1、日本西南部Nojima斷層的內(nèi)部構(gòu)造和滲透性原文作者:Kazuo Mizoguchi,Takehiro Hirose,Toshihiko Shimamoto, Eiichi Fukuyama摘要：我們對(duì)從Nojima斷層帶采集到的有代表性的斷層巖石及其圍巖巖石進(jìn)行了滲透性測(cè)量。Nojima斷層帶是在1995年的Kobe大地震中開(kāi)始觸發(fā)活動(dòng)的，各向的圍壓均高達(dá)180兆帕斯卡。研究結(jié)果表明，Nojima斷層帶是由一個(gè)低滲透性的斷層泥帶（在180 MPa下滲透率為10-2010-19m2）和一個(gè)高滲透性的斷層角礫巖和破碎圍巖的受損害帶（在180 MPa下滲透率為10-1810-14m2）組成。對(duì)于流

2、體流經(jīng)該斷層的情況，該斷層泥帶作為阻隔層，而周圍的破碎帶則起到流體通道的作用。這種被提出使用的滲透結(jié)構(gòu)模型的性質(zhì)與在深度為0.6和1.8公里處的Nojima斷層收集到的巖芯樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果是一致的。因此，我們提出，對(duì)于一個(gè)斷層的滲透率來(lái)說(shuō)，從暴露地表的斷層巖石測(cè)量得到的結(jié)果可以用來(lái)代表此斷層深度直至2公里處的結(jié)果?；谝呀?jīng)得到的滲透率的數(shù)據(jù)，我們也對(duì)Kobe地震中發(fā)生在Nojima斷層上的熱增壓的可能性進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)Kobe地震中的摩擦生熱會(huì)導(dǎo)致在深度4公里以下的孔隙壓力有所增加，從而進(jìn)一步導(dǎo)致作用于斷層的摩擦阻力有顯著的減少。關(guān)鍵詞：Nojima斷層；滲透性；地表樣品；熱增壓1. 引

3、言在模擬流體在巖石中的流動(dòng)時(shí)，滲透性是一個(gè)很重要的液壓參數(shù)。結(jié)晶巖石和沉積巖的滲透性已經(jīng)緊張的測(cè)試了近一個(gè)世紀(jì)(Schon,1996)，且沿天然斷層分布的斷層相關(guān)巖石的資料也于近期報(bào)道出來(lái)(Evans et al., 1997; Seront et al., 1998; Kitagawa et al.,1999; Lockner et al., 2000; Wibberley and Shimamoto, 2003; Tsutsumi et al., 2004;Uehara and Shimamoto, 2004)。流體（例如：水）對(duì)斷層性能的影響與地震活動(dòng)(Healy et al., 196

4、8; Ohtake, 1974; Zoback and Harjes, 1997)以及地震斷層運(yùn)動(dòng)伴生的熱增壓(Sibson, 1973; Lachenbruch, 1980; Mase and Smith,1985, 1987)密切相關(guān)?；趶淖匀粩鄬荧@取的有關(guān)滲透率的數(shù)據(jù)(Noda and Shimamoto,2005; Wibberley and Shimamoto, 2005; Bizzarri and Cocco, 2006a,b; Rice, 2006)，最近關(guān)于熱增壓的分析已經(jīng)引起極大的關(guān)注，因?yàn)槠錂C(jī)制可以用來(lái)解釋地震活動(dòng)中觀察到的斷層的動(dòng)態(tài)弱化行為。這種行為在實(shí)驗(yàn)室條件下的摩擦

5、試驗(yàn)中是難以觀察到的。因此，它對(duì)于調(diào)查自然斷層的滲透構(gòu)造是非常重要的。滲透率通常用以下三種方法中的一種進(jìn)行測(cè)量：(1)用鉆孔進(jìn)行的原地注水試驗(yàn)；(2)巖芯樣品的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)；(3)地表露頭樣品的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。原地測(cè)量提供了研究區(qū)環(huán)境溫度和壓力條件下的滲透率數(shù)據(jù)。然而，在這種情況下得到的滲透率代表的是鉆孔周圍數(shù)百米范圍體積的巖石的平均值。因此，當(dāng)斷層包含有一個(gè)復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，如含有一個(gè)斷層核部、一個(gè)斷裂帶和周圍的圍巖，實(shí)地測(cè)量用于鑒定斷層滲透結(jié)構(gòu)時(shí)就會(huì)有其局限性(Caine et al.,1996)。在這種情況下，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)會(huì)是一個(gè)更合適的方法。為了調(diào)查深部斷層的滲透性，有必要對(duì)從深處獲得的巖樣進(jìn)

6、行滲透率測(cè)量。然而，大多數(shù)測(cè)量都是用地表露頭的巖樣進(jìn)行的，因?yàn)樗鼈兛梢砸院艿偷膬r(jià)格輕而易舉地得到。使用地表巖樣可以對(duì)各種條件（例如：溫度、壓力、變形）下的滲透特性進(jìn)行精確測(cè)量，但是，地表巖樣可否用于調(diào)查深部斷層的滲透結(jié)構(gòu)仍然需要進(jìn)一步的確定。盡管已經(jīng)對(duì)結(jié)晶巖石的深處巖樣和地表巖樣滲透率進(jìn)行了比較(Morrow and Lockner, 1994)，但對(duì)于斷層相關(guān)巖石，這種研究還有待于進(jìn)一步開(kāi)展。在目前的研究中，我們描述了從兩處露頭觀察到的日本西南部Nojima斷層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(Funaki and Hirabayashi; 圖 1)，并對(duì)此區(qū)段的斷層相關(guān)巖石在高壓和室溫下進(jìn)行了滲透率測(cè)量。Noj

7、ima斷層是在1995年的Hyogo-ken Nanbu (Kobe)地震中被啟動(dòng)的，震源深度為16.0公里。地震之后，實(shí)施了一個(gè)橫穿斷裂帶的鉆井項(xiàng)目，通過(guò)鉆孔注水試驗(yàn)(e.g., Kitagawa et al., 1999)和巖心樣品的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定(Lockner et al., 2000)對(duì)斷裂帶的滲透性進(jìn)行了測(cè)量。通過(guò)將我們的結(jié)果與前人的研究對(duì)比，我們可以論證，在推測(cè)深部斷層帶的滲透結(jié)構(gòu)性質(zhì)時(shí)地表巖樣的使用具有其有效性?；谝训玫降臐B透率資料，我們還對(duì)Kobe地震中作用于Nojima斷層的熱增壓的可能性進(jìn)行了研究。2. 地質(zhì)背景Nojima斷層長(zhǎng)約9公里，近北東南西走向，向東南方向陡傾，沿

8、日本西南部的Hyogo區(qū)的Awaji島邊緣伸展。形成了Rokko-Awaji斷裂系統(tǒng)（一條長(zhǎng)約60公里的斷層活動(dòng)帶）的一部分。(e.g., Huzita, 1967, 1969)(圖1)。從地質(zhì)學(xué)上講，斷裂發(fā)生的地區(qū)主要由白堊紀(jì)的花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖組成，上覆有中新世的Kobe組（砂、礫、砂質(zhì)泥）和上新世更新世的Osaka組（粉砂粘土、砂、礫）。Nojima斷層的東部隆起，將花崗質(zhì)巖石帶入斷裂，與上覆沉積物相接觸。依據(jù)從鉆井資料構(gòu)建出的垂直地質(zhì)橫剖面估算，總的垂直遷移至斷層之上的第四系約500米(Murata et al., 1998)。圖1 Awaji島上的活動(dòng)斷層圖以及沿Nojima斷層跡線

9、的地質(zhì)圖（據(jù)Awata和Mizuno,1998）在當(dāng)前研究中分析的Nojima斷層露頭位于Hirabayashi 和Funaki (圖1)。在Hirabayashi，與1995年Kobe地震相關(guān)的地表斷層斷裂紀(jì)錄的最大橫向和垂直位移分別為2.0和1.4米 (Awata and Mizuno, 1998)。在斷層的西南部，地表斷層破裂于Nashimoto產(chǎn)生分叉。支斷層在Funaki附近終止，記錄的水平和垂直位移分別為0.08和0.06米。3. Nojima斷裂帶的構(gòu)造3.1 Funaki露頭在Funaki，Nojima斷裂帶的東南部由一條斷層泥帶（約0.10.15米寬），一條斷層角礫巖帶（約2

10、米寬），和斷裂的花崗圍巖組成(圖2)。在斷裂帶的西北部，Osaka組的礫巖走向平行于斷層，向西傾約40°。礫巖中的層理面沿著被粘土質(zhì)斷層泥灌注的較小斷裂發(fā)生錯(cuò)斷。礫巖與斷層泥帶的接觸高度不整合。斷層泥帶與角礫巖帶的接觸清晰而水平。角礫巖帶與破碎花崗巖之間的接觸是漸變的。圖2 Funaki地區(qū)槽溝中的北（上）盤(pán)和南（下）盤(pán)素描圖，槽溝深約2米，走向和傾向如下：N1,N64E61S;N23W80W;N3,N83W59S;S,N81W61S,斷層角礫巖帶中未標(biāo)注的區(qū)域?yàn)榻堑[巖雜基斷層泥帶是由弱的薄層狀淡灰綠色粘土質(zhì)斷層泥組成(圖3a)。圍巖的構(gòu)造已經(jīng)被斷層泥帶沖刷掉了痕跡，結(jié)構(gòu)主要是雜基支

11、撐。葉理由粘土礦物的優(yōu)選方向和帶色的條紋界定。條紋沿里德?tīng)柤羟蟹较蝈e(cuò)斷，記錄了一個(gè)由頂部向右遷的剪切指向。斷層泥由0.050.25毫米粒級(jí)的棱角到次棱角狀的石英、堿性長(zhǎng)石以及斜長(zhǎng)石碎屑組成。雜基顆粒則是石英和粘土礦物（蒙脫石、高嶺石等）占優(yōu)勢(shì)。角礫巖帶包括一部分花崗巖質(zhì)角礫巖和一部分細(xì)小的雜基。圍巖的中型構(gòu)造在花崗質(zhì)角礫巖部分中被保留，而不是在雜基部分中。此帶的顯微構(gòu)造以相關(guān)的較大花崗巖碎屑被微裂隙網(wǎng)絡(luò)環(huán)繞為特征(圖3b)。角礫巖雜基中微裂隙的密度和寬度要比花崗質(zhì)角礫巖中的大。在破碎的花崗巖中，圍巖的構(gòu)造是完整的，而且在礦物顆粒中，粒內(nèi)或粒間的裂隙很明顯。裂隙和微裂縫的密度朝斷層方向呈增長(zhǎng)趨勢(shì)

12、。圖3 Funaki露頭處灰綠色粘土質(zhì)斷層泥（a），斷層角礫巖（b），破碎花崗巖（c），花崗巖（d）樣品微觀照片。（a）：交叉偏光；（b-d）：平面偏振光。Qz：石英，Bt：黑云母，Kf：堿性斜長(zhǎng)石，Pl角閃石。箭頭表示里德?tīng)柤羟袊鷰r（Toshigawa花崗巖），主要由石英、斜長(zhǎng)石、堿性長(zhǎng)石組成，以及少量普通角閃石和黑云母。粒間裂隙在這些顆粒中很少見(jiàn)(Mizuno et al., 1990) (圖3d)。長(zhǎng)石呈乳白色，石英相對(duì)較透明，普通角閃石和黑云母顆粒散布在較大的石英和長(zhǎng)石晶體之間。用于滲透率測(cè)量的巖樣是從一條挖掘溝道的斷層泥帶、斷層角礫巖帶、破碎花崗巖帶中采集的。破碎花崗巖樣是從距斷層跡

13、線10米處采集的，新鮮花崗巖（圍巖）是從距斷層跡線100米處采集到的（見(jiàn)表格1）。表格一 Nojima斷裂帶斷層巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果概要3.2 Hirabayashi露頭如同在Funaki的露頭一樣，Nojima斷層在Hirabayash的露頭也有三個(gè)帶組成：一條斷層泥帶（0.50.95米寬），一條斷層角礫巖帶（約2米寬）以及破碎的花崗閃長(zhǎng)巖質(zhì)圍巖(圖4)。Osaka組的砂巖見(jiàn)于斷層的西北部。斷層泥帶由四種斷層泥組成：一條寬約0.050.8 米的褐色斷層泥帶、寬約0.030.1米的深褐色粘土質(zhì)斷層泥、寬約0.10.15米的灰色斷層泥帶以及寬約0.10.15米的灰藍(lán)色斷層泥帶。不同類型的斷層泥其厚度沿?cái)鄬?/p>

14、發(fā)生變化。斷層泥的顏色說(shuō)明：褐色和深褐色的粘土質(zhì)斷層泥源于砂巖，而灰色和灰藍(lán)色的斷層泥源于花崗閃長(zhǎng)巖。深褐色粘土質(zhì)斷層泥中的葉理是通過(guò)白色條紋的粗粒的長(zhǎng)英質(zhì)碎屑以及粘土礦物優(yōu)選方位界定的(圖5a)。褐色斷層泥包含有弱的葉理，由雜基中的黑色條紋界定(圖5b)。圍巖砂巖顯示出一種碎屑支撐的結(jié)構(gòu)，沒(méi)有明顯的層理(圖5c)。槽溝南部灰色斷層泥中的黑色巖層經(jīng)報(bào)道為假玄武巖玻璃(Otsuki et al.,2003)。然而，槽溝北部地層包含的是花崗巖質(zhì)碎裂巖，而不是黑色巖層?；疑珨鄬幽嘀械乃樾家绕渌麛鄬幽嘀械男∏覕?shù)量也少得多(圖5d)。雜基顆粒非常細(xì)小，這一特性意味著用光學(xué)顯微鏡在交叉的偏振光下觀察時(shí)，

15、它會(huì)呈現(xiàn)黑色。圖4 （a）Hirabayashi露頭區(qū)自西南方向觀察圖 （b）Nojima斷層在HiHirabayashi區(qū)斷層巖分布圖圖5 Hirabayashi露頭區(qū)巖樣微觀圖（a）暗褐色粘土質(zhì)斷層巖；（b）褐色斷層巖；（c）砂巖；（d）灰色斷層巖；（e）花崗巖質(zhì)碎裂巖；（f）灰藍(lán)色斷層泥；（g）斷層角礫；（h）破碎花崗閃長(zhǎng)巖（a）：交叉偏振光；（b-h）平面偏振光在花崗質(zhì)碎屑巖中，圍巖的原始結(jié)構(gòu)可以被中尺度的保存下來(lái)，然而原始結(jié)構(gòu)中的顯微結(jié)構(gòu)沒(méi)有保存下來(lái)(圖5e)。葉理可通過(guò)雜基中的帶色條紋以及在碎屑流中被排列成行的破碎顆粒來(lái)界定?；液谏珨鄬幽嘀械娜~理可通過(guò)雜基中薄而延伸的暗色礦物巖層來(lái)

16、界定(圖5f)。在角礫巖帶，圍巖的中型構(gòu)造不可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)主要以大碎屑中充填細(xì)小雜基為特征(圖5g)。在破碎花崗閃長(zhǎng)巖中，圍巖的構(gòu)造被保留，且大量斷裂被細(xì)小的破碎顆粒充填(圖5h)。用于滲透性測(cè)量的巖樣采集于槽溝中的斷層泥帶、斷層角礫巖帶和破碎的花崗巖帶。另外，巖樣GR118 (見(jiàn)表格1)是從破碎花崗閃長(zhǎng)巖帶中的一個(gè)微型剪切帶采集的。4. 實(shí)驗(yàn)步驟滲透性測(cè)量是對(duì)兩處露頭的斷層泥、斷層角礫巖、破碎花崗巖巖樣實(shí)施的。對(duì)于易碎的斷層泥，柱狀巖樣是通過(guò)將一銅管（內(nèi)徑約20毫米）或不銹鋼管（內(nèi)徑約25毫米）敲入露頭得到的。對(duì)于堅(jiān)硬的巖石，柱狀巖樣是在實(shí)驗(yàn)室取芯的。所有柱狀巖樣的軸都與以下三個(gè)方向的其中之一相

17、一致。方位一平行于斷層面的滑動(dòng)方向；方位二平行于斷層面且垂直于其滑動(dòng)方向；方位三垂直于斷層面。在進(jìn)行滲透性測(cè)試時(shí)，首先要將柱狀巖樣（直徑為2025毫米，長(zhǎng)為530毫米）置于85下烘干至重量不再發(fā)生變化（重量最多可損失25）。實(shí)驗(yàn)是在日本的Kyoto大學(xué)里進(jìn)行的，采用一個(gè)高溫高壓變形裝置和氣體流動(dòng)裝置(圖6)。在每一實(shí)驗(yàn)中，巖樣均被置于高、低活塞之間，活塞上有洞，可以促使流體從孔洞中流入及流出巖樣。巖樣的末端用多孔的黃銅質(zhì)隔離片包住，以消除流體在這些路徑網(wǎng)中流動(dòng)時(shí)造成的擾亂。巖樣被套上一個(gè)厚2毫米的熱收縮聚烯烴管，將孔隙流體與圍巖介質(zhì)分開(kāi)。壓力容器中圍巖介質(zhì)有兩個(gè)通道(圖6)。較低通道中的圍巖介

18、質(zhì)不僅使巖樣增壓，還作用于上方的活塞，使其向上運(yùn)動(dòng)。圍巖介質(zhì)以相等的力往下壓活塞，以抵消此向上運(yùn)動(dòng)。滲透性測(cè)量是在室溫下進(jìn)行的，以氮?dú)庾鳛榭紫读黧w，采用流體流速法和孔隙壓力擺動(dòng)法(Kranz et al., 1990; Fischer and Paterson, 1992; ASTM D4525-90, 2001)。前一種方法測(cè)得的孔隙壓力(Pp)小于1 Mpa，而后種方法測(cè)得的孔隙壓力則保持在20 Mpa左右。對(duì)于低滲透率的巖樣（斷層泥及未破碎的花崗巖），圍壓(Pc)可達(dá)110 Mpa。而高滲透率的巖樣（角礫巖和破碎花崗巖），圍壓可達(dá)200 Mpa。前種巖樣在110 Mpa下的滲透率與用我們

19、的方法測(cè)得的下限(10-2010-19 m2)相接近。圖6 本研究采用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖WR,HV,DPT,和SLM在當(dāng)前的滲透率測(cè)試中未使用，F(xiàn)MS勇于測(cè)量流體在巖樣中的流動(dòng)速率，PCS勇于震蕩上有容器中的孔隙壓力5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果將所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)于表格一中，圖7顯示了一種滲透性在巖樣中作為有效壓力(Pe)的功能。Pe等于PcPp。當(dāng)Pe增大到180 Mpa時(shí)，滲透率急劇下降。沿壓力減小的路徑，當(dāng)Pe由180 Mpa減小到50 Mpa時(shí)，滲透率出現(xiàn)輕微的上升；當(dāng)Pe接近10 Mpa時(shí)，滲透率急劇上升。沿壓力減小的方向測(cè)得的滲透率值要小于沿加壓方向測(cè)得的值。在加壓和減壓中所測(cè)得的壓力滲透率資料可以用

20、一個(gè)等式表達(dá)出來(lái)，kA PeB，k代表滲透率；A是Pe等于0 Mpa時(shí)的滲透率；B是固定值，用于具體說(shuō)明當(dāng)Pe升高時(shí)K減小的速率（圖7中的虛線）。A和B的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表格一。實(shí)驗(yàn)顯示從兩處露頭采集的巖樣所測(cè)滲透率相似，如下文所述。圖7 Funaki（a和b）以及Hirabayashi（C）區(qū)的斷層巖、圍巖滲透性和有效壓力關(guān)系圖，箭頭表示壓力循環(huán)路徑；虛線是加壓和減壓路徑中壓力以來(lái)的滲透率的最小平方（依據(jù)一個(gè)權(quán)威公式）當(dāng)Pe由10升至180Mpa時(shí)，斷層泥的滲透率（圖7中a、c的實(shí)心符號(hào)）比其他巖樣的下降速度快，在46個(gè)數(shù)量級(jí)之間。當(dāng)Pe為180 Mpa時(shí)，可達(dá)10-2010-19 m2。粘土質(zhì)斷

21、層泥（淡灰綠色粘土質(zhì)斷層泥和暗褐色粘土質(zhì)斷層泥）在所測(cè)的斷層泥中滲透率最低（在Pe180Mpa時(shí)，小于10-19 m2）。在減壓過(guò)程中，斷層泥趨于記憶它們?cè)谧罡逷e時(shí)的滲透率值。在減壓路徑中，斷層泥在Pe180Mpa時(shí)的滲透率要比在靜水壓力載荷中小3個(gè)數(shù)量級(jí)。垂直于葉理的巖心樣品(GR049)的滲透率與平行葉理的巖樣滲透率相似。當(dāng)Pe從10Mpa增大到180Mpa時(shí)，斷層角礫巖的滲透率（圖7a中的空心符號(hào)和圖7c中的灰色符號(hào)）減小了13個(gè)數(shù)量級(jí)。在180Mpa時(shí)，達(dá)到10-1710-14 m2 。從Funaki的斷層角礫巖帶采集的巖樣中，斷層角礫巖巖樣顯示出的變化程度比斷層泥巖的大?；◢徺|(zhì)角礫

22、巖的滲透性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于角礫巖雜基的。破碎花崗巖的滲透率（圖7b中的空心符號(hào)）與斷層角礫巖一樣，對(duì)壓力的反應(yīng)很遲鈍，在Pe180Mpa時(shí)，為10-1810-16 m2 。從距離斷層3米處采集的巖樣要比從距10米處采集的滲透率高很多。破碎巖樣(GR118)的滲透率類似于斷層泥巖樣的滲透率。從顯微構(gòu)造上來(lái)說(shuō)，巖樣GR118主要是雜基支撐，圍巖構(gòu)造已無(wú)法辨認(rèn)。這些現(xiàn)象表明，巖樣采于斷層泥，位于斷裂帶中發(fā)育的一個(gè)次級(jí)斷層中。未破碎的花崗巖（圖7b中的實(shí)心符號(hào)）對(duì)壓力也不敏感，在Pe90Mpa時(shí)，記錄的滲透率為10-20 m2 。砂巖的滲透率（圖7c中的空心正方形符號(hào)）對(duì)壓力的反應(yīng)相當(dāng)遲鈍，在Pe180Mp

23、a時(shí)，約10-16 m2 。粘土質(zhì)斷層泥(GR035)和角礫巖雜基(GR056)的滲透率是在兩個(gè)周期的圍壓之上測(cè)量的（圖8）。在第一個(gè)和第二個(gè)未圍限的路徑中測(cè)得的滲透率基本上沒(méi)有差別。因此，周期性壓力的作用在這個(gè)測(cè)試中不是很明顯。此結(jié)果表明，巖樣在圍壓達(dá)到最大值時(shí)發(fā)生的是彈性變形。6.解釋說(shuō)明6.1 微構(gòu)造與滲透性之間的關(guān)系對(duì)Nojima斷裂帶中的三種斷層相關(guān)巖石（斷層泥、斷層角礫巖、斷裂花崗巖）的細(xì)微觀察結(jié)果表明：每種類型的巖石具有不同類型微孔洞（裂縫、孔隙），作為流體流動(dòng)的通道。在破碎的花崗巖中，以粒內(nèi)和粒間裂隙為主（圖3c）。而在斷層泥中被塞滿的礦物格架里則含有孔隙和氣孔（圖3a和圖5a

24、,b,d,e,f）。斷層角礫巖中不僅包含大碎屑中的裂縫，還有細(xì)粒雜基中的孔隙（圖3b和圖5g）。圖8 對(duì)粘土質(zhì)斷層泥和角礫巖質(zhì)雜基進(jìn)行循環(huán)壓力測(cè)試時(shí)所得到的滲透性資料圖。三角形代表粘土質(zhì)斷層泥（GR035），圓圈代表角礫巖質(zhì)雜基（GR056），滲透性起到有效壓力的作用；空心符號(hào)代表第一循環(huán)，實(shí)心符號(hào)代表第二循環(huán)。這兩種類型的微孔洞對(duì)于控制斷裂帶的流體流動(dòng)起重要作用。本研究結(jié)果顯示，盡管三種類型的巖石在低Pe時(shí)具有相近的高滲透率，但斷層泥帶在Pe升高時(shí)所出現(xiàn)的滲透率下降的現(xiàn)象是與斷層角礫和破碎花崗巖有關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)表明，裂縫對(duì)壓力變化的敏感度要小于對(duì)孔隙變化的敏感度。然而，貫穿Nojima斷裂帶的

25、流體流動(dòng)的活動(dòng)通道，在淺地表處有孔隙和裂縫，在深處卻只有裂縫。6.2 地表的滲透構(gòu)造Nojima斷裂帶在Funaki的滲透構(gòu)造見(jiàn)圖9。暴露于Funaki槽溝中的Osaka組礫巖的滲透率未被測(cè)量，因?yàn)槲覀冸y以采集到原始狀態(tài)的巖樣。斷層泥和花崗質(zhì)圍巖的滲透率很低，小于10-19 m2，阻止流體穿越斷層，此結(jié)果與先前研究報(bào)道的斷層泥巖樣滲透率測(cè)量結(jié)果一致(Chu et al., 1981; Morrow et al.,1981, 1984; Faulkner and Rutter, 2000; Wibberley and Shimamoto, 2003)。相反的，斷層角礫巖帶和破碎花崗巖質(zhì)圍巖具有較

26、高的滲透（10-1810-14m2），起到流體通道的作用。這樣，斷裂帶就具有一個(gè)各向相異的滲透構(gòu)造，平行于斷層的高滲透率，垂直于斷層的低滲透率。這一發(fā)現(xiàn)表明，流體趨于平行斷層運(yùn)移，而不是穿越斷層，如同先前關(guān)于其他斷層的報(bào)道(e.g., Evans et al., 1997; Seront et al., 1998; Wibberley and Shimamoto, 2003; Tsutsumi et al., 2004)。圖9 Funaki（a）以及Hirabayashi（b）區(qū)Nojima斷層的滲透構(gòu)造圖在Pe=90Mpa時(shí)的滲透性作為遠(yuǎn)離斷層軌跡的作用。用灰色圓圈表示的樣品滲透率大于10-

27、14m2，用空心圓圈表示的樣品滲透率小于10-20m26.3 地表巖樣、巖心巖樣以及原地測(cè)量的滲透率結(jié)果比較自1995年Kobe大地震之后，Kyoto大學(xué)的災(zāi)難預(yù)防研究所(DPRI)在Funaki地區(qū)打了三口鉆井，深度分別為500、800、1800米。另外，日本的地球科學(xué)與災(zāi)難預(yù)防研究所(NIED)以及日本的地質(zhì)勘查局(GSJ)也分別在Hirabayashi地區(qū)的1838、747米處打了鉆井，接近于Nojima斷層的中心部分。GSJ打得鉆井在624米處橫切Nojima斷層，NIED的鉆井在1140、1320及1800米處橫切與斷層相關(guān)的變形帶。斷裂帶被鉆井橫切的地方，上下兩盤(pán)均由花崗閃長(zhǎng)巖組成

28、， 有一個(gè)很窄 的富粘土的或細(xì)粒的核部和由極破碎巖石組成的周圍破碎帶(Lockner et al., 2000)。他們用水作為孔隙流體，測(cè)量了從GSJ和NIED鉆孔處采集來(lái)的核部巖石的滲透率，所得到的斷層核部滲透率值在Pe50Mpa時(shí)為10-1910-18 m2。這一值與當(dāng)前研究的地表粘土質(zhì)斷層泥（Funaki的灰綠色粘土質(zhì)斷層泥和Hirabayashi的暗褐色粘土質(zhì)斷層泥）的值相似。斷裂帶深處的滲透率在Pe50Mpa時(shí)為10-1710-16 m2 ，與我們估計(jì)的地表破碎花崗巖帶的值相近，但比地表斷層角礫巖的滲透率小2個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，值得注意的是，Lockner et al. (2000)的結(jié)

29、果是以水作為孔隙流體得到的，而今我們是以氣體作為孔隙流體。氣體的滲透率要比水的滲透率高，對(duì)于富粘土的巖石所差最大值是一個(gè)數(shù)量級(jí)(Brace et al., 1968; Faulkner and Rutter,2000; Tanikawa and Shimamoto, 2006)?？紤]到兩次研究中因所選孔隙流體不同而引起的滲透率差異，地表的最低和最高滲透帶的滲透率比在深處的分別低一個(gè)數(shù)量級(jí)和高一個(gè)數(shù)量級(jí)。Nojima斷層在地表的滲透構(gòu)造，由一個(gè)不滲透帶環(huán)以高滲透帶組成，與所估計(jì)的深處的相一致。需要強(qiáng)調(diào)的是，兩次研究中報(bào)道的一個(gè)數(shù)量級(jí)的滲透率差異存在于沿?cái)鄬拥拿恳粭l帶。這也暗示地表的滲透結(jié)構(gòu)與深處

30、的存在很大的一致性。許多先前的原地測(cè)量的研究報(bào)道中，Nojima斷裂帶在深度從0.5增加到3千米時(shí)，滲透率近似的由10-12降至10-16 m2(Kitagawa et al., 1999; Kiguchi et al.,2001; Murakami et al., 2001; Tadokoro et al., 2001)。假定為靜水壓力，這一深度區(qū)間與10到45Mpa范圍的有效壓力相對(duì)應(yīng)。在這些低壓條件下的實(shí)驗(yàn)中，我們得到的斷層角礫和破碎花崗巖帶的滲透率值為10-1610-13 m2。即使考慮到孔隙流體的作用，原地實(shí)驗(yàn)的結(jié)果仍可通過(guò)流體流過(guò)斷層角礫巖帶和破碎花崗巖帶來(lái)解釋?；谒涗浀馁Y料和

31、巖樣，對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)結(jié)果與先前的進(jìn)行比較，結(jié)果表明，Nojima斷層的地表滲透率與深處的相似。據(jù)此，我們可以通過(guò)分析地表巖樣來(lái)估測(cè)一條斷層深達(dá)幾千米處的滲透率。這表明先前研究報(bào)道的其他斷層的滲透率(e.g., Evans et al., 1997; Seront et al., 1998; Wibberley and Shimamoto,2003; Tsutsumi et al., 2004)可以可靠的用于推斷深達(dá)2千米處的滲透率。對(duì)于Nojima斷層來(lái)說(shuō)，用地表巖樣所的巖樣討論淺地表處滲透構(gòu)造的空間差異性也許是可能的。然而，地表巖樣所得資料在用于推斷地震帶中斷層深處（10千米）滲透性時(shí)是否有用還

32、未確定，這將與地震發(fā)生過(guò)程的研究有關(guān)。未來(lái)必須鉆一口穿過(guò)斷層的深鉆井。它也許可以測(cè)試出可用地表巖樣進(jìn)行滲透率分析的深度極限。6.4 Nojima斷層的熱增壓我們這里要用本研究中所得到的滲透構(gòu)造作依據(jù)，檢測(cè)在Kobe大地震中發(fā)生在Nojima斷層上的熱增壓的可能性。我們期望低滲透率的斷層泥能阻止水被從斷層泥帶逃逸所產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦加熱。從而導(dǎo)致孔隙壓力的升高，作用于斷層上的剪切力減弱，轉(zhuǎn)而造成與高滑動(dòng)速率相關(guān)的動(dòng)態(tài)弱化。在垂直與斷層方向上，我們考慮了一個(gè)一維的熱體流和流體流模式。在此模式中起重要作用的三個(gè)參數(shù)分別是：水力擴(kuò)散系數(shù)(Dh)，熱增壓系數(shù)()和熱增壓的特征時(shí)間（）。其中k是斷層泥的滲透率，是流體的動(dòng)態(tài)粘度，c是斷層泥的存儲(chǔ)能力，是斷層泥的孔隙度，w是水的熱膨脹系數(shù)，m是礦物的熱膨脹系數(shù)，sf是孔隙介質(zhì)的熱膨脹系數(shù)，是巖石密度,C是巖石的具體受熱能力，W0.5是斷層泥帶的寬度的一半，V是相關(guān)的滑動(dòng)速度(Lachenbruch,1980;Mase and Smith,1987; Wibberley and Shimamoto,2005)。如果水力擴(kuò)散長(zhǎng)度Lh=(Dh)1