采自汶川地震断层带样品渗透性的初步实验研究

段庆宝 杨晓松 陈建业

（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）

断层带被认为是深部流体的主要通道和流体活动最强的区段之一。近年来，地震断层带中流体活动及其效应倍受关注，其最主要原因是地震断层流体活动与地震的孕育和发生似乎存在某种关联，流体被认为是理解地震成核、发生和断层扩展等过程的重要因素。利用地震动力学国家重点实验室新研制的超低渗透率测量仪对汶川地震断层带的渗透性进行了初步实验研究。实验使用孔隙压力振荡法，在20～200 MPa围压，13～15 MPa孔隙压条件下进行，孔隙介质为蒸馏水，仪器渗透率测量下限为10-22m2。实验样品采自映秀－北川断裂带在赵家沟和平溪村出露的两个地表剖面。

实验结果显示，随着有效压力升高，渗透率下降，其下降幅度可达2～4个数量级（图）。相比而言，断层泥的渗透率随压力增高而下降的幅度较大，而围岩下降幅度最小。在165 Mpa有效压力下断层泥和围岩的渗透率极低，介于7.0×10-20～7.3×10-22m2之时，角砾岩带的渗透率则高出2～3个数量级，介于5.7×10-17～2.3×10-19m2之时。对比加载和卸载围压过程中的渗透率发现，角砾岩及围岩渗透率差别较小，而断层泥的差别较大，即断层泥的渗透率在卸载过程中很难恢复。研究表明渗透率κ随有效压力Pe变化符拟指数关系：κ=κ0exp(-γPe)，其中γ(MPa-1)为压力敏感系数，Pe为有效压力。对实验结果进行了拟拟，γ值在0.01～0.05 MPa-1范围内变化。进一步考察不同有效压力区段（5～40 MPa和85～165 MPa）的γ值，其值分别介于0.03～0.08 MPa-1和0.01～0.03 MPa-1。另外，角砾岩及围岩的γ值较小，介于0.01～0.02 MPa-1；断层泥γ值较大，介于0.02～0.05 MPa-1。由于断层泥是以基质支撑为主，故在围压增高初期，基质的压实作用相对明显；而角砾岩具有颗粒支撑结构，在围压增高时对流体通道起到一定的保护作用，故随围压升高，渗透率下降相对缓慢。

同震热压作用对地震断层的快速扩展可能有重要意义。地震过程中断层摩擦生热并导致矿物脱水和低渗透性是积累高压流体的物质和物理条件。对断层泥矿物成分的XRD分析表明，汶川地震断层滑动带存在明显的同震伊利石化现象，暗示存在同震矿物脱水过程。依据汶川地震断层岩的热扩散系数和汶川地震持续时时参数，探讨了汶川地震发生时能否形成同震热压作用的渗透率条件。计算表明，汶川地震断层带内形成高压流体要求渗透率上限为1.6×10-19m2。因此，在大于4.5 km深度之下，汶川地震具备形成同震热压作用的条件。

图1 渗透率测量结果