编者按
今天为大家推荐发表于2021年4期的封面文章。此次推送的是毛小平等作者的《储集层中高压流体引爆强地震的机理——以5.12汶川地震为例》
作者：毛小平，何廉康，刘佳林，李岁岁，张学强，宿宇驰，卢鹏宇
摘要: 目前产生地震的机制仍以弹性回跳说为主：地震是因为断层错断使岩层的弹性能释放而引发。但越来越多的学者开始质疑，仅断层错断后的弹性能，是否真能达到实际地震所释放的巨大能量。因此，有必要探讨地震初动后破坏性强震的性质及其真正的能量来源。文章根据沉积地层中的储集层及其压力的特点分析得出，储集层内含有大量的高压流体，其压力在一定条件下可以释放出来，产生流体物理爆炸，有可能是强震能量的重要组成部分。通过计算得出，当断层破裂并刺穿面积较大的储集层时，其压力释放所产生的弹性能可以达到震级8.0以上地震所释放的能量；人为的工程活动也可引发小规模的流体压力的释放现象，如钻井时的井喷、水力压裂会诱发有感地震等。同时，文章根据对距离震中较近的地震台的波形及传播射线路径分析认为，强震波动可能不是横波S波，而是涨缩波P波，据此不能排除强震是由爆炸所致。综合汶川地震多个台站记录到的地震波的时间域和频率域特征、地面观测到的爆炸现象、地震后科学钻探获得的岩心等大量直接或间接证据，说明了这种流体爆炸能量释放的可能性。最后，文章提出了地震活动可分为三个阶段：微破裂阶段Ⅰ，该阶段有流体活动，并可产生动电效应，但未触发地震初动；地震初动后的断裂破裂阶段Ⅱ；由流体压力释放产生地震强震阶段Ⅲ。
关键词: 汶川地震 ； 时频分析；起始破裂；初动；储集层；流体超压
图件及说明
图 1 孟加拉湾沉积地层与变质基底(剖面经度87°；据Curray，1991修改)
来自于地幔的“深部流体”主要赋存于变质基底中(图1)，在地震发生时，它是否能产生隐爆，是文中要质疑的核心之一。石油专业沉积地层有两类储集层，一种是高孔隙的常规储集层；一种是低孔低渗的泥页岩层。为了说明深部流体产生隐爆的可能性，文中将变质基底和这两类储集层合并在一起，做一个参数(含气丰度、孔隙度、渗透率)对比。
图 2 钻穿储集层前后储集层及井筒压强变化示意图(ΔP为流体压强)
一定深度的储集层一般具有高压特征，孔隙压力采用压力系数来表征，在多数情况下该压力系数是大于1的，如川西坳陷就达到1.8 (冷济高等，2011)，在深度4 km处压力为72 MPa(图 2a)。这时，在钻探过程中钻井液就需要掺入细砂以便增加钻井液的密度ρ。在钻探前如果低估了压力系数，将钻井液密度只配成了1.5 g/cm3，在4 km深处井筒内的钻井液压力将只有60 MPa(注：石油工程专业将压力等同于压强，如地层压力系数，故为方便起见，将流体压强均称为压力)。该压力和深度4 km处的储集层内的压力(72 MPa)相比，这就会产生12 MPa的富余差应力ΔP。在这种情况下，井筒内的流体就会产生井喷并冲开钻机，引发重大安全事故(图 2b)，这就是孔隙流体压力释放的机理。离井筒一定距离r以内的流体可以自由流动到井筒内(图 2b所示中的黄色区域)；范围之外的流体则不能，且仍保持高压状态。这个距离r在石油勘探中称为井间距或极限动用半径(Li et al., 2017)。水驱油技术(Tetteh et al., 2021)就是在注水井井口用高压水(压力为ΔP)注入井筒内(图 2c)。如果两口井的距离大于r，则驱动失败。袁士义等(2007)得出在渗透率为5~150 mD时，井距r可设计为1~1.5 km。对低渗透油藏，r值大约可取250 m。
图 3 川西坳陷什邡地区地质统计学模拟的连井孔隙度剖面(武恒志等，2015)
在纵向上，川西坳陷仅须家河组一套高孔隙度砂岩储集层累积厚度就已超过了500 m(赵正望等，2013)，同时，还发育了志留系、奥陶系及震旦系等多套高孔隙储集层，三叠系须家河组和震旦系灯影组孔隙度可达5%~20%(表 2)。从实际油气勘探剖面中可以看出，高孔隙储集层层数多，累积厚度大，这个特点也只有沉积地层才具备。从川西坳陷什邡地区孔隙度剖面可以看出，在纵向上发育了多套高孔隙储集层(图 3红色区域部分；武恒志等，2015)；2020年5月4日在大英县天保镇钻探，在震旦系灯影组中获测试日产天然气1.220×106 m3，间接说明了该地区具有高孔隙含流体储集层。
图 4 鸭子河气田及破裂模型范围示意图
在横向上，川西坳陷里已探明了多个大型北西—南东方向的圈闭。离震中距离仅50 km处就有一个天然气田(图 4)：鸭子河气田，其长度为60 km，宽度5~20 km (Ma et al., 2019)。这些大型圈闭以三叠系须家河组为储集层，其孔隙中的流体体积估计可达3.75×108 m3至6.60×1010 m3。2020年5月12日在更靠近震中的龙门山构造带南段部署了一口探井(龙探1井)，在下二叠统栖霞组储层获日产6.686×105 m3气流。可以推测，震中映秀深部也具有海量流体。
图 5 流体压力释放模式剖面示意图
下面以川西坳陷什坊地区剖面(图 3)为原型，提出高压流体弹性能释放的模式，如图 5所示，为抽象出来的模式图：在地震发生之前，三叠系储集层未受到扰动(未破裂状态；图 5a)；一旦构造运动产生的破裂刺穿储集层，断裂附近的孔隙流体会快速进入断裂带，形成一个高压流体囊(图 5b的黄色区域)，并产生强震前的小振幅波动。当破裂面到达地表时，该高压流体囊就会释放过剩压力ΔP，产生强震；震源深度为高压流体囊体积中心，位于储集层下方一定深度处(图 5b)。上文中按4 km深的储集层计算地震能量，是获得能量的下限值，若储集层埋藏更深，压力更大，则产生的地震能量就会更强。因此，实际地震过程可以分为断层破裂Ⅱ和流体压力释放产生强震Ⅲ两个过程。在初动之前还有一个微破裂过程Ⅰ，在该过程中地震台站接收不到振动信号，但其流体活动产生的动电效应可被探测到。断层破裂过程Ⅱ可以产生主震前的弱振幅；只有破裂逐步发展，并刺穿高压储集层，才有强震Ⅲ产生。
图 6 汶川地震各台站地震波形对比图
图 7 汶川地震近震台站时频分析
从不同台站的初动和强震到达时间上看，地震过程主要分为断层破裂Ⅱ和强震Ⅲ两大类过程，且强震波形由多个不同地点的事件所产生，如图 6所示，为2008年汶川7.9级大地震中多个不同震中距台站接收到的波形图。各台站的初动连线为A、各台站强震前的连线为B。A至B之间的直达波P是弱振幅，代表断层破裂过程Ⅱ；B的右侧代表了第2个过程，即多个事件引起的多个强震振幅Ⅲ，该强震一般被认为横波Sg。A与B不平行，且A的斜率小，说明破裂的发展过程与波的传播是同方向进行的。第1条波动曲线(卧龙台站) 初动A与强震B之仅间隔1.3 s，而最远的第5张曲线(重华台) 间隔约25 s，基本上代表了断层总破裂时间长度，与Shang et al. (2015)的推测22 s是一致的。清平台虽然离震中距离较远(90 km)，但离断裂带垂直距离近，其强振幅(S1)有一定衰减(图7)，而其初动的最高频率为60~70 Hz，和卧龙台基本一致。事件S2的发生位置相对于卧龙台而言，更靠近清平台，振幅强，频带宽，且清平的最高频率要高于卧龙台。
图 8 卧龙地震台接收到的地震信号振幅包络线及地震射线路径示意图
采用连续时频FFT算法对卧龙台的Z分量地震信号(图 6中第1条曲线)进行分析，得出了频谱，如图 8所示，为卧龙地震台接收到的地震信号振幅包络线及地震射线路径示意图，其中图 8a为连续时频分析频谱。可以看到强振幅中明显还包含了另一个和初始破裂基本一致的高频成分，主频为5~6 Hz。分时段FFT算法获得的振幅谱更加明显，得到3个时间段：2~3.7 s，18~28 s，44~52 s的弱振幅波动信号，如图 8b所示，其主频分别为12 Hz，6 Hz，7.5 Hz；而它们的两个间隔时间段的3.7~16 s，32~40 s为强振幅波动，其主频分别为2.3 Hz，2.5 Hz。该地震信号在图 8c中也有显示，为蓝色曲线(仅正半部分)。断层错断产生了弱振幅信号，但频率高，和页岩层的水力压裂相似；而强振幅波动，为断裂带加储集层所形成的高压流体囊的面震源所引发。
图 9 在汶川地震时流体活动与爆炸现象
在震后对地震断裂带进行了钻探，发现了流体的强烈活动痕迹。王焕等(2015)对汶川地震断裂科学钻探一号孔(WFSD)的岩心样品，用扫描电镜(SEM)及透射电镜(TEM)观察发现，在同震过程中断裂带中可能涌入大量流体，如图 9a所示。
从地震灾区民众反馈的信息看，该地震经历了3次历程，发生了连贯的巨大爆炸，持续约120 s，爆炸声音沉闷，喷爆物高出原地面约50 m，这些爆炸并非城市天然气管线或其他人为因素所致。事实上，在长度约200 km的龙门山断裂带上，可明显地观察到较大的爆炸现场至少有5处，图 9b是其中一个。从西向东有4个烟黑色大坑，一个大坑对应一个喷爆位置。喷出来干净的黑色石头，伴随有热浪和气浪(Shang et al., 2015)。这些信息和图 6第1条曲线所记录的地震信号是一致的。
文章结论
文章结合了地震学、地球化学、地质学、钻探等多学科进行了分析，得出以下结论。
(1) 来自深部变质基底的流体数量可能不少，但因其丰度低，且多数为结构水，不可能引发天然地震。
(2) 沉积地层中的高压流体的压力释放可能是引发破坏性强震的重要能量来源。高孔隙储集层含有海量流体，当自然界构造运动产生的断层破开储集层后，这些高压流体的进入断裂带形成高压流体囊，当断至地表时，其弹性能可以释放出来，所释放的能量可以超过8级的地震所释放的能量。地震过程的实质是断裂刺穿了一个沉积地层的“高压封存箱”。
(3) 从汶川地震近震信号在时间域和频率域中的分析可知，强震波形是来自于纵波的振动，而不是横波振动。
(4) 地震过程可分为3个阶段，微破裂Ⅰ、初动后的断层破裂过程Ⅱ、流体物理爆炸过程Ⅲ。阶段Ⅰ可接收到地表电场异常信号，但接收不到振动信号；过程Ⅱ伴随整个地震过程，为高频弱振幅；过程Ⅲ为低频强振幅。
值得进一步讨论的科学问题是，如何利用流动运动的动电效应产生的大气电场扰动来定量评价微破裂的位置和深度，从而进行地震预报。
第一作者介绍
毛小平(1965-), 副教授, 研究方向为地球物理勘探、地震波传播。E-mail: maoxp9@163.com
引用本文
毛小平, 何廉康, 刘佳林, 等, 2021. 储集层中高压流体引爆强地震的机理——以5.12汶川地震为例. 地质力学学报, 27 (4): 628-642. DOI: 10.12090/j.issn.1006-6616.2021.27.04.052
MAO X P, HE L K, LIU J L, et al., 2021. Mechanism of the strong earthquake triggered by high pressure fluid in reservoir: A case study of the 5.12 Wenchuan earthquake. Journal of Geomechanics, 27 (4): 628-642. DOI: 10.12090/j.issn.1006-6616.2021.27.04.052