的流体处于由亚临界态进入超临界流体的演化过程，这时流体的性质会有剧烈变化。这一变化会引起水/岩相互作用的反应动力学涨落。流体性质的突变和水岩相互作用涨落会导致中地壳岩层的许多性质变化，硅酸盐矿物格架的解体，岩石被淋失，岩层的崩塌[19]。这些事实暗示在岩石圈深部的水可能是等离子体，水在岩石圈中迁移时会发生相变[6]。在近地表地温特别高的火山活动区或张性深大断裂附近可能存在水的一级相变，相变的方向是由高压液态变为气态，而在相对封闭的岩石圈中水只有二级相变而无一级相变[20]。如今人们已经认识到，少量水的存在就可以深刻影响着岩石矿物和熔体的物理性质，例如可以使它们的粘度和强度降低，扩散速率和电导率提高，地震波衰减，以及液相线温度降低。这些影响表明了水在任何地质体系中都是最活跃的组分，对整个地球的演化和动力学有着巨大的意义[21]。事实上，溶质在地质介质中的运动除了受地下水中对流-弥散作用影响外，还受到地下水多组分系统中络合作用、吸附-解吸作用、溶解-沉淀作用、氧化-还原作用和酸-碱作用的制约，仅考虑水动力因素或水化学因素的溶质迁移模式都是片面的，都无法真实地反映客观世界的真实情况，只有将两者合理地耦合起来，才能进一步揭示多孔介质中溶质的运动规律[22]。

深部流体具有爆破作用。流体的压力梯度越大，其爆破作用越强。与深部含流体层相交的断层或隐伏断层能给上涌流体提供通道，从而产生较大的流体压力梯度，并容易发生地震[23]。6722铀矿床长英质隐爆碎屑 （角砾）岩产出的地质条件及其分带特征与我国地下核爆炸试验的地质条件及其产生的地质效应在一定程度上可以对比。类比计算表明6722隐爆碎屑岩的形成伴随着巨大能量 （152 400吨TNT当量）的爆炸释放[24]。较多的学者赞同Burnham提出的岩浆流体减压爆发模式。这一模式认为当岩浆侵位上升到浅部时，其中所包含的流体组分（以H2O为主），由于外部压力降低而发生二次沸腾，并由此引发隐爆作用[25]。推断爆炸前的原生矿物是含水的镁硅酸盐和镁铝硅酸盐矿物。当这种高能级的超高压含水矿物受地幔拄带动超过 “水线” 时发生爆炸和放水作用，同时产生地震[26]。在相变临界点时，由于逾渗集团的存在促使系统关联长度也趋于无穷大，即出现了长程关联，远远大于基本孕震块体的破裂就会导致系统发生宏观突变[27]。

笔者认为：地下流体产生二级相变有地质动力产生，可能为水库诱发地震带来能量。

4 在深大断裂附近可能发生地下流体二级相变引发的水库诱发地震

构造破裂型水库地震的五项判据之一是：断裂带与库水直接接触，或通过次级旁侧断层、横断层等与库水保持一定的水力联系[28]。我国断层破裂型水库诱发地震库区一般有区域性断裂或者地区性断裂通过，并且断裂带与水库有水力联系[29]。1974年，郭增建指出地壳深部的水可能还会起到引发地震的特殊作用，即为了积累巨大的应力能，积累单元断层面上摩擦力就必须较大，但摩擦力太大了是难以产生错动而发震的，因之，如深部高压高温包裹水在大范围构造运动的驱使下进入应力积累单元，使其断面上摩擦力减小而发震。这个包裹水的进入区实际上也是一个震源核。按照这种设想，则进一步研究和观察深部水的运动是有助于实现地震预报的[30]。根据松潘-甘孜褶皱带的深部地壳构造特征表明：松潘-甘孜褶皱带的茂县 （1933年）、松潘-平武 （1976年）、汶川 （2008年）大地震震源深度与中地壳低速、高导层深度大体一致，可能成因上相关。历史上一些大地震如银川地震、海原地震、渭南地震、海城地震、唐山地震等也均与中地壳低速、高导层有关，这一切均可能与地球排气作用有关[31]。当深部断层扩展到近地表，并与其它断层相交时，则会产生失稳岩体，即一种被断层流体切割的岩块，其下部为含流体层，其四周为含流体的断层，使岩体处于悬浮失稳状态。此岩体在重力和岩体间的水平力的作用下发生错动是势在必然的[23]。深部流体可以降低岩石的强度、熔点，可以传输热能，改变矿物相变的温压条件，促进地震的孕育和发生。当地质体内流体的压力大于岩石抗压强度时，可以直接导致地震发生[32]。对于热液成矿作用而言，水的临界奇异性的意义至少包括溶解度发生急剧变化和产生瞬时高压，这些变化可导致成矿物质沉淀和断裂的产生[20]。在岩石圈中若没有断裂的存在时则不可能同时达到水的临界温度和临界压力，不可能出现临界奇异性。断裂使压力降至水的临界压力，使得在岩石圈中某处温度和压力可同时达到水的临界值而出现奇异性，水的临界奇异性和断裂的耦合导致热压剧增，可能触发地震[33]。流体对断裂活动性的影响比较复杂，主要表现在水岩相互作用导致断裂带强度的变化以及水岩摩擦作用产生的热应力等引起的流体压力的变化对断裂带稳定性的影响，进而使断裂带失稳，引发地震[34]。岩体结构在有水作用的情况下，其内部的小裂缝也有可能发展到一定规模，甚至威胁到结构的整体稳定性[35]。

这些断裂系统反映出增生楔上天然气水合物的含气流体的形成、运移及聚集过程，成为天然气水合物成藏的运移通道[36]。这种上地壳和下地壳的地震活动性与地壳构造之间的联系使我们能对所有地震活动性提出一个通用的解释，涉及到由于热流体 （包括那些从下层熔融中稀出的）使得原本干燥的铁镁质地壳周围断层的弱化。这种流体通常会成为大陆裂谷附近下地壳地震活动的重要起因[37]。随着震源区附近裂隙中高能气体的积聚，可对围岩施加不断增大的应力，最后导致岩层断裂错动而形成地震。提出了不同条件下的震源模式及其力学模型，并从地面最大位移及形变分布规律等方面对此地震模式进行了验证；讨论P波初动符号的分布；从能量方面进一步验证了含超压气体裂隙震源模式[38～40]。水库诱发地震易发生在断裂带及其附近；断层穿过库心正下方时大大增加诱震的危险性；分级蓄水则可以减小诱发快速响应型地震的可能性[41]。实验结果发现，在岩石主破裂前，不同类型试样各点应变都出现趋势性变化；除软包体型试样外，各点应变除趋势性变化外，都出现应变突变。据此提出应变成核概念[42]。众多的潜在前兆之一就是该地区4～5级地震前的 “成核”。“成核”指的是小地震密集发生，集结成4～5级地震。这样，关键的问题就归结为如何实时地识别 “成核”[43]。

笔者认为，识别 “成核”，重点关注特定水库蓄水使得其下方可能出现的地下流体变化情况，对于水库诱发地震研究，对于特定水库可能诱发的最大震级，对于特定水库蓄水后的水库诱发地震监测预测，都是十分重要的。

5 结语

从目前的一些认识来看整体上水库诱发地震可能较小，但在天然地震活动相对较强的区域水库诱发地震可能性是不容忽视的。国内外有140余座水库诱发了地震[44]。总体而言发生水库诱发地震的总量和占水库总数百分比都是不高的，这是基本事实。就笔者所在的四川省而言，由于地处青藏高原隆起的边界部位，水库诱发地震的次数和能量释放明显是偏高的。发生有一定程度轻微破坏的新店水库4.2级水库地震、铜街子水库3.5级水库地震和大桥水库4.6级水库地震[45]，紫坪铺水库在八角台附近的汶川水磨发生2.5级水库诱发震群[46]，二滩水库发生2.2级水库诱发震群[47]。分布于西南地区四川省的铜街子、大桥、紫坪铺水库处于地震活动背景较强的地区，地震基本烈度达到Ⅶ。对穿越库区坝址周围10 km范围的区域性断裂进行搜索，有98座水库的库区和坝址10km范围内有区域性断裂通过，但是诱发地震的水库只有5座 （含铜街子、大桥、紫坪铺水库）[48]。

水库地震的成因机制很复杂，至今并未解决。主要是由于目前对水库地震源处所处岩层深部高温高压条件下，岩体性态和水体运动规律的认识还很不足。因此，还很难建立一个物理模型对这一复杂的过程进行描述，主要只能以统计和类比方法探讨其本质规律[49]。在汲取已有的水库诱发地震研究成果基础上，笔者首先提出较为完整的水二级相变孕震而诱发水库地震的理论，从本文介绍的孕震模型所引用参考资料来看，孕震模型可以得到比较多地质资料的支持。笔者认为：加强水库诱发地震的研究，特别是要加强四川省这种青藏高原隆起边界部位的水库诱发地震研究，是十分必要的，也是可以得到减灾实效的；在新建水库特别是大型水库时，应当避免在深大断裂附近选择建设水库大坝，可以减小诱发水库地震的可能，从而在取得水利建设成果的同时又避免产生不必要的诱发水库地震的地质灾害。

致谢：承蒙审稿专家对本稿提出的宝贵意见，感谢邵玉平女士对本文工作的尽力帮助。

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