汶川地震断层带中碳酸盐岩碳氧同位素分异——对断层愈合机制的启示

汶川地震断层带北川擂鼓镇赵家沟剖面的露头及显微结构均发现多期次脉体纵横交错,角砾岩被胶结。通过对断层岩相关的碳酸盐矿物同位素分析得知,断层岩角砾和脉体中大量的白云石来源应是断层带内富Mg离子的流体,且碳氧同位素显著分异,角砾的δ18O值和δ13C值与灰岩围岩更接近,脉体和基质显示重同位素亏损。通过“同震热分解”和“水-岩相互作用”2种可能模型的研究分析,同震热分解模型δ13C值明显高于实际,而水-岩相互作用则可形成这种分异结果。故震后深部流体上涌所导致的表层大气水再循环可能是导致震后断层快速愈合的重要原因,同震破裂和间震期愈合则形成完整的断层系统。

由S波分裂随时间变化导出的断层快速愈合的证据

Tadokoro等(1999)曾对野岛断层带1995年兵库县南部地震后9～12个月期间的地震做了S波分裂分析。其快速剪切波偏振方向φ始终与断层走向平行,这表明剪切断层是破裂的起因。在该项研究中,我们另外做了主震后33～45个月的S波分裂分析并检测到了φ的旋转,其结果是φ平行于和断层走向斜交的区域最大水平压应力方向。这一剪切波偏振方向随时间的变化表明,在上述两个时段之间由剪切断层引起的破裂完全愈合,而构造应力引起的裂纹也得以恢复。在主震后33个月内所完成的这一变化过程,是断层快速愈合的强有力的证据。

地震断层的渗透性

剪切带的流体压力因关系着地震断层的滑动强度以及应力释放过程一直备受重视。断层带的渗透率结构对认识断层带内流体活动状况、断层强度、摩擦稳定性以及同震过程等至关重要。文中介绍了断层带渗透率研究的原理、方法,总结了国内外最新的研究成果。脆性域断层的渗透率表现为核部低、两侧高的典型结构,断层泥通常具有最低的渗透率和强各向异性。在地震周期中,断层带的渗透性表现为突然增强-逐渐降低的过程。胶结、水岩反应及溶解-沉淀是间震期断层愈合的主要方式。热压作用是一种有效的断层弱化机制。当断层泥的渗透率小于10-18 m2量级时,地震会伴随强烈的同震热压效应。

慢滑动事件震源参数的标度关系

为了更好地理解世界范围内检测到的慢滑动事件（SSE）的物理机制，探索了各种震源参数间的标度关系，并与地震的类似标度律进行了比较。这些标度关系突出慢滑动事件与地震之间的差异和相似性，并对复杂性程度和断层愈合表征有意义。对于观测的不同震级的地震，其静态应力降基本为常数。而慢滑动事件的静态应力降范围为0．01～1．0MPa，比地震低1～2个数量级，这可能与断层上的低应力状态有关。慢滑动的平均破裂速度范围从每秒几千米到每天几千米，在双对数空间中表现为随地震矩的增大而线性地减少，而地震事件的破裂速度几乎是常数。这种破裂速度与地震矩的反比关系可能与断层性质的多相性相关。慢滑动事件的持续时间与位错上升时间之比通常小于3，而地震通常大于3。这显示慢滑动事件的传播方式的脉冲状特性要比地震少，并说明破裂前沿后的愈合有延迟。通过对卡斯凯迪亚北部俯冲带慢滑动事件的复发时间统计表明，慢滑动事件具有弱时间可预测性和中等程度的反滑动可预测性（即事件的大小与前次事件的复发间隔为反相关），这或许表明事件间的愈合会随时间增加断层的强度。

地震断层带流体作用的岩石物理和地球化学响应研究综述

断层活动导致断裂带裂隙广泛发育,成为地壳中流体运移与聚集的有利通道和场所.流体在地震过程中具有重要作用.流体与地震破裂带内的岩石相互作用导致其具有与其他完整岩石不同的性质,包括矿物-化学组成、粒度分布及传输性质(渗透率、孔隙度)等.这些特性可以视为流体与地震断层带岩石相互作用的响应.一方面,较高的孔隙流体压力导致断层的有效正应力降低.另一方面,流体会与断层岩发生一系列水-岩反应导致矿物蚀变、分解,生成大量摩擦系数较低的粘土矿物,同时一些不稳定元素可能会随流体发生迁移,导致大量物质流失.在地震周期过程中,伴随着流体运移,断层带的物理性质(渗透性、流体压力等)也随之发生变化.同震快速摩擦生热会导致流体产生热压作用,促进同震滑动.另外,同震破裂导致断层带的渗透性快速上升,较高的流体压力会很快释放.在间震期过程中流体会使破裂趋向于缓慢变形,矿物溶解-沉淀、重结晶及压溶等作用胶结并愈合裂隙,断层强度恢复的同时断层带渗透性逐渐降低,孔隙压力又逐渐积累.研究流体的这些物理化学行为对理解地震成核、同震滑动及震后断层愈合等过程有重要意义.本文介绍了有关流体对断层带物理化学性质的改造及流体的动力学意义等方面的研究进展,总结了流体在地震周期过程中所产生的一系列岩石物理化学效应及其对地震过程的影响.