四川汶川地震断裂带科学钻探2号孔(WFSD-2)岩性特征和断裂带的结构

以WFSD-2钻孔岩心为研究对象,通过详细的岩心编录和岩石学、构造地质学等研究,识别出该钻孔岩心具有6段岩性,从上向下依次为彭灌杂岩（0-599.31m）、三叠系须家河组二段（599.31-1211.49m）、彭灌杂岩（1211.49-1679.51m）、三叠系须家河组三段（1679.51-1715.48m）、彭灌杂岩（1715.48-2081.47m）、三叠系须家河组四段（2081.47-2283.56m）。彭灌杂岩主要以花岗岩和火山岩为主,三叠系须家河组沉积岩以砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩、煤层（线）和砾岩为主。3套彭灌杂岩与三叠系须家河组沉积岩重复出现,时代较老的岩性段逆冲覆盖在新的地层之上,表明龙门山构造带由一系列逆冲岩片叠置而成。岩心中断裂岩较为发育,主要为断层角砾岩、碎裂岩和断层泥,反映出脆性变形作用的特点。通过对断裂岩的统计分析,厘定了20余条产状不同、规模不等的次级断裂带,断裂带宽度和断裂密度峰值显示FZ600、FZ720、FZ782、FZ817、FZ922、FZ951、FZ1449、FZ1681、FZ2082为主要断裂带,其中FZ1681系规模最大的一条断裂。依据断裂岩的组合特征可以将岩心中断裂带的结构以断层泥为核部划分为两大类：对称型断裂带和不对称型断裂带。根据地表破裂带、WFSD-1钻孔岩心中主滑移带位置的几何关系、岩性分层等因素,可推断汶川地震主滑移带应位于FZ1134、FZ1449或FZ1681之中,同时也暗示该地区经常发生类似汶川地震的大地震活动。研究表明,龙门山地区经历了强烈的构造缩短和快速隆升作用,暗示龙门山地区构造活动非常强烈。

汶川地震断裂带科学钻探WFSD-1孔成像测井岩心空间归位

2008年汶川大地震发生后,我国迅速实施了汶川地震断裂带科学钻探项目(WFSD).钻井取心是研究地下情况的直接资料,但取心时通常采用非定向取心技术,缺少准确的深度和方位信息,需要利用测井资料对其进行深度和方向的还原,即岩心空间归位.针对汶川地震断裂带科学钻探项目一号孔(WFSD-1孔),利用成像-岩心扫描图像综合处理软件(CCSDLogCore)精确和直观的完成了2055块岩心图像的空间归位.对归位成果进行了分析,发现随着钻孔深度的增加,岩心深度误差增大,说明了归位结果符合实际情况,为下一步地质构造分析奠定了基础,文章还总结了归位过程中遇到的问题并提出了建议.

龙门山造山带早期断裂活动的古地震制约——来自汶川科钻(WFSD)岩心的证据

强地震是断裂活动的表现形式,可以诱发地表沉积层序顶部未固结的软沉积物发生变形,形成新的变形层(即震积岩***)。因此,在连续沉积剖面中赋存的多层震积岩应是断裂活动的直接证据。川西前陆盆地中的软沉积物变形记载了龙门山断裂带的活动信息,对认识龙门山造山带演化历史具有重要意义。本文通过"汶川地震断裂带科学钻探"一号孔(WFSD-1)和三号孔(WFSD-3)连续岩心剖面的岩性分析和构造研究,识别出11段不同深度的液化角砾岩层,它们是地震触发成因的软沉积物变形岩层。11个液化角砾岩段厚度从~20m至102m不等,分布在晚三叠世须家河组二-五段。这些液化角砾岩层记录了龙门山前陆盆地形成过程中晚三叠世断裂活动特征及趋势。这些厚度不等的震积岩粗略指示约2~20万年的地震活动长周期(地震幕),以及约4至70万年的间震期(地震幕的间隔时间),反映了龙门山断裂早期脉动式(幕式)活动特征。从不同段液化角砾岩层分布间隔规律来看,地震活跃期间隔(即间震期)越来越短,显示龙门山造山带断裂活动越来越强的趋势。结合前人地表软沉积物变形研究,我们认为龙门山造山带在晚三叠世经历了多期次的正断-逆冲活动的造山作用(至少经历14个地震活跃期),形成龙门山雏形及前陆盆地。

四川龙门山安县-灌县断裂带的特征——以汶川地震断裂带科学钻探3号孔(WFSD-3)岩心为例

汶川地震断裂带科学钻探(WFSD)是由科技部、国土资源部和中国地震局联合组织实施的汶川地震断裂带科学钻探研究项目,计划在同震地表破裂带(龙门山映秀-北川断裂和安县-灌县断裂)的上盘布置5口科学群钻:WFSD-1、WFSD-2、WFSD-3、WFSD-3P和WFSD-4,其中WFSD-3和WFSD-3P位于龙门山前山断裂安县-灌县断裂的上盘。以WFSD-3钻孔岩心为研究对象,进行详细的岩石学、构造学、野外编录等研究。WFSD-3钻孔岩心中的断裂岩主要由断层角砾岩、碎裂岩和断层泥组成,未见假玄武玻璃。钻孔中存在26条规模不等的断裂带,断裂密度显示FZ634、FZ1215和FZ1250为主要断裂带,而FZ1250可能为2008年汶川地震的主滑移带。安县-灌县断裂在地表和WFSD-3P、WFSD-3钻孔岩心中的断层倾角分别约为60°、46°和38°,显示安县-灌县断裂倾角从地表至深部逐渐变缓,为一铲式逆冲断层。

WFSD地应力台应变特征及其同震效应分析——以日本MW9.0级特大地震为例

2011年3月11日在日本东北部海域发生MW 9.0级强烈地震,汶川地震断裂带科学钻探(WFSD)项目设在陕西汉中地区的体应变仪记录到了完整的应变数据。通过采集数据的分析,探讨了日本MW 9.0级特大地震发生时的同震变化以及地震前后固体潮异常变化过程,分析了地震孕育、发生过程中应变固体潮的趋势性异常及畸变等各种异常现象,并针对这些应变异常进行分析,以期成果能为中国未来地震趋势的预测研究有所帮助。

汶川地震断裂带科学钻探1号井(WFSD-1)非弹性应变恢复法(ASR法)三维地应力测试与“5.12”汶川地震的形成机制

汶川地震断裂带科学钻探1号井(WFSD-1)的ASR三维地应力测试结果表明,龙门山前陆逆冲带与其下伏的龙门山前陆盆地和上覆的松潘-甘孜地块的构造及地应力状态存在有重大差异。从整体上看,在汶川地震中,龙门山前陆逆冲带表现为在强烈的区域性挤压背景下,深部物质沿壳内拆离层自SW向NE方向的"层状"流动,在地壳上部转化为沿映秀-北川断裂(YBF)的快速垂向挤出,而其西侧的松潘-甘孜地块作自SE往NW方向的重力滑覆,东侧的龙门山前陆盆地则表现为自NE往SW方向的走滑或右行旋转。晚新生代以来,扬子地块相对于青藏高原东缘的龙门山造山带并无明显的或大尺度的陆内俯冲作用发生。龙门山前陆逆冲带深部高温低粘度物质垂直向上的、快速的流动和挤出,直接导致了"5.12"汶川地震的发生,而松潘-甘孜地块E向扩展导致龙门山前陆带的强烈挤压和陆壳增厚及深部应力和地震能量的积聚则是诱导深部位移场发生突变和物质快速垂向挤出的主因,E向扩展是深部地震能量积聚和快速垂向挤出作用的必要条件,而非地震发生的直接原因。ASR地应力测试得出的主压应力方向完全平行于GPS同震速度场的位移方向,似乎表明ASR测试获得的原地应力场或许真实地反映了或最接近于地震过程中的构造应力状态。

龙门山断裂带WFSD数字地震台网监测能力及动态范围分析

5.12汶川特大地震后,为了监测地震的发展趋势,探讨大范围的构造应力场作用,在龙门山断裂带上及时布设临时数字地震台网。数字台网由11个数字地震台组成,遍布龙门山断裂带的北东缘和南西端。为了分析WFSD数字地震台网监测能力及其动态范围,随机抽取一定数量台站观测数据,通过傅立叶变换和功率谱密度分析,获得台基地动噪声均值,进而分析观测系统的动态范围和台网监测能力。根据计算结果与记录的大量微震对比研究,表明在龙门山断裂带上,WFSD数字地震台网具有监测ML 1.5级微地震的能力,且与中国地震局台网中心发布的地震结果基本吻合。因此,WFSD数字地震台网可为龙门山断裂带变形机制研究提供基础的观测资料。

2008年汶川地震(Ms8.0)非对称同震破碎带的确定：来自WFSD-1随钻流体的证据

地震过程中相当可观的一部分能量消耗于裂隙的活化与形成,来自汶川地震断裂带科学钻探一号孔(WFSD-1)的随钻流体表明,地震新形成的裂隙对应有较强的流体异常,它们为流体的入侵提供了良好的通道。随钻流体呈非对称性分布于主滑移面的两侧,主要的流体异常带集中在主滑移带下方须家河组顶部120 m范围内,该带中气体的含量以及变动的频率明显高于上部相同的宽度范围以及下部沉积岩层,来自地球物理测井的资料同样显示这一带破碎严重并伴随有大量水的侵入,暗示汶川地震形成的裂隙具有非对称性分布的特征。这一特征可能同时受控于断裂上盘彭灌杂岩与下盘须家河组岩层的力学性质差异以及地震破裂过程中形成的非对称性应力分布。

汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-3孔施工技术与体会

WFSD-3孔是汶川地震科学钻探项目的系列钻孔之一,历经2年多的施工,攻克了世界罕见的复杂地层钻进、大直径原状样取心和高地应力下钻孔护壁重重技术难关,圆满完成了施工任务。重点介绍了WFSD-3孔施工技术与经验,并对施工若干技术问题提出探讨与认识。

汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-4S孔取心钻进技术

汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-4S孔是为了进一步了解汶川地震主滑移带情况,取得更为全面完整的地质资料,于南坝地区四号孔附近靠近地表破裂带的位置所补充施工的穿过汶川地震主滑移带的浅孔。主要介绍了汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-4S孔针对钻孔地质条件复杂、孔内岩心采取率低等难题所采用的关键工艺和技术措施,并对其应用成果进行了分析和总结,通过从地层情况、施工过程、取心钻具、冲洗液技术以及事故处理等几个方面的详细论述,为以后对复杂地层选用合理的取心技术提供重要参考依据。

差应变法地应力测量——以汶川地震断裂带科学钻探WFSD-1钻孔为例

岩心差应变分析法是汶川地震断层科学钻探(WFSD)项目地应力测量的主要手段之一,该技术通过高压容器对取之于钻孔不同深度的实验样品施加围压,观察先前由于失去地层应力而膨胀产生的裂纹重新闭合,并通过裂纹闭合过程差应变曲线分析,确定主应力大小和方向。WFSD-1孔12个岩心样品的DSA测试结果表明:断层上下盘的应力状态有明显差异,区域地应力不仅随深度增加,还与地质结构和岩石的物理性质等因素有关。

汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-4S孔卡钻事故处理

汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-4S孔地层复杂,钻探施工难度大,孔内缩径、坍塌、掉块事故频发,给钻探施工带来了极大的困难。就WFSD-4S孔在孔深517 m发生的卡钻事故进行了详细的阐述,分析发生卡钻事故的原因及条件,采用了强力起拔、反钻杆、可退式打捞矛打捞、套铣等手段,最终成功处理该起卡钻事故。该起事故的经验,为同类事故的处理提供借鉴及参考。

汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-4S孔冲洗液技术

针对汶川地震断裂带科学钻探项目四号孔浅孔(WFSD-4S)地质条件复杂,孔壁稳定性差,坍塌、掉块严重等问题,采用了双聚防塌冲洗液体系。该体系具有良好的稳定性和流变性,携屑能力强,防塌效果好,在WFSD-4S孔钻进施工中取得了良好的应用效果。通过对冲洗液配方的优化和性能参数的合理调整与维护,较好地解决了WFSD-4S孔的钻进技术难题,为顺利完成钻孔施工奠定了坚实的基础。

龙门山构造带北段构造变形特征——来自汶川科钻四号孔(WFSD-4)的证据

2008年MW7.9汶川地震在青藏高原东缘龙门山构造带内毫无征兆的情况下发生,并沿灌县—安县断裂和映秀—北川断裂分别产生了约80 km和275 km的不同性质的地表破裂带,在世界地震史上实属罕见,表明龙门山构造带在以往经历了极为复杂的构造演化和运动变形。地震后迅速启动的汶川地震断裂带科学钻探项目,为我们认识龙门山构造带以往运动和变形本质提供了全新的素材和视角。本文以位于龙门山构造带北段的汶川地震断裂带科学钻探四号孔(WFSD-4)岩心作为主要研究对象,并结合地表构造变形研究,对WFSD-4的岩心变形特征和龙门山构造带北段的构造变形序列进行了分析与探讨,认为:D1变形期以岩心和地表早期面理S1顺成份层发育为特征,多被同时期长英质脉体填充,显示伸展机制下的韧性变形,推测为轿子顶穹隆构造的形成时期; D2变形期为区域主导性面理S2的形成时期,岩心中劈理面上可见绢云母等矿物,石香肠构造指示NW–SE的韧性挤压变形特征。岩心和地表均可见S2切割早期面理S1,错断早期顺S1贯入的长英质脉体; D3变形期以NW–SE向挤压冲断为主,岩心中面理S2发生褶皱变形,局部生成间隔劈理S3。地表可见区域主导面理S2变形,形成平行褶皱,轴面走向北东,发育同时期的NW向陡倾的活动断裂,部分成为汶川地震的发震断裂,该期对应于龙门山构造带北段的喜山期构造运动,褶皱强化,推覆强烈,也是唐王寨向斜的最终成型时期;岩心和地表均可见面理S2膝折的构造现象,为局部地表抬升过程中的重力成因,构成D4期变形。

汶川地震主滑移带(PSZ):映秀—北川断裂带内的斜切逆冲断裂

2008年5月12日在青藏高原东缘龙门山地区发生了毁灭性的汶川地震(Ms 8.0),并沿映秀—北川断裂和灌县—安县断裂分别产生约270 km和80 km长、并具不同运动性质的地表破裂带。大地震后的断裂带科学钻探是研究地震机制的有效方法,为更好地了解汶川地震过程中的断裂机制、岩石的物理、化学变化和特征,2008年11月4日(汶川地震后的178 d)快速实施了汶川地震断裂带科学钻探项目(WFSD),该项目在这两条断裂带的上盘布置深浅不一的五口群钻(500～3000 m深)。笔者以汶川科钻一号孔(WFSD-1)岩心为主要研究对象,通过对岩心的岩石学研究和构造分析,识别出映秀—北川断裂带中的不同断裂岩分布和组合,以及确定了汶川地震主滑移带位置,为进一步研究汶川地震断裂机制提供了基础。

映秀-北川断裂带中垂直断裂带走向的NW-SE向构造和汶川地震

通过汶川科学钻探钻孔地质实体(岩芯)的构造研究、非弹性应变恢复法(ASR法)地应力测试,结合区域构造和汶川地震NW向余震带的综合分析,提出沿映秀-北川断裂走向的狭窄范围内存在一组NW-SE向构造,其总体产状为:走向N48°W,倾角中等,与映秀-北川断裂带的总体走向和ASR地应力测试获得的一组最大主应力方位(侧伏方向224°)和最大水平应力方位(44°)接近垂直。NW-SE向构造,除少数发育为宏观的断裂构造外,多数表现为密集的裂隙系(或隐断裂)和隐伏断裂,以逆冲性质为主,局部略具左行走滑特征。映秀-北川断裂两侧相向倾斜的NW-SE向裂隙系表明其两侧存在有方向相反的运动,映秀-北川断裂属两侧具有不同形成机制和相向位移的双侧走滑型断裂。映秀-北川断裂的同震垂向位移受NE-SW向构造和NW-SE向构造双重因素制约,在汶川地震的主震带与NW向余震带叠置部位具最大的垂向位移量。从时间尺度分析,在汶川地震的全过程中,仅开始时刻表现为自NW→SE方向的强烈逆冲作用,随后的主要时间段内均表现为沿断裂带方向的运动和自SW→NE方向的逆冲。NW-SE向构造的形成是龙门山深部应力和能量长期积聚的结果,强震发生时,初始时刻的自NW向SE方向的强烈挤压,瞬即转换成自SW向NE方向的运动和强烈挤压。NE-SW向挤压构造应力场,是由NW-SE向挤压作用长期积累和诱导,并叠置在区域NW-SE向主导的挤压构造应力场之上的局部构造应力场,但在发震后,它主导了地震能量自震源区沿断裂走向向NE方向的快速传递和扩展及NW向强余震的发生,地震能量在NE-SW向强烈挤压过程中得到最终释放。因此,映秀-北川断裂在地震的不同阶段,其性质存在差异,在地震宁静期或弱震期(应力积累和闭锁期)以自NW往SE方向的逆冲性质为主,兼有右行走滑特征,但在强震期(应力释放和解锁期),除发震时表现为强烈的继承性逆冲作用,随后即转化为以平行断裂带走向自SW向NE方向的快速运动和扩展及自SW往NE方向的逆冲作用为主。

世界上最快回应大地震的汶川地震断裂带科学钻探

2008年5月12日汶川大地震之后,在青藏高原东缘龙门山地区实施了汶川地震断裂带科学钻探,这是目前世界上最快回应大地震的科学钻探,为地学家探索地震成因机制提供了极好的机遇.汶川地震断裂带科学钻探工程(WFSD)沿产生同震地表破裂的两条断裂带——龙门山的映秀—北川断裂和灌县—安县断裂共实施了6口科学群钻.其目标在于对钻孔的岩心、岩屑和流体样品进行多学科观察、测试和研究,揭示汶川地震断裂带的深部物质组成、结构、产出以及构造属性;探索地震过程中的岩石物理和化学行为、能量状态与破裂演化过程;认识汶川地震发生的应力环境、巨大的地震破裂产生及传播原因、地下流体在地震的孕育、发生、停止过程中的作用,从而检验和深入理解地震断裂发震机理.目前,汶川科钻项目已取得的部分重要成果如下:(1)查明了汶川地震断裂带结构、组成;(2)揭示了汶川地震过程中"热增压"为重要断裂弱化机制,提出断裂带内石墨可作为判断大地震发生的标志;(3)发现目前世界上最低的断层摩擦系数,并首次记录到大震后断裂带快速愈合信息;(4)重建龙门山的构造格架,提出汶川大地震发生的新的成因模式;(5)通过对汶川地震余震的精确定位、钻孔附近的地震台阵观测,确定了地震活动与龙门山断裂带不同区段的空间关系;揭示断裂带深部流体特征与地震活动的关系,为确定大震孕育过程提供深部流体活动行为的科学依据.

汶川科学钻探PDC取心钻头有限元分析

汶川地震断裂带科学钻探项目是在龙门山"北川-映秀"断裂及龙门山前缘安县-灌县断裂附近实施5口科学群钻,由于所实施的5个钻孔都位于地震断裂带上,地层十分松软破碎,普通取心钻进的取心率低、岩心扰动大。为解决该问题,设计并采用了一种超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头,取得了良好的效果,提高了岩心采取率,并保证了岩心的原状性。论文通过UG建立的实体模型导入ANSYS Workbench下的CFX流场分析和Steady-Thermal稳定热分析模块,分析了该钻头的井底流场分布、大小以及钻头的冷却效果,并计算孔底有效排粉的最低泵量,以确定超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头取心钻进时保证取心率和岩心原状性要求的最优泵量。

汶川地震断裂带数字地震台网建设与应用

为了提高对"5.12"大地震灾害监视和预警的能力,了解地震孕育、发生及发展,研究汶川地震发震机理、地震复发周期和余震的迁移规律,"龙门山断裂带地震台网"建设,在震后迅速展开。该台网于2008-06-02开始正式传输地震数据,为灾后重建选址、地震科学钻探选址提供了可靠数据,同时也为研究龙门山断裂带余震分布情况、余震的迁移方向以及判断断层活动状况提供了科学依据。本文从台网选址、台网设计与建设、台网运行与管理、监测效能等方面介绍了台网的建设与应用。

龙门山灌县—安县断裂带断层泥低磁化率的矿物、化学响应和蠕滑作用环境

断层带内的流体不仅可以通过水岩反应改变断裂岩的矿物组成和化学成分,从而导致化学性质和物理性质的变化,而且可以影响或控制断裂带的变形行为.断裂带中岩石磁学特征是由特定化学环境下磁性矿物的种类和含量所决定的,因此,从矿物学和地球化学角度探讨断裂岩的磁性变化,对揭示断层的变形行为和环境具有一定的指示作用.本文以汶川科钻WFSD-3P钻孔中龙门山灌县—安县断裂带断裂岩为研究对象,运用高分辨率磁化率测试、XRD矿物成分半定量分析、XRF元素扫描以及不同价态Fe元素含量分析等多种方法开展断层磁学变化和变形环境的研究.磁化率测试结果表明灌县—安县断裂带断层泥的磁化率值普遍低于对应的围岩磁化率平均值.结合前人研究成果表明造成该断层泥低磁化率异常的原因是在间震期的长期流体作用下,铁磁性矿物(例如磁铁矿)转变成顺磁性矿物(铁硫化物、菱铁矿或含铁的黏土矿物).新生铁硫化物和含铁黏土矿物是在间震期缓慢形成的,而黏土矿物含量的增加弱化了断层强度,促进断层蠕滑,这说明断层泥低磁化率异常可能指示了该断裂在间震期长期缓慢活动,即为蠕滑变形.断层泥中黄铁矿的发育和高Fe^(2+)和S元素、低Fe^(3+)的特征显示灌县—安县断裂作用环境通常是在低温、还原环境中进行的.这些结果与低磁化率值的相关性暗示断层泥低磁化率异常可能对活动断层的低温还原环境具有指示意义.