断层裂隙的深部渗透性结构：来自中国龙门山前缘三叠纪蒸发岩-碳酸盐岩地层中现场钻孔样品的约束证据

《Tectonophysics》：Deep permeability architecture of a detachment fault: Constraints from in situ borehole samples in Triassic evaporite-carbonate sequences beneath the frontal Longmen Shan, China

本研究通过分析深达6800米的LS1钻孔岩芯样，结合矿物学分析、孔隙压震荡法渗透率测试及微观结构观察，揭示了秦岭山前断层的脆性白云岩-白云质灰岩断层带渗透率结构及其与地壳流体动力学的耦合关系，提出地震滑动增强断裂连通性（渗透率激增）后伴随孔隙自封（渗透率衰减）的动态渗透模型，为理解深部断层流体演化及地震复发间隔提供新证据。

　　在地质学与地球物理学领域，断层带的渗透性是影响流体迁移、断层力学行为以及地震破裂动态的关键因素。本文通过对中国四川盆地龙门山前缘区域下伏三叠纪断裂带进行深入研究，探讨了该区域的渗透性结构。研究采用了直接分析深钻孔（LS1，约6900米）岩芯样本的方法，结合矿物学分析、在原位应力条件下使用孔隙压力振荡（PPO）方法测量渗透性（有效压力范围为5–125 MPa）以及微观结构观察。研究结果不仅揭示了断裂带内流体传输机制，还为理解地震周期中的渗透性演化提供了新的视角。

### 地质背景与研究意义

龙门山（Longmen Shan）是中国青藏高原与四川盆地之间显著的地形和构造过渡带，其构造带由一系列呈北东向延伸的逆冲断层组成，包括从西向东依次排列的青川-茂汶断层、北川-映秀断层、平武断层、关口断层和彭县断层。这一活跃的逆冲构造带不仅在区域构造演化中占据重要地位，也是地震活动频繁的区域。三叠纪断层带作为龙门山构造带的重要组成部分，其内部结构和流体传输特性对于理解地震破裂过程及地震灾害评估具有重要意义。

研究的出发点在于，传统的断层渗透性研究多依赖于地表露头样本或浅层钻孔样本，这些样本往往无法准确反映深部断层带的复杂性。而本文的研究对象是来自深部钻孔（约6900米）的岩芯样本，这是首次在龙门山地区对蒸发岩-碳酸盐断裂带进行原位渗透性测量。通过这一研究，科学家们希望揭示深部断层带在地震生成过程中如何影响流体的流动，从而为地震风险评估提供更精确的依据。

### 方法概述

研究中选取了三种具有代表性的岩性，包括完整的石膏（Anh-01）和两种混合的白云岩-石膏碎裂岩（Dol-Anh-01 和 Dol-Anh-02）。这些样本分别来自深度为6874.1米、6875.9米和6877.3米的钻孔中。为了进行矿物学分析，每种岩性都选取了一个具有代表性的样本进行X射线衍射（XRD）检测。而为了测量渗透性，每种岩性则选取了两个样本进行实验，以确保数据的可靠性和代表性。

XRD分析是研究岩石矿物组成的重要工具，它能够帮助科学家识别岩石中不同矿物的相对含量。通过XRD结果，研究团队发现完整样本和断裂带样本之间存在显著的矿物学差异。完整样本（Anh-01）主要由石膏（约89%）组成，辅以少量的白云石（约10.5%）和极微量的石膏（约0.5%），表明其经历了较少的后期改变。相比之下，断裂带样本则表现出更为复杂的矿物组合。例如，Dol-Anh-01中含有近相等比例的石膏（约53.6%）和白云石（约40%），而Dol-Anh-02中白云石的含量则更高（约93%），并伴随有少量的伊利石（1–6%）以及辅助矿物如石英和长石。这种矿物组合的变化表明，断裂带在变形过程中经历了流体作用带来的矿物改变，形成了以粘土矿物网络为主的渗透结构。

### 渗透性特征与地震周期的关系

渗透性是控制流体迁移和岩石-流体相互作用的核心参数，其变化对断层强度和滑动行为具有直接的影响。在本研究中，通过实验测量了六个样本的渗透性，结果呈现出与有效压力相关的两阶段演化模式。首先，在有效压力较低时（约5–30 MPa），渗透性表现出急剧下降的趋势，这可能是由于断裂带中的裂缝在压力作用下发生闭合。随后，在更高压力范围内（约40–125 MPa），渗透性下降速度减缓，这可能与岩石的压实作用有关。

值得注意的是，断裂带样本的渗透性显著高于完整样本。具体而言，富含脆性白云石-石膏碎片的断裂带样本（>40%）的渗透性范围为10?2?–10?1? m2，而完整样本的渗透性则相对较低，仅为10?21–10?1? m2。这一差异表明，断裂带的渗透性不仅受到岩石结构的影响，还与矿物组成密切相关。脆性矿物的破碎和排列有助于形成连通的孔隙网络，从而提高渗透性。而粘土矿物的发育则可能在一定程度上降低渗透性，因为它们能够形成封闭的网络结构，阻碍流体的流动。

此外，研究还指出，渗透性具有各向异性特征。这种各向异性主要来源于三个方面：（1）脆性块体的分布密度；（2）弱相（如粘土薄膜）沿微裂缝的排列；（3）矿物驱动的孔隙网络异质性。这些因素共同作用，使得断裂带的渗透性在不同方向上表现出显著差异。这一发现对于理解地震破裂过程中的流体流动模式具有重要意义，因为流体的运动方向和速率可能在不同方向上存在明显不同。

### 动态渗透性模型的提出

基于实验数据，研究团队提出了一个动态渗透性模型，该模型描述了地震滑动过程中渗透性的变化过程。模型认为，地震滑动会增强裂缝的连通性，从而导致渗透性出现短暂的激增（permeability surge）。然而，在地震之后，由于岩石的压实作用和矿物化过程，断裂带会逐渐自我封闭，形成一种“后震期自我密封”机制。这一机制在一定程度上调节了流体的过压状态，并影响了地震复发的间隔时间。

这一模型的提出具有重要的理论意义。传统的断层模型往往假设渗透性是静态的，即在断层活动过程中保持不变。然而，本研究的结果表明，渗透性在地震周期中是动态变化的，受到多种地质过程的共同影响。因此，未来的断层模型需要更加注重渗透性的动态演化过程，尤其是在地震发生前后的不同阶段。这种动态模型不仅能够更准确地模拟断层带的流体行为，还可能为地震预警和灾害评估提供新的思路。

### 流体-岩石相互作用与断层演化

研究中还发现，断裂带样本中存在可溶性长石和伊利石的共存现象，这表明在碎裂过程中，流体对岩石的改变起到了关键作用。长石和伊利石的出现可能与断裂带中流体的化学作用有关，这些化学作用能够改变岩石的矿物组成，进而影响其渗透性。例如，长石的溶解可能释放出离子，促进伊利石的形成，而伊利石的网络结构则可能在一定程度上降低渗透性。

这种流体-岩石相互作用在活跃断层带中尤为明显。研究表明，活跃断层带的渗透性可能受到多种因素的影响，包括断层的变形历史、围岩的矿物组成以及断层活动的条件。在某些情况下，断层可能成为流体流动的屏障，而在另一些情况下，它可能成为流体流动的通道。这种复杂的渗透性变化使得断层在上地壳中的流体传输行为难以预测，因此需要更精细的地质调查和实验分析。

### 渗透性测量技术的局限性与突破

在过去的几十年中，科学家们已经开发出多种方法来测量岩石的渗透性，包括原位钻孔技术、实验室测量和数值模拟等。然而，这些方法在应用过程中往往存在一定的局限性。例如，原位钻孔技术虽然能够提供自然条件下的渗透性数据，但其测量结果通常是大体积岩石的平均值，无法反映复杂断层带内部的微尺度异质性。而实验室测量则提供了更高的空间分辨率和更精确的实验控制，但其测量对象通常是地表露头样本或浅层钻孔样本，这些样本在搬运过程中可能经历了应力释放，导致其渗透性与原位状态存在较大差异。

本文的研究突破了这一局限，通过深钻孔样本的分析，首次在龙门山地区对蒸发岩-碳酸盐断裂带的渗透性进行了原位测量。这不仅填补了该地区深部断层带渗透性研究的空白，也为全球范围内深部断层带的渗透性研究提供了新的范例。此外，研究中采用的PPO方法能够模拟原位应力条件下的流体流动，使得测量结果更加接近真实情况，为断层带渗透性的定量研究提供了可靠的工具。

### 研究的现实意义与未来展望

本研究的现实意义在于，它为地震灾害评估提供了新的科学依据。在地震发生过程中，流体的流动和压力变化可能对断层的滑动行为产生重要影响。例如，流体的过压状态可能会降低断层的摩擦系数，从而增加地震发生的可能性。此外，流体的流动还可能影响断层的稳定性，进而改变地震复发的间隔时间。

因此，研究断层带的渗透性不仅有助于理解地震的生成机制，还能够为地震预警系统提供关键参数。通过掌握断层带在不同压力条件下的渗透性变化，科学家们可以更准确地预测地震的发生和发展趋势。同时，这一研究也对油气资源勘探具有重要意义，因为渗透性是控制油气流动的重要因素，影响着油气的储集和运移。

未来的研究方向可能包括进一步探讨不同类型的断层带在不同地质条件下的渗透性变化规律，以及结合其他地球物理方法（如地震波传播、地磁测量等）对断层带进行多维分析。此外，研究还可能关注流体-岩石相互作用在不同地质时间尺度上的演化过程，从而揭示断层带渗透性的长期变化趋势。

### 结论与科学贡献

综上所述，本文通过对中国四川盆地龙门山前缘区域下伏三叠纪断裂带的深入研究，揭示了该区域断层带的渗透性特征及其在地震周期中的动态演化过程。研究结果表明，断裂带的渗透性不仅受到岩石结构的影响，还与矿物组成和流体作用密切相关。同时，研究还提出了一个动态渗透性模型，该模型能够更准确地描述地震滑动过程中渗透性的变化，并为地震灾害评估和流体传输研究提供了新的理论框架。

本文的研究对于推动断层带渗透性研究具有重要的科学贡献。首先，它首次在龙门山地区对深部断层带的渗透性进行了原位测量，填补了该地区深部地质结构研究的空白。其次，研究中提出的动态渗透性模型为理解地震破裂过程中的流体行为提供了新的视角，挑战了传统断层模型中对渗透性静态化的假设。最后，研究强调了在地震灾害评估中，需要综合考虑岩石的矿物组成异质性和流体的动态过程，以提高预测的准确性。

这一研究不仅具有理论价值，还具有重要的现实意义。随着全球对地震灾害的关注不断加深，对断层带渗透性的深入研究将成为地震学和地质学交叉领域的重要课题。通过结合先进的实验技术与地质调查手段，科学家们有望进一步揭示断层带在不同地质条件下的渗透性变化规律，从而为地震预警和灾害防治提供更加科学的依据。