本文關(guān)鍵詞：汶川地震斷層帶傳輸性質(zhì)研究—對(duì)地震同震弱化作用的啟示，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：斷層帶的流體壓力因關(guān)系著地震斷層滑動(dòng)強(qiáng)度以及應(yīng)力釋放過(guò)程一直倍受重視。斷層帶滲透率結(jié)構(gòu)對(duì)于了解斷層帶內(nèi)流體活動(dòng)狀況、斷層強(qiáng)度和摩擦穩(wěn)定性以及同震熱壓作用等至關(guān)重要。全面總結(jié)了斷層帶滲透性,尤其是大的地震斷層帶滲透性的研究成果。為了開(kāi)展斷層巖傳輸性質(zhì)的測(cè)量工作,開(kāi)發(fā)了超低滲巖石滲流測(cè)量系統(tǒng)。以汶川地震發(fā)震斷層映秀-北川斷層帶上兩個(gè)典型露頭剖面為對(duì)象,分析了斷層帶的內(nèi)部結(jié)構(gòu),對(duì)斷層巖進(jìn)行了成分、粒度分析；利用新開(kāi)發(fā)的超低滲透率儀對(duì)斷層巖開(kāi)展了滲透率-孔隙度-比儲(chǔ)流率的聯(lián)合測(cè)量;基于測(cè)量結(jié)果對(duì)汶川地震的同震熱壓過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究取得了如下成果：詳細(xì)介紹了超低滲透率測(cè)量?jī)x器的測(cè)量原理、基本構(gòu)造及性能；引入了振蕩孔隙壓力法,其滲透率測(cè)量下限可達(dá)10-22m2量級(jí)。使用特殊設(shè)計(jì)的微體積計(jì),首次實(shí)現(xiàn)了液體條件下絕對(duì)孔隙度的測(cè)量。給出滲透率-孔隙度-比儲(chǔ)流率聯(lián)測(cè)的實(shí)驗(yàn)流程及典型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。斷層巖的粒度分布包含著巖石破裂機(jī)制、摩擦性質(zhì)和地震能量分配等重要信息。采用篩分-稱重和激光測(cè)量?jī)煞N方法對(duì)汶川地震斷層滑動(dòng)帶上的斷層巖(簡(jiǎn)稱斷層巖)進(jìn)行了粒度分析,粒徑測(cè)量范圍從0.2μm延展到16mm,跨度達(dá)到5個(gè)數(shù)量級(jí)。粒徑測(cè)量結(jié)果顯示,(1)存在臨界粒徑dc(0.95-1.90μm)。粒度大于和小于dc的顆粒滿足不同的顆粒數(shù)(Nd)～粒徑(d)分布關(guān)系,表明該斷層巖的粒徑分布不具有自相似性特征。(2)利用粒度大于dc的顆粒計(jì)算出的分形維與斷層巖類型有很好的相關(guān)性,即斷層帶邊緣的角礫巖之平均分形維為2.6,核部壓碎角礫巖的平均分形維約為3.0,中心斷層泥的分形維約為3.5。粒徑小于dc的顆粒的分形維介于1.7-2.1之間。分形維的突變反映出斷層破裂機(jī)制的復(fù)雜性,即在不同的粒度域,巖石的破裂機(jī)制不盡相同。(3)依據(jù)粒度分析結(jié)果,估算出汶川地震斷層泥的單位破裂能(Es)為0.63 MJ/m2。采用N2作為孔隙介質(zhì),對(duì)汶川地震斷層帶典型的露頭剖面進(jìn)行了跨斷層不同斷層巖樣品的滲透率測(cè)量。結(jié)果顯示汶川地震斷層由低滲的核部(2.4×10-19-3.8×10-16m2)、高滲的破碎帶(3.7×10-16-3.0×10-15m2)以及含裂隙原巖(6.0×10-18-4.3×10-13 m2)組成(有效壓力40 MPa)。其中新鮮斷層泥具有最低的滲透率。斷層泥和兩側(cè)原巖由于滲透率低,阻礙流體跨斷層帶流通,斷層帶內(nèi)的流體活動(dòng)局限在高滲的破碎帶中,這一結(jié)果與斷層巖顯微結(jié)構(gòu)和粒度分布特征能很好的吻合。對(duì)汶川地震同震熱壓作用發(fā)生的條件進(jìn)行了簡(jiǎn)單探討,結(jié)果顯示約2 km以下汶川地震主滑動(dòng)帶具有發(fā)生熱壓作用所要求的低滲透率特征。為了定量研究汶川地震的動(dòng)態(tài)滑動(dòng)弱化過(guò)程,對(duì)平溪剖面的斷層樣品開(kāi)展了干、濕條件下的高速摩擦實(shí)驗(yàn)。樣品在含水條件下表現(xiàn)為比干燥樣品更為快速的弱化和更低的穩(wěn)態(tài)摩擦強(qiáng)度,指示了熱壓過(guò)程的發(fā)生。利用新開(kāi)發(fā)的超低滲透率儀測(cè)量了斷層巖在圍壓加-卸載周期中的滲透率、孔隙度和比儲(chǔ)流率的變化。結(jié)果表明：斷層帶由低滲的斷層泥(有效應(yīng)力165 MPa下為2.6×10-20 m2)和高滲的破碎帶組成。在對(duì)斷層泥樣品進(jìn)行圍壓加載的過(guò)程中,觀測(cè)到了強(qiáng)的孔隙壓超壓現(xiàn)象。類比分析揭示了地震過(guò)程中孔隙壓超壓的重要性�；谒鶞y(cè)的物性參數(shù)對(duì)汶川地震的同震熱壓過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。其結(jié)果顯示熱壓作用及相關(guān)化學(xué)反應(yīng),如蒙脫石脫水,對(duì)汶川地震的地震破裂過(guò)程起到了促進(jìn)作用。這與研究點(diǎn)附近觀測(cè)到大的同震位錯(cuò)及滑動(dòng)加速現(xiàn)象一致。對(duì)比分析顯示：“高速弱化”對(duì)小地震的弱化起主導(dǎo)作用。對(duì)于大地震,如果斷層泥的滲透率不是異常高,“熱壓弱化”將同樣重要。對(duì)于汶川地震而言,其滑動(dòng)弱化歸功于兩者。
【關(guān)鍵詞】：汶川地震 斷層滲透性 熱壓作用 孔隙壓超壓 振蕩孔隙壓法 分形維 破裂能 動(dòng)態(tài)滑動(dòng)弱化機(jī)制
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地震局地質(zhì)研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P315.2
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 前言12-28
• 1.1 選題依據(jù)及意義12-14
• 1.2 地震斷層帶滲透率研究進(jìn)展14-26
• 1.2.1 斷層帶滲透率的測(cè)量方法14-17
• 1.2.2 斷層巖滲透率的影響因素17-19
• 1.2.3 當(dāng)前斷層帶滲透率研究熱點(diǎn)內(nèi)容19-25
• 1.2.3.1 地震斷層的滲透性結(jié)構(gòu)19-22
• 1.2.3.2 斷層愈合及斷層帶滲透性演化22-24
• 1.2.3.3 斷層泥滲透性及同震熱壓作用24-25
• 1.2.4 討論25-26
• 1.3 論文的核心思路和內(nèi)容26-28
• 第二章 超低滲透率儀器及測(cè)量方法28-50
• 2.1 引言28
• 2.2 儀器的基本構(gòu)造28-31
• 2.3 超低滲透率儀的原理31-40
• 2.3.1 滲透率測(cè)量31-33
• 2.3.1.1 穩(wěn)態(tài)法滲透率測(cè)量31-32
• 2.3.1.2 瞬態(tài)滲透率測(cè)量方法32-33
• 2.3.2 孔隙度測(cè)量33-40
• 2.3.2.1 氣體介質(zhì)孔隙度測(cè)量34-36
• 2.3.2.2 水介質(zhì)孔隙度變化測(cè)量36-38
• 2.3.2.3 液體絕對(duì)孔隙度測(cè)量38-40
• 2.4 理論分析、系統(tǒng)標(biāo)定及主要性能測(cè)試40-47
• 2.4.1 滲透率測(cè)量理論分析與仿真模擬40-42
• 2.4.2 溫度的影響及系統(tǒng)熱壓系數(shù)的標(biāo)定42-43
• 2.4.3 B_d值標(biāo)定43-44
• 2.4.4 典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果及穩(wěn)定性測(cè)試44-45
• 2.4.5 測(cè)量范圍45-46
• 2.4.6 誤差分析46-47
• 2.5 結(jié)論47-50
• 第三章 汶川地震斷裂帶三維粒度分布特征：對(duì)地震碎裂機(jī)制的約束50-64
• 3.1 引言50-51
• 3.2 地質(zhì)背景51-53
• 3.3 采樣及測(cè)量方法53
• 3.4 測(cè)量結(jié)果及數(shù)據(jù)分析53-59
• 3.4.1 測(cè)量結(jié)果53-56
• 3.4.2 數(shù)據(jù)分析56-59
• 3.5 討論59-62
• 3.5.1 粒度分析方法的討論59
• 3.5.2 汶川地震斷層帶粒度分布特征及碎裂機(jī)制59-61
• 3.5.3 汶川地震破裂能61-62
• 3.6 結(jié)論62-64
• 第四章 汶川地震斷層帶滲透性64-80
• 4.1 引言64-65
• 4.2 汶川地震斷裂斷層帶結(jié)構(gòu)65-70
• 4.2.1 北川縣擂鼓鎮(zhèn)趙家溝剖面66-68
• 4.2.2 平武縣水觀鄉(xiāng)平溪村剖面68-70
• 4.3. 汶川地震斷層帶滲透率特征70-73
• 4.3.1 采樣及實(shí)驗(yàn)方法70-71
• 4.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果71-73
• 4.4 討論73-78
• 4.4.1 滲透率與斷層巖結(jié)構(gòu)的關(guān)系73-74
• 4.4.2 汶川地震斷層帶滲透率74-76
• 4.4.3 斷層帶淺部流體活動(dòng)模式76-77
• 4.4.4 汶川地震同震熱壓作用探討77-78
• 4.5 結(jié)論78
• 附錄78-80
• 第五章 熱壓對(duì)2008汶川地震同震滑動(dòng)的弱化作用：來(lái)自實(shí)驗(yàn)和模擬的證據(jù)80-112
• 5.1 前言80-81
• 5.2 地質(zhì)背景及斷層帶結(jié)構(gòu)81-87
• 5.3 實(shí)驗(yàn)方法87-91
• 5.3.1 高速摩擦實(shí)驗(yàn)87-88
• 5.3.2 傳輸性質(zhì)的測(cè)量88-91
• 5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果91-95
• 5.4.1 高速摩擦實(shí)驗(yàn)性質(zhì)91-92
• 5.4.2 傳輸性質(zhì)92-95
• 5.5 同震熱壓過(guò)程數(shù)值模擬95-104
• 5.5.1 控制方程和參數(shù)設(shè)置95-98
• 5.5.2 數(shù)值模擬結(jié)果98-104
• 5.6 圍壓加載導(dǎo)致孔隙壓超壓及對(duì)同震熱壓的啟示104-107
• 5.7 討論107-111
• 5.7.1 映秀-北川斷層的滲透率結(jié)構(gòu)107-109
• 5.7.2 汶川地震同震熱壓作用及相關(guān)化學(xué)反應(yīng)109-110
• 5.7.3 “高速弱化”和“熱壓弱化”對(duì)比110-111
• 5.8 結(jié)論111-112
• 第六章 主要結(jié)論和對(duì)未來(lái)研究的思考112-115
• 6.1 主要結(jié)論和認(rèn)識(shí)112-113
• 6.2 問(wèn)題和未來(lái)工作的展望113-115
• 參考文獻(xiàn)115-126
• 致謝126-128
• 作者簡(jiǎn)介128
• Curriculum vitae128
• 參與課題及研究情況128-129
• 博士期間文章發(fā)表情況129

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