地下流体对地震孕育过程的影响浅析

■张环曦 周安聘 董博 刘静

（河北省地震局石家庄中心台 河北石家庄050200）

地下流体对地震孕育过程的影响浅析

■张环曦 周安聘 董博 刘静

（河北省地震局石家庄中心台 河北石家庄050200）

地下流体在地震孕育过程中有着重要作用，已经被国内外诸专家多学者研究证实。本文关注的重点不是地下流体是否对地震孕育过程产生作用，而是地下流体如何对孕育过程产生作用。因此笔者分析了地下流体对地震孕育过程产生作用的物理机理，同时简述了一些典型的地下流体孕震模式，以期为地震预测提供参考借鉴。

地下流体地震孕育过程物理机理孕震模式

在地震预测研究中，人们很早就注意到了地下流体的存在，在认识到地下流体的存在具有普遍性与地下流体作用的重要性后，更为关注地下流体在地震孕育过程中的作用，这也成为了地震预测领域中的一个新的研究热点。地震预测主要以地震孕育的物理过程及过程中的岩石物理性质、力学状态的变化为依据，而地下流体恰好能影响断裂带岩石强度，揭示地球运动规律，是地震预测分析中不可忽视的一个因素。所以，研究地下流体对地震孕育过程的影响，有助于正确把握震情发展方向，为地震预测作出有力的支持。

1　地下流体对地震孕育过程的影响

地下流体在地球运动过程中起着重要作用，地下介质热量传递、构造运动等都离不开地下流体。所以，地下流体不仅仅是影响影响地球运动的一个重要因素，更是具有决定意义的介质条件，其对地震孕育过程有着重要影响。具体表现如下：

第一，流体的深入、抽取会造成有效的应力扰动，进而对地震孕育过程产生影响。

第二，岩石表面的流体会吸附进入岩石体内，降低岩石的强度。

第三，充水断裂端部的应力集中与水的劈裂作用会对断裂带的岩石强度产生影响。

2　地下流体诱发地震的物理机理

2.1孔隙压增大造成有效应力变化，进而诱发地震

地震发生的主要成因是地壳中应力超过了岩石的弹性极限，而孔隙压变化会造成地壳中有效压力的变化，势必对地震孕育过程产生影响，甚至诱发地震发生。断裂带中的流体主要以裂隙渗流和孔隙渗流的方式运移，在流体通过裂隙进入断层后，就会产生孔隙压，降低有效应力。有效应力的计算公式如公式1所示。

注解：τ表示断层面的抗剪强度，C表示断层面岩石的粘结力，μ表示滑动摩擦系数，ν表示界面上正应力，Pf表示孔隙压。

图1　孔隙压增大诱发地震原理图

根据岩石力学中的Coulomb—Mohr破裂准则，制作了孔隙压增大诱发地震的原理图，如图1所示。从图1中可以看出，在Pf增大时，ν3和ν1会同时减去一个Pf值，摩尔圆向左侧移动。如果Pf增大至可以使断层面的剪切力大于抗剪强度时，就会造成断层两盘快速的剪切错动，进而引发地震。从这样的过程可以看到地下流体加速了断层滑移过程，易诱发地震。

2.2地下流体受热膨胀扩容，进而诱发地震

地下流体在流动过程中，会逐步向深部岩体渗透，但是由于地下温度、压力条件的变化，地下流体的密度、体积也会相应的发生变化，造成水受热后膨胀，气化产生压力，使岩体在压力作用下破裂。在地下流体发生以上变化的同时，深入岩体中的地下流体也会造成岩体发生一定程度的膨胀，膨胀量大小不一，最大可达到岩体原体积的20%左右。一旦岩体破裂、膨胀，就可能孕育地震，诱发地震。

2.3地下流体渗入岩体后，造成岩石软化或润滑，进而诱发地震

大量研究证明，断裂带中的岩石软化与地下流体的存在密切相关。在地下流体作用下，断裂带中岩石的物理、化学性质会发生一定变化，出现软化、泥化等现象，岩石的强度会有所下降，造成地层失稳而引发地震。地下流体之所以能对断裂带中的岩石起到一定程度的软化作用，主要在于地下流体的一部分水来自于地下矿物的脱水作用，其中含有非金属、金属盐类。一旦含有这些成分的地下流体渗透到断裂带中的岩体，就会产生溶蚀作用，进而降低岩体强度。

3　典型的地下流体孕震模式

基于地下流体对地震孕育过程的影响，一些专家学者提出了一些地下流体孕震模式，如膨胀-扩散模式，地震泵模式。其中，膨胀-扩散模式认为板块运动或其他原因会造成构造应力累积，当这种应力累积到一定程度，就会产生大量的微裂隙集结，形成主断裂，并造成岩体膨胀。在这过程中，地下流体会渗入到岩体中，产生新的孔隙，使孔隙压增大，产生膨胀硬化现象。由于孔隙压的增大、岩体的膨胀，加速了岩体的破裂、发育、成核及滑移，就会诱发地震。这一过程是一个典型的地震孕育过程，与上文提出的地下流体影响地震孕育过程的物理机理非常契合。

地震泵模式是基于矿物与断裂带之间的关系提出的，这一模式认为地震断层像一个“泵”，把热液从地层深部抽取出来，由断层面进入裂隙中。而且，断层运动中裂隙会加大，将会加剧热液对断层岩石的影响，这对地震孕育过程的作用是巨大的。从这一模式可以看出，地下流体始终发挥着重要作用。

4　结束语

综上所述，地下流体渗入断裂层中能增加孔隙压，降低有效应力，造成岩层滑移；能受热膨胀扩容，造成断裂层中岩体破裂、膨胀，使岩层失稳；能对岩石产生软化、泥化、润滑作用，降低岩石强度和断裂带强度。以上这些都可以诱发地震的发生，可见地下流体在地震孕育过程中的作用显著。所以，地震预测中，应多加关注地下流体对地震孕育过程的作用，分析观测数据变化，研究地下流体运动规律，就可能掌握地震前兆，为地震预测提供有力的支持，提高预报地震能力，便于降低地震灾害的危害性，保护人们的生命安全。

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[2]陆明勇，范雪芳，周伟，房宗绯，赵丽葵.华北强震前地下流体长趋势变化特征及其产生机理的研究 [J].西北地震学报，2010，（02)：129-138.

P315[文献码]B

1000-405X（2016）-2-297-1