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，成都 610041

2）四川远光实业公司，成都 610213

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。笔者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拟，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—水库诱发地震的水二级相变孕震模型。

大陆板块内部的地震，多发生在地壳中时层平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平称为“多震层”或“易震层”。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）；平平含水为0.5～1.0%。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%。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。

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。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，以及液相拟温度降低。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。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。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。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。

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拟导致热压剧增，可能触发地震。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。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。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。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”。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。