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张艳等-WRR:远场地震波改变水力传导裂隙方向
2022-11-15 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  地壳的裂隙分布和渗透性是随时间演变的,在较长的时间尺度下,化学反应过程、生物和构造过程都可改变裂隙和渗透率,从而改变流体和地热在地层中的传输。深部的地下裂缝的传统研究方法需要三维、昂贵的主动震源高频勘探地震成像技术等,但这类技术只能探测较大(长度为数百米)的裂缝,而天然地震波的频率太低、波长太长,无法探测到浅地壳地层的裂缝。能否发展探测浅地壳裂缝的新方法一直以来都是国内外迫切关心的问题。 

  近年来,随着研究的深入,人们发现由月亮主日波(O1)和半日波(M2)产生的水位变化可以提供一种更加方便、经济和精确的检测裂缝的方法,这些裂缝在水力传导流体运移中占主导作用。 

1 华北地台(蓝色轮廓)5流体井的分布位置(黑色三角形)和引起井同震水位或水位中潮汐记录信息变化的地震的震中位置(沙滩球),以及5井周围断层走向分布对应的裂隙玫瑰花图

  近期,中科院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程院重点实验室张艳副研究员、崔振东副研究员、杨秋野博士生与加州大学伯克利分校Michael Manga教授、石油大学(华东)符力耘教授,以及北京理工大学黄元教授合作,选取华北地台的5口流体井(图1)进行研究。地下水位观测井的选取原则如下:地下水位观测质量较高且时间序列涵盖了2008MW 7.9 Wenchuan 2011MW 9.1 Tohoku 两次大地震;井深大于400 m,从而能够忽略毛细管效应;远离海边(大于100 km),从而减少海潮对水位的影响。此外,华北地台(克拉通)地质构造的稳定性以及相似的地质背景也简化了不同井之间潮汐响应的解释和比较。关注上述两个远场大地震,是因为之前的研究(Zhang et al., 2021)就发现它们影响了多口井的水位变化,包括水位对潮汐的响应(图2),此前的潮汐响应渗漏模型分析表明,这是由渗透率和封闭性变化造成的(Zhang et al., 2021)。     

  本研究利用井水位对潮汐的响应来识别裂缝产状。研究综合月亮主日波和半日波(O1+M2)潮汐分波对裂缝定向模型进行测试,拟合了与井相交的水力传导裂缝的潮汐响应模型。从而计算断层解(走向、倾角),并且分析大地震2008 MW 7.9 Wenchuan 2011 MW 9.1 Tohoku)对裂隙的影响。分析表明,研究的深井(400 m~3500 m)对应的裂缝走向大致接近东西向,与区域断裂和地应力相一致。研究发现,来自遥远(Wenchuan 地震震中距>1000 km; Tohoku地震震中距>2000 km)大地震的地震波可以改变裂隙的表观方向。 

2 天津高村(GC)井和北京左家庄(ZJZ)井的水位在Tohoku 地震前后的记录,红色虚线表示地震发生时刻,GC 井水位记录到了震后的水震波,ZJZ 井震后水位和理论固体潮之间的相位差发生了明显改变(空缺段对应震后传感器重置时间间隔) 

3 五口井对应的断层走向变化 (a) 2008Mw7.9 Wenchuan 地震 (b) 2011Mw9.1 Tohoku地震。较短的线条表示震前的走向而较长的线条表示震后的走向,其中GC, ZJZ BD 3井的走向变化最明显

  该研究的主要创新点如下: 

  1)运用潮汐主日波O1和半日波M2 结合的算法,测试潮汐响应裂缝定向技术模型,计算井附近的断层产状(走向+倾角); 

  2)远场地震波能够改变大部分井附近的裂隙走向。地震波能量密度达到或接近0.1 J/m3(液化作用阈值)的4口水井中的3口对应的裂隙走向震后都发生了明显变化,但有一口井的裂隙没有改变(图3),表明某些地层对地震波更敏感; 

  32008MW 7.9 汶川地震对应的能量密度基本都低于2011MW 9.1 日本东北地震(某些甚至低于0.1 J/m3,但5口井对应的裂隙走向都发生了改变(3口改变更明显),主要由于汶川地震对应地震波的主频较高。因此,裂隙走向的变化除了跟能量密度有关,地震波的主频也起到重要作用; 

  4)远场地震波产生的应力很小,因此认为由地震波驱动的振荡流体流动可以通过疏通或堵塞流动路径,从而改变裂缝连通性和潮汐感应到的平均裂隙方向即裂缝的表观方向(图4)。 

4 震后淤积颗粒被冲刷,裂隙沟通增强,裂隙总方向从震前的虚线位置转到震后的实线位置,不管是淤积颗粒被冲刷还是重新淤堵都可导致总裂隙方向发生变化。蓝色是孔隙中的水,箭头对应的散点是淤积颗粒    

  研究成果发表于水文地质领域国际学术期刊Water Resources ResearchZhang Y, Manga M, Fu L Y, et al. Changes of hydraulic transmissivity orientation induced by teleseismic waves[J]. Water Resources Research, 2022, 57: e2022WR033272. DOI: 10.1029/2022WR033272。研究得到自然科学基金委基金(41874161)和中科院青促会基金(2019069)的资助 

 
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