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台湾车笼埔断层深井钻探计划_TCDP_概述

第2期(总第326期)国 际 地 震 动 态No.2(Serial No1326) 2006年2月Recent Devel opments in World Seis mol ogy February2006

项目进展与成果介绍

台湾车笼埔断层深井钻探计划

(TCD P)概述3

刘耀炜1) 陆 斌2) 孙小龙3)

1)中国地震局地壳应力研究所,北京 100085

2)中国地震局地震预测研究所兰州创新基地,兰州 730000

3)中国地震局兰州地震研究所,兰州 730000

摘 要 台湾车笼埔断层深井钻探计划(T CDP)是台湾车笼埔断层上进行的科学钻探工程。该计划于2004年开始实施,拟通过深达2000m的钻探,获取台湾1999年集集M W7.7地震深部断层带的岩芯样本和流体观测资料,并通过一系列的深井探测和观测研究,分析车笼埔断裂产生剧烈错动的原因。本文介绍了台湾车笼埔断层深井钻探计划(TCDP)的基本情况,论述了T CDP项目的科学假设、工作计划、合作项目以及近期的进展。全面了解TCDP相关内容,对我国大陆进行地震研究和深井钻探工作具有重要借鉴意义。

关键词 T CDP;车笼埔断层;断裂错动

中图分类号 P315.2 文献标识码 A

引言

2004年9月,在北京召开的“第三届大陆地震、紧急救援暨巨灾保险国际会议”上,台湾国立中央大学学者介绍了“台湾车笼埔断层深井钻探(Tai w an Continental Scientific D rilling Pr ogra m,T CDP)”项目情况。该项目的主要目标是对近期大震的断层物理学系统进行观测研究,其主要方法和研究思路得到国际大陆科学钻探组织(I CDP)的认可和支持。中国地震局在近期完成的2006—2020年中长期科学发展规划中,把开展深井观测

3收稿日期:2005202203。列入了重要发展方向,因此,了解国际上有关地震深井钻探和深井观测工作内容,对我国大陆开展用于地震基础科学研究和深井观测计划的实施具有重要借鉴意义。

1 基本概况

T CDP项目在台湾台中大坑车笼埔断层上进行2000m深井钻探,期望通过钻探获取1999年9月21日集集M

W

7.7(据台湾地区台网)地震深部断层带岩芯并开展深井测量和观测,研究车笼埔断裂产生剧烈错动的原因所在。

1999年台湾集集地震(M W7.7)产生了壮观的地表破裂,在车笼埔断层上出现了高

达8m的垂向位移。利用强震数据(大约600个台)、远震数据和GPS(大约130个)数据确定的位移数据,一些研究组提出了这次地震的滑动及其滑动速度的空间分布模型。共同研究结果表明:断层滑动主要出现在80k m×40k m的区域内,震中在该区域的南部,破裂向北传播,与反演的滑动分布和地质考察的结果非常吻合。估计的滑动速度显示:北部区域的断层滑动速度非常快但滑动比较平滑,产生较低的高频辐射,地面加速度和建筑物的破坏程度相对较低;相对来说,断层南部的位移很小,但加速度比较高。该地震有非常大的滑动量,同时又有低峰值加速度,对这种现象的一些解释是地震时存在某种类型的动态润滑机理,降低了滑动的动态摩擦阻力[123]。

因此,要理解地震的破裂过程,其中重要的课题之一是了解地震发生前、发生时和发生后断层上应力水平的变化过程。要理解大地震如何发生,物理数据的进一步获得是至关重要的。T CDP的目的是获得集集地震断层最大位移处的物理、化学样本,测量断层区上、下部岩石的物理特性和机械行为,以全面了解在这样一个大的滑动事件后这些岩石内的应力状况。断层表面的物理测量以及在实验室对断层岩石和流体的实验分析将可能给出重要的推断,比如断层的动摩擦特性等。大的断层滑动发生在地表或者接近地表,这就为深入研究大地震时断层作用的物理机理提供了一个独一无二的机会。1999年台湾集集地震破裂为逆冲断层,开展对这种结果的现场研究,对分析震源过程有明显的优势,因为破裂断层倾斜很平缓,使得描绘和钻探都非常的容易。为了使计划的预算适度,只需在目标区域钻一个2000m深的孔(A井),大约会在1500m深处有大的滑动带,因而,在井深1000m处开始连续取芯。

2 TCDP的科学假设

在2000m深的井孔内,拟开展以下测量工作:断层带的宽度和成分;现场应力、流体化学和温度条件下断层岩石的摩擦特性;集集地震破裂后的残余热变化;断层带和围岩内的应力和流体压力;物理特性(渗透性、热传导率、弹性特性等)和断层岩石以及围岩的膨胀特性;断层带流体的组成和物理特性;断层岩石的微结构以帮助确定破裂时剪切区域和变形机理作用的范围。

完成以上内容的测量,将会帮助回答以下与地震物理有关的假定,并且对其他断层的研究,譬如圣安德烈斯断层深部观测、科林斯湾计划以及计划中的海洋消减带地震活跃区钻探计划都有重要帮助。

2.1 假设之一:在产生大的滑动和滑动速

率时断层面(带)被润滑

在车笼埔断层北段,台站观测到的大的滑动(以及滑动速率)和低的高频地震辐射与许多大地震的观测事实不一致。然而,这些观测结果却与B r odsky and Kana mori (2001)的断层润滑模型的预期相符合。马国凤等人(2002)认为,润滑模型对解释这类破裂行为以及近场的强地面运动观测结果提供了一种可能的机理。钻井数据(比如滑动带宽度、断层粗糙度、摩擦、震后应力状况等)是检验这个假定的关键,它将会对理解大地震的机理产生新的见识。

2.2 假设之二:弱断层,即在低剪应力条

件下的滑动

在各种构造条件下,板块边缘断层的现场应力和热流数据都表明,这类断层比板内断层相对较弱[425]。引起断层脆弱的可能原因包括:①这些断层带上的物质本身比较弱;②升高的流体压力导致低的有效应力条件;③快速滑动事件引起的动态弱化。基于台湾折叠和逆冲带的低角度和中到低的地表热流值,一些研究者认为,车笼埔断层带是在低的剪应力下滑动的[628]。在一个明显可以确定的滑动带上,通过断层物质的取样和实验室分析以及断层带内和临近区域现场

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第2期 刘耀炜等:台湾车笼埔断层深井钻探计划(TC DP)概述

应力、流体压力和温度的测量,将使我们可以更好地约束车笼埔断层的绝对应力,并且确定长期(平均时间)控制其剪切力的因素。

2.3 假设之三:断层带力学状态的物理特

性随时间贯穿整个地震周期(地震间

歇期和震时)

假定流体压力、变形、应力以及其他参数随时间的变化不仅对地震的复发时间,并且同时对地震的肇始、破裂和阻止等短期过程也具有重要作用。这个作用的范围是从长期地震孕育过程的断层岩石强度和渗透率降低,到短暂地震破裂前后的变形、流体压力和温度的瞬变。如果这些变化存在的话,通过钻孔应力、温度、孔隙压力、渗透率和其他特性的测量,以及对岩石和流体样本的实验室内的研究,加之长期对车笼埔断层带内部和邻近地区的监测等全面的研究,上述问题以及地震发生的时间尺度,将有可能解决。TCDP将提供在大的破坏性地震发生后控制断层破裂的物理特性和物理过程的第一手信息。

3 项目工作计划

该项目计划利用综合观测,包括钻孔时(岩芯和切屑,以及井孔内的温度、压力和应力)的测量和钻井完成后井孔内长期的监测(流体压力、应变、微震等等),研究上述科学假设。实验和理论研究(比如,实验室摩擦实验、水文学、热学和力学模型,以及化学反应动力学实验)的结合,在研究上述通过钻探结果约束的那些科学假设时,也将是一个重要的组成部分。

3.1 初步钻井和加套管计划

首先钻一个深度1000m的8″孔,加6″套管并用水泥封固这个孔,然后连续取芯到2000m,预计在1500m深处遇到车笼埔断层。取芯完成后,HQ(96mm直径)孔将被扩大,以便安装3层套管并用水泥封固,套管一直达到孔的底部。如果在孔的下部遇到不可预见的地质条件,这就需要将岩芯减为NQ尺寸(45mm)。为了能更高精度地恢复岩芯未受扰动时的状况,取芯方法使用3倍大的取芯管。为了便于控制偏移,将在每100m使用数字化井孔测量仪2EZ shot检查偏离情况。

3.2 科研小组

为了成功地完成这项计划的科学目标,需要全面、细致的合作,以便使深钻的价值获得最充分的体现。因此,有组织的将有经验的科学研究小组组织起来,以保证该项目的关键科学问题为科学家广泛、深入的研究探讨。科研小组的工作包括以下几个方面。

3.2.1 研究地点的地球物理和地质情况

高精度反射剖面、地质填图、地球物理填图(大地电磁、重力等),需要围绕钻井目标地区进行。

3.2.2 钻孔过程中的测量

使用在近10~15年发展起来的一套方法可以对现今应力场加以估计。比如,传统的水压致裂法的改进技术和BHT V(超声波井孔电视监测仪)以及F M I(结构微成像仪)等测井方法联合使用,可以识别井孔内的应力诱发破坏和拉张破裂现象。同时,这些方法还在整个钻井的深部区域(直到2000m)确定应力大小和方向[9210]。用高精度的热敏电阻,在各个深度进行连续温度测量。同时,在孔内完成更长时间的温度测量。这项工作的主要目的是:①精确确定大地热流值;②探测断层区由于地震和瞬时流体流动等生热所造成的热扰动。还将在井下对物理特性和力学状态、现场的孔隙压力和渗透率进行全面的测量,同时获取流体样本等。

3.2.3 岩芯和实验室分析

要估计局部剪切、热传导以及滑动速率等,需要使用微结构、主要/微量化学组分、矿物集合和晶体结构以及碳/氧同位素[11]等数据。对岩芯的渗透率和其他的岩石物理特性以及摩擦/强度都需要在实验室内实验。

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另外,使用各种热地质年代学实验技术,对埋藏深度(温度)、断层表面剪切生热,以及随时间变化的孔隙内流体温度和压力给予约束。如果可能,将在实验室开展透镜体、流体包裹体的压力/温度条件、沉积物的电子自旋共振分析。实验室也要开展孔隙度、颗粒密度、渗透率和磁结构等物理特性的测试。X射线扫描的层析成像可以描绘岩芯内部的结构而不必破坏样本。依照I CDP的建议,要进行取芯和测井。

3.2.4 岩芯样本的物理性能测试

通过对取自断层泥和断层岩石以及围岩的样本研究,将获得包括强度、渗透率和摩擦性能(包括膨胀和孔隙弹性效应)等一系列物理特征参数。对集集地震时断层的动态破裂传播和弱化的数值模拟中使用这些测量结果,进行与近场地震观测得到的震源机制解做对比研究。这些物理性能测试还可以对来自岩芯样本微结构和地球化学观测的变形机制以及构造行为给出定量的约束。这些物理性能的测试将在美国加州的美国地质调查局完成,在模拟真实现场温度、等效应力和孔隙流体化学环境的岩石力学装置上进行。

3.2.5 孔内测量和观测

活断层上的深孔为观察正在发生的地球物理过程提供了机会。在车笼埔断层2000m 深的孔完成后,将开展一系列实地测量和井内连续观测。

(1)温度测量:钻孔后期,用有线测井仪器仔细测量温度,以估计未受干扰的形变温度。温度观测要在不同时间进行,以便修正由于钻井造成的温度扰动[12]。

(2)流体观测:在跨越断层的套管上安装滤网,以观测流过断层的流体,并长期观测水位的变化[13]。

(3)地震观测:地震活动的深部观测,可以获得小地震的精确震源机制解,为此需要安装井内地震仪[14215]。观测穿过断层的由深部地震发射的地震波,可以对监测车笼埔断层在集集地震后的愈合情况有帮助。

这些观测结果还要和来自其他断层,如兰德斯地震[16]和神户地震后获得的地震波监测结果进行比较[17,15]。另外,在钻孔后的数年内,还要重复进行高精度温度测量。3.2.6 地层学

钻井可以获得从最近的中新统到上新统的连续岩芯,这些芯提供了一个连续的地层学记录(相对于出露岩层提供的不连续记录),包含了该地质时期的沉积信息。通过对由T CDP获得的连续岩芯的沉积相的地层学研究,比较其他地区的地质数据,就可以获得台湾前陆盆地的发展演化历史。

3.2.7 项目的时间表

T CDP科学目标的完成需要不同领域专门技术的引入。钻井的时间是从2003年11月到2004年8月。之后的岩芯和流体样本分析、场地特征数据、井下测量以及安装井内仪器要在之后的两年内完成。因为台湾几乎没有科学家熟悉科学钻探和取芯项目,所以国际科学组织的参与对于TCDP的成功来说必不可少。提议要求I CDP给予各个技术领域内的各种技术帮助,包括帮助T CDP的训练教程。

本项目已分别在台湾、日本和美国召开过5次以上的钻井研讨会,比较详细的讨论了项目研究的各项内容,以及钻井中可能遭遇的各类问题。参加该项目的工程技术人员已在I CDP德国总部完成训练。另外,邀请具有深钻经验的工程师担任顾问,及时提供技术咨询及支援。

3.2.8 项目投入

台湾科学委员会(NSC)已经批给T CDP230万美元,作为前一年半(2003年11月—2004年8月)进行详细的场地描述、钻井和取芯以及测井的费用。之后的岩心和流体样本分析,场地特征数据和井下测量以及安装井内仪器要在之后的两年内完成,大约每年需要100万美元的预算。

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国际大陆科学钻探组织(I CDP)提供15万美元的技术培训资助。

4 TCDP中的合作工作

4.1 合作项目

集集地震之后,由日本科技厅倡导的两个浅孔(约300m)分别在集集地震断裂带的北端和南端钻成。两个孔在比较浅的深度上(200~350m)穿透了断层。在宽阔(几十米)的破裂带内,断层面是依据薄薄的(1~3c m)高度变形层辨认出来的。来自车笼埔南部(南投孔)的样本带有非常细密的纹理特征,还可能有点熔融,大概是地震成因的岩石。北部孔位的断层带(Fengyaung孔)是由岩层中较高的含水度来判定的。

4.2 相关断层带的钻探项目

集集地震中有大的滑动量,这就使得测量同震热产生量成为可能,从而提供了一个独有的直接测量在地震(它的滑动的地下分布已经很好的了解了)时滑动的动力摩擦阻力的方法。

1995年发生的M7.2神户地震之后的野岛断层钻探是第一次研究地震后断层的物理特性和断层的愈合过程[18219]。该项目包含钻几个穿透深度超过2000m的断层的孔,那里的断层滑动量为2m。用2000m深的车笼埔断层孔的断层宽度和断层带的特性与来自野岛断层的结果相比较是有意义的。

圣安德烈斯断层深部观测(S AF OD)项目计划在地震重复频发的加州帕克菲尔德的断层面上进行钻探。S AF OD设计直接获取断层带的物质(岩石和流体)样本,测量断层带的各种属性,连续进行断层深部的蠕动和地震活动性监测,以及了解流体在地震过程中的重要作用。车笼埔断层钻探点下大的断层滑动刚刚发生过,所以拿它和来自S AF OD 的结果比较很有意义。因此,所有3个主要的S AF OD项目的参加者都紧密地加入了TCDP项目。

目前的活动断裂带钻探计划都把目标放在走滑断层上(日本的野岛和Mozum i断裂,美国的圣安德烈斯断裂)和正断层上(希腊的科林斯断裂)。TCDP为把关于断层特性和机械行为的认识扩展到逆断层领域提供了机会,并将为正在计划中的在Naikai消减带上的地震孕育区的钻探项目提供支持。海洋钻探计划/综合海洋钻探计划打算在Nankai深海槽(那里有跨度1000年的大地震历史记录)的地震带上钻探。车笼埔断层钻探计划将会回答诸如地震时控制大的滑动分布的物理特性和动力过程等问题,这对于Nankai 钻探计划的筹备工作很有帮助。

5 近期进展

在项目实施过程中,由于钻探工作遇到一些新的技术问题,实际钻探进程比预期进程要缓慢。原计划在2004年8月完成主钻井A井的钻探测量工作,推迟到了2004年12月16日完成,初步形成岩芯样本的取样及分析结果。在最新发表的T CDP计划的研究成果报告中,描述了A井钻探获得的500m到1800m岩性的变化、层理面倾角、构造形态和破裂密度,以及基于岩性的断层带位置,结果认为卓兰层、锦水页岩和桂竹林层①各自的边界大体上在1027m和1290m,更深的层间接触面仅依据岩性来确定是不够的。大多数层理面倾角为30°,但是这个角度在1785m以下明显地变为60°~70°。根据断层面产状(倾向/倾角)和剪切方向,可以确定出以下5个不同的构造组:逆掩断层(倾向105°/倾角20°~60°)、左旋走滑断层(倾向15°/倾角30°~80°)、右旋走滑断层(倾向195°/倾角30°~80°)、背向逆断层(倾向285°/倾角30°)和正断层(倾向105°/倾角5°~10°)。从倾向的统计数据

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①地层名称为台湾地区地层命名。

来看,具有逆冲断层构造的断层数目是最高的,走滑断层构造的次之。

对A 井钻孔岩芯研究的初步结果表明,在500m 到800m 之间得到了9个断层带的证据。4个较浅的断层带位于锦水页岩层。对于逆冲断层带FZ1111和FZ1153,上盘粒度比下盘粒度细,在FZ1222(正向剪切的左旋断层)的断层上这种岩性特征刚好相反,上盘粒度较粗。FZ1241(背向逆冲断层)在没有断层泥的情况下发生着蠕动形变。依据位置和变形构造,FZ1111和FZ1153是集集地震中发生滑动的主要断层带。在FZ1111底部的黑色脆性物质中可以观察到一倾角为70°S W 的断层擦面,这个断层擦面的方向和观测数据反演的滑动方向是一致的,这表明这种黑色物质是在集集地震滑动变形中产生的。较深的5个地震带(大于1500m )之间间隔大约为50m ,它们普遍接近岩层边界,具有较细的粒度,其中包括逆断层和走滑断层。

目前,根据已完成的A 井钻探资料,对过去地质和地震学者利用相关方式推算的车笼埔断层角度、深度等参数,通过对钻探的

地质资料分析,已获得了实际检验。但

T CDP 计划中最初提出的科学假设及问题还远远没有得到回答。因此,为了获得更多的集集M W 7.7地震以及车笼埔断层的有关信息,除了进一步对A 井进行岩芯和流体样本、场地特征等数据分析和井下连续观测外,TCDP 计划组又于2004年12月下旬开始了B 井钻探计划(该项内容未列入最初的T CDP 计划中)。B 井预计钻孔深度为1300m ,在800m 和1300m 处分别进行两次测井,并在800~1300m 处连续钻取岩芯。之后,再结合A 井的测量结果,对断层区上、下部岩石的物理特性和机理进行研究,从而分析这些岩石内的应力状况。最后,根据两井钻探取得的各种地质“直接证据”,分析出断层带所在上、下地层相对于锦水页岩的地质差别、以及滑动发生在锦水

页岩层而非更深地层的真正原因①

,进而帮助回答本项目所设计有关的科学假定。

感谢台湾国立大学马国凤博士提供了T CDP 计划的英文资料。

(作者电子信箱,刘耀炜:liuy w@gssb .gov .cn )

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Su mmary of Con ti n en ta l Sc i en ti f i c D r illi n g

Program(TCD P)i n Ta i wan

L i u Yaowe i1),L u B i n2)and Sun X i a olong3)

1)I nstitute of Crustal Dyna m ics,CEA,Beijing100085,China

2)I nnovative Base of I nstitute of Earthquake Predicti on,CE A,Lanzhou730000,China

3)Lanzhou I nstitute of CE A,Lanzhou730000,China

Abstract The Tai w an Chel ongpu2fault scientific drilling p r ogra m(TCDP)was put in p ractice in2004.This p r ogra m would drill a2000m deep hole on the Chel ongpu2fault.The significance of this p r ogra m is t o obtain a physical sa mp le of the fault where large dis p lace ments occurred during Tai w an Chi2Chi earthquake in1999,t o measure the physical p r operties and mechanical behavi or of the r ocks and fluid of the fault z one and t o thor oughly understand the state of stress that exists in these r ocks foll owing such a large sli p event.This paper has intr oduced the basic conditi on of TCDP,and elaborates on related contents,such as scientific suppositi on,work p lan,cooperati on p r oject and recent p r ogress.To realize the T CDP is useful t o us f or future seis m ic investigati on and fault drilling.

Key words Tai w an Continental Scientific D rilling Pr ogra m(T CDP);Chel ongpu fault;fault sli p