丁莉莎，謝劍波，黃 暉，吳華燈，廖一帆，葉世山，盧子晉，勞 謙，呂仲杭，陳建濤

（廣東省地震局，廣州 510070）

0 引言

新興科學(xué)深井鉆探領(lǐng)域順應(yīng)地球深部探測科學(xué)研究的需要，為地學(xué)研究提供真實(shí)的地下資料和地球物理解釋，進(jìn)而為評估深部礦產(chǎn)資源及減災(zāi)防災(zāi)提供科技支撐，但是由于堅(jiān)硬的地殼和地球內(nèi)部高溫高壓使得該領(lǐng)域成為世界上最艱難的科學(xué)大工程之一，視為項(xiàng)目承擔(dān)國家的經(jīng)濟(jì)、科技、工業(yè)及人才實(shí)力的綜合。我國從2001 年實(shí)施的中國第一口大陸科學(xué)鉆探（5158 m）開始，相繼開展了青海湖環(huán)境科學(xué)鉆探、松遼盆地白堊紀(jì)科學(xué)鉆探、柴達(dá)木鹽湖環(huán)境資源鉆探、中國大陸科鉆資源集成計(jì)劃等，逐漸由科鉆弱國走向科鉆強(qiáng)國的歷程也與世界各國各具特色的科學(xué)深井鉆探發(fā)展息息相關(guān)，都秉承以科學(xué)研究為目的，均對鉆井技術(shù)及地質(zhì)環(huán)境因素進(jìn)行反復(fù)研究和論證。

回顧世界深井鉆探項(xiàng)目的歷史，第一個(gè)科學(xué)鉆探計(jì)劃始于20 世紀(jì)中葉大洋科學(xué)鉆探—“莫霍鉆探計(jì)劃”（Mohole Project）；1957 年美國在墨西哥西岸瓜達(dá)盧佩海灣實(shí)施5 口鉆井，實(shí)現(xiàn)了人類第一次從洋底用鉆探方法獲取玄武巖樣品。在此之后，美國科學(xué)基金會等機(jī)構(gòu)于1966 年資助實(shí)施深海鉆探計(jì)劃（DSDP），后逐漸發(fā)展成多國參與的國際性計(jì)劃，該項(xiàng)目在世界各大洋完成鉆孔1092 口，取得巖心超過9500m；驗(yàn)證了大陸漂移和海底擴(kuò)張學(xué)說。1985年，大洋鉆探計(jì)劃（ODP）開始運(yùn)作，1998年，我國正式加入ODP，成為ODP 歷史上第一個(gè)“參與成員”。2003 年，綜合大洋鉆探計(jì)劃（IODP）在DSDP 和ODP 基礎(chǔ)上建立，定位為地球、海洋和生命的綜合研究；我國于2004 年加入綜合大洋鉆探計(jì)劃（IODP）。

大陸鉆探計(jì)劃始于20 世紀(jì)70 年代，與大洋鉆探相比較晚，1970 年前蘇聯(lián)地質(zhì)部在科拉半島實(shí)施科學(xué)鉆探，其中SG-3 井最為著名，孔深12 261 m；1987 年至1994 年德國于Windischeschenbach 鎮(zhèn)進(jìn)行了KTB鉆探項(xiàng)目；1996年2月，德國、美國和中國作為第一批成員，發(fā)起了國際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃（ICDP）。目前，ICDP 已經(jīng)實(shí)施了湖泊、隕石撞擊和生物滅絕事件、研究火山和地?zé)?、斷層帶等幾十個(gè)科學(xué)鉆探項(xiàng)目，而我國已成功申請到“大別—蘇魯”大陸超深鉆、中國環(huán)境科學(xué)鉆探青海湖工程、科鉆一井和二井工程、汶川地震斷裂科學(xué)鉆探等多項(xiàng)ICDP 項(xiàng)目，在大陸科學(xué)鉆探領(lǐng)域方面取得令人矚目的成績[1-3]。

科學(xué)鉆探不僅直接采取巖石圈地殼巖心進(jìn)行測試研究，還利用鉆孔深井設(shè)置儀器，在無地面干擾環(huán)境下進(jìn)行長期觀測，可以得到來自地球內(nèi)部的客觀真實(shí)信息，進(jìn)而研究地球深部構(gòu)造與巖石圈運(yùn)動(dòng)，通過深入巖石圈的深井地震、地球物理觀測儀器長期直接觀測，可以揭示大陸地殼深部的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造，探索地下深部應(yīng)力、地球物理狀態(tài)與變化，監(jiān)測地震活動(dòng)，揭示地震發(fā)生規(guī)律，觀察研究全球性環(huán)境變化與變遷等多學(xué)科研究，其觀測研究成果將為解決人類社會發(fā)展所面臨的環(huán)境、資源、災(zāi)害問題開拓嶄新的途徑。

1 斷層深部鉆探最新國際進(jìn)展

2013年ICDP科學(xué)會議提議，未來十年ICDP將重點(diǎn)放在斷層鉆探主題上，研究方向?yàn)榈卣鹑绾纬珊撕蛡鞑?為什么他們會停止？是什么控制了地震的頻率和大小?斷層滲透率和流體壓力在地震中如何變化?在地震周期中應(yīng)力是如何變化的[4]？事實(shí)上，世界各地已開展了多個(gè)斷裂帶鉆探項(xiàng)目（如野島、圣安第斯斷層、車籠埔斷層、汶川、阿爾卑斯斷層、柯林斯灣、南海海槽、日本海溝、哥斯達(dá)黎加）[4]。

汶川地震斷裂科學(xué)鉆探工程計(jì)劃（WFSD）是世界上最早回應(yīng)大地震的科學(xué)鉆探，旨在對汶川大地震和復(fù)發(fā)微地震的源區(qū)——龍門山“北川—映秀”斷裂及龍門山前緣安縣—灌縣斷層旁側(cè)先后實(shí)施4口科學(xué)群鉆（1200～3000 m）。截止到2016 年，作為我國預(yù)期實(shí)現(xiàn)井中地震監(jiān)測和提高預(yù)報(bào)能力的第二大深孔長期地震觀測站對汶川地震機(jī)制及龍門山隆升機(jī)制等研究取得了顯著的成果[3]。

針對國內(nèi)外各種科學(xué)深井鉆探技術(shù)對比分析并結(jié)合我國實(shí)際使得我國斷層鉆探項(xiàng)目方興未艾，煥發(fā)勃勃生機(jī)；因此本文對日本、美國及南非的斷層深部鉆探項(xiàng)目的近期相關(guān)成果進(jìn)行了簡要梳理。

1.1 日本南海海槽孕震帶實(shí)驗(yàn)

國際大洋科學(xué)鉆探（IODP）的日本南海海槽孕震 帶 實(shí) 驗(yàn) Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment（NanTroSEIZE）于2007年9月至2008年2月于chikyu 開始第一階段的鉆探研究，如圖1 所示，該項(xiàng)目首次嘗試對俯沖帶內(nèi)的板塊邊界斷層或大型逆沖斷層的孕震部分進(jìn)行鉆孔、取樣和儀器檢測；可以通過活動(dòng)斷層的內(nèi)部進(jìn)行孕震過程監(jiān)測和新斷裂帶取樣，這對理解地震力學(xué)是非常重要的；經(jīng)過長達(dá)十年的一系列國家和國際研討會，研究者們一致認(rèn)為日本南海海槽是嘗試鉆探和監(jiān)測發(fā)震板塊界面的理想場所[5]。

圖1 NanTroSEIZE第一期鉆探地點(diǎn)，星號為大震震中[5]Fig.1 Location of sites drilled during the three expeditions of NanTroSEIZE Stage 1

NanTroSEIZE 科學(xué)計(jì)劃的根本目標(biāo)是鉆進(jìn)、取樣，然后對巨型逆沖系統(tǒng)的抗震和發(fā)震區(qū)的斷層進(jìn)行儀器安裝；涉及在Kii 半島附近從板塊界面的淺部起裂到發(fā)生地震滑移和閉鎖深部的幾個(gè)活動(dòng)版塊系統(tǒng)。

基于該項(xiàng)目Huffman 等[6]提出了一種同時(shí)約束遠(yuǎn)場水平應(yīng)力（Shmin和Shmax）和原位巖石無限壓強(qiáng)（UCS）的方法，該方法使用了兩個(gè)相隔70 m遠(yuǎn)的接近Nankai 俯沖帶的上增生楔的鉆孔地球物理測井?dāng)?shù)據(jù)；從受到相同的構(gòu)造應(yīng)力場的影響，但受不同環(huán)隙壓力的鉆井中采集了相同的沉積物，因此提供了精確估算地應(yīng)力大小和巖石強(qiáng)度的獨(dú)特機(jī)會。定義了一個(gè)正常的走滑應(yīng)力狀態(tài)，從海底下900 米到1386 米，與地震和巖心數(shù)據(jù)觀測一致。分析還表明，UCS的原位值通常略低于根據(jù)已發(fā)表的UCS與縱波速度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系所假定的值。

分析沉積物質(zhì)的物性對于了解淺增生楔的結(jié)構(gòu)和板塊邊界斷層的滑動(dòng)行為具有重要意義，Yabe[7]基于NanTroSEIZE 項(xiàng)目研究開發(fā)一種同時(shí)利用電阻率測井?dāng)?shù)據(jù)和巖心樣品測量結(jié)果中物理性質(zhì)（孔隙度、電阻率和熱導(dǎo)率）之間的相關(guān)性來估算現(xiàn)場孔隙度和熱結(jié)構(gòu)的方法；新方法應(yīng)用到C0002 現(xiàn)場，從電阻率測井值得到的原位孔隙度值與從密度測井?dāng)?shù)據(jù)得到的原位孔隙度值吻合得很好，巖心和完整巖屑樣品測量的孔隙度也顯示出良好的一致性。

日本南海海槽孕震帶項(xiàng)目的原位應(yīng)力研究指出日本南海海槽孕震帶處于正斷層—走滑斷層狀態(tài)，并指出P 波速度估算巖石強(qiáng)震的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系會略高估泥巖中的UCS；從而導(dǎo)致高估由破裂寬度確定的遠(yuǎn)場應(yīng)力。項(xiàng)目針對大型俯沖帶內(nèi)斷層或巨型推覆體的測井、取樣研究為后續(xù)斷層鉆探項(xiàng)目進(jìn)行原位監(jiān)測、板塊結(jié)構(gòu)、測井分析等提供重要參考，對認(rèn)識地震力學(xué)具有重要意義。

1.2 日本海溝快速鉆井項(xiàng)目

2011 年日本東北地區(qū)近海大地震發(fā)生1 年后2012 年4 月JFAST（日本海溝快速鉆井項(xiàng)目）啟動(dòng)，該項(xiàng)目由兩個(gè)綜合海洋鉆探計(jì)劃（IODP）（探險(xiǎn)343和343T）組成，利用隨鉆測井（LWD）定位東北地震期間破裂的斷層；通過采集巖心樣本，描述沿?cái)鄬觿?dòng)態(tài)摩擦滑動(dòng)和愈合過程的組成、結(jié)構(gòu)和基本機(jī)制；通過在斷層上放置一個(gè)溫度測量觀測臺來估算斷裂帶內(nèi)部和周圍的摩擦熱和應(yīng)力；項(xiàng)目成功鉆至海底以下850.5 m（總深度（TD）=低于海平面7740 m）和取心井鉆到844.5 mbsf（TD=7734 mbsl）獲得橫跨兩個(gè)主要斷層21 組巖心；且343T 于2012 年7月19日成功安裝了一個(gè)溫度觀測站[8]（見圖2）。

圖2 JFAST鉆孔C0019位置，紅星為2011年大地震震中Fig.2 Location of Expedition 343/343T Site C0019（red circle）

Chester 等[9]的文章中總結(jié)了研究者們發(fā)現(xiàn)海溝向陸地一側(cè)的地形發(fā)生了巨大變化，地震期間水平向東南方向移動(dòng)約50 m，向上移動(dòng)約10 m。此外，在海溝下部壁面存在較大的海底滑坡陡坡，并伴有明顯的海底正、負(fù)高程變化；2011 年地震的同震位移如果沒有延伸到海溝軸線本身，就一直延伸到滑坡陡坡。Ujiie 研究指出項(xiàng)目的巖芯樣本揭示了出現(xiàn)板塊邊界斷層的幾米厚的遠(yuǎn)洋粘土層[10]。

Lin 等[11]通過項(xiàng)目獲得的四個(gè)完整巖芯樣品的熱特性解釋了在2011 年大地震期間破裂的板塊邊界斷層附近探測到的溫度異常以及日本海溝快速鉆探項(xiàng)目溫度觀測站觀測到的其他熱過程。熱導(dǎo)率的測量結(jié)果與瞬態(tài)線源法和分棒法獨(dú)立測量的結(jié)果一致，無論是熱導(dǎo)率還是熱擴(kuò)散率，都沒有顯著的各向異性。

Nakamura 等[12]通過地震調(diào)查得到地震圖像和速度模型，將疊前深度偏移（PSDM）分析應(yīng)用于多道地震反射數(shù)據(jù)，以生成精確的深度地震剖面，并沿JFAST 的一條線建立P 波速度模型。地震剖面在區(qū)域尺度上反映了俯沖帶。鉆井場地所在的前棱鏡對應(yīng)著一個(gè)典型的地震透明（或混沌）區(qū)域，該區(qū)域有幾個(gè)向陸地傾斜的半連續(xù)反射。鉆探現(xiàn)場附近的PSDM 速度模型與海底地震儀（OBS）數(shù)據(jù)計(jì)算的P 波速度模型相似，與巖心實(shí)驗(yàn)測得的P 波速度一致。從OBS 數(shù)據(jù)中得到的鉆井現(xiàn)場周圍上盤沉積物中Vp/Vs值明顯大于從巖心樣本測量中得到的值。

Koge 等[13]發(fā)現(xiàn)了一種新的斷層形成模式，即前緣逆沖斷層（滑脫的最前緣部分）周期性地分割成小塊，這些小塊再連接起來形成一個(gè)大而連續(xù)的斷層；在這個(gè)過程中，斷層也會上下震蕩，即使斷層只發(fā)生了很小的位移，在相對較短的時(shí)間內(nèi)就會形成一個(gè)厚的剪切帶；并認(rèn)為在日本海溝觀測到的厚變形帶可能就是由這種斷層震蕩形成的。斷層活動(dòng)性能量通常是由剪切帶的厚度導(dǎo)出的斷層位移來估計(jì)的，應(yīng)用厚度-位移定律而不考慮震蕩的影響可能會導(dǎo)致高估；所形成的剪切帶結(jié)構(gòu)與混雜巖類似，構(gòu)造混雜巖的成因可以用這種機(jī)制來解釋。

JFAST（日本海溝快速鉆井項(xiàng)目）不僅通過“343”和“343T”鉆孔觀測到2011 年Tohoku-Oki地震和海嘯淺源斷裂的結(jié)構(gòu)，獲取到板塊-邊界斷裂的摩擦性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和組成對大俯沖地震的力學(xué)性質(zhì)有影響；鉆井和巖芯樣品觀測得到單一大板塊邊界斷層容納了Tohoku-Oki 地震破裂的巨大滑移，定義有限厚度（小于5 m）中上層粘土的局部變形為淺層地震斷層的特征，從而建議作為海嘯地震的區(qū)域性重要控制因素。

1.3 日本超越脆性項(xiàng)目

基于地?zé)嵫芯康你@井項(xiàng)目也為深部地震機(jī)制的研究提供了科學(xué)支撐，日本于2012 年獲ICDP 資助的超越脆性項(xiàng)目（JBBP）涵蓋地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、地球物理、水巖相互作用、巖石力學(xué)、地震學(xué)、鉆井技術(shù)、測井技術(shù)、油藏工程和環(huán)境科學(xué)等多學(xué)科科學(xué)領(lǐng)域，本研究之前，于1994 —1995 年在Kakkonda 地?zé)崽镞M(jìn)行了WD-1A 地?zé)峋某醪缴畈裤@探，該井鉆至3729 m，穿過了上部熱液系統(tǒng)并進(jìn)入高溫花崗巖體，溫度梯度達(dá)32 ℃/100 m，井底溫度高達(dá)100 ℃，并且在380 ℃的井溫剖面上出現(xiàn)拐點(diǎn)，表明脆-韌性邊界在此過渡下沒有滲透流體；但由于安全原因，鉆井作業(yè)最終被停止，因此本項(xiàng)目最終目標(biāo)是證明工程地?zé)嵯到y(tǒng)在韌性帶發(fā)電的可行性，保持100%的注入水的采收率，并避免災(zāi)難性的誘發(fā)地震；該項(xiàng)目于2013 年在日本東北大學(xué)工程學(xué)院舉行研討會，2019 年完成主孔鉆探。Honshu 北部Tohoku 地區(qū)地球物理調(diào)查數(shù)據(jù)已經(jīng)確定了中新世和更年輕的火山口下的速度和電導(dǎo)率異常，表明淺巖漿房的存在將提供一個(gè)廣泛的熱源。已有研究對該地區(qū)隆起的年輕花崗斑巖體系進(jìn)行評價(jià)，發(fā)現(xiàn)巖體在超臨界和亞臨界條件下發(fā)生多期天然熱液壓裂，形成不同類型的細(xì)脈（石英脈、熱液角礫巖脈、玻璃脈）。對日本其他年輕的隆起和挖出的巖體的研究支持這一觀點(diǎn)，即在3～5 km 深處可以發(fā)現(xiàn)400 ℃～500 ℃的超臨界條件與新巖漿侵入有關(guān)[14]。

全球正針對臨界地?zé)嵯到y(tǒng)的相關(guān)研究包括冰島深鉆項(xiàng)目（IDDP），Krafla 巖漿試驗(yàn)臺項(xiàng)目（KMT），日本脆弱的項(xiàng)目（JBBP）之外，還有意大利的DESCRAMBLE 項(xiàng)目（鉆井深度、超臨界歐洲大陸的環(huán)境），新西蘭Taupo 火山帶的HADES，墨西哥的GEMex 聯(lián)合EU-Mexico 項(xiàng)目，以及美國紐貝里深井鉆探項(xiàng)目[14]，研究在脆韌轉(zhuǎn)換區(qū)（BDT）開發(fā)工程地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）的可行性并將直接為廣泛的地球科學(xué)學(xué)科作出貢獻(xiàn)。從巖心分析和鉆孔試驗(yàn)中得到能夠有效地提高對巖漿脫水/脫氣、全球地殼水文地質(zhì)及熱液對流或傳導(dǎo)帶形成的過程等現(xiàn)象的理解及深部地震的機(jī)制科學(xué)理解，而用于識別BDT 的新勘探技術(shù)也將有助于確定諸如火山和地殼發(fā)震帶等現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)特征[15]。

1.4 美國圣安德列斯斷層深部長期觀測研究

美國從1992 年底起在世界著名的圣安德列斯斷層進(jìn)行的深部長期觀測研究項(xiàng)目（San Andress Fault Observatory at Depth，簡稱為SAFOD），是一個(gè)以深井地震、地球物理觀測為主的重大科學(xué)項(xiàng)目，如圖3 所示[16]。其主要內(nèi)容是在板塊邊界地震活動(dòng)區(qū)域的深孔鉆井內(nèi)直接觀測深部地球物理狀態(tài)與變化。SAFOD 項(xiàng)目選址在沿太平洋與北美兩大板塊邊界的圣安德列斯斷層，大地震重復(fù)發(fā)生區(qū)與無震蠕變區(qū)之間的交接地區(qū)實(shí)施，主孔采取從地面到2 200 m 深為垂直鉆井，隨后向地震震源區(qū)50°轉(zhuǎn)向打鉆成為傾斜鉆井，最終鉆井深入到圣安德列斯斷層地震震源區(qū)內(nèi)進(jìn)行長期觀測。長期觀測內(nèi)容包括地震（寬頻地震儀和加速度儀）、流體壓力、溫度、應(yīng)變、傾斜等多種項(xiàng)目[16]，如圖4所示[17-18]。2018 年10 月在斯坦福大學(xué)召開相關(guān)的研討會討論包括：①綜合SAFOD 科學(xué)的關(guān)鍵科學(xué)成果；②審查形成SAFOD 項(xiàng)目早期預(yù)測的數(shù)據(jù)/技術(shù)及其正確性；③制定計(jì)劃，將SAFOD 數(shù)據(jù)應(yīng)用于蠕變斷層地震危害和地震成核物理學(xué)[19]。

圖3 SAFOD鉆井現(xiàn)場和1966年帕克菲爾德地震震中[16]Fig.3 SAFOD drilling site and the epicenter of the Parkfield earthquake in 1966[16]

圖4 SAFOD鉆井孔示意圖[18]Fig.4 Schematic diagram of drilling hole in SAFOD[18]

項(xiàng)目首先完善了地質(zhì)模型，在SAFOD 開始鉆探之前，進(jìn)行了大量的地質(zhì)和地球物理現(xiàn)場調(diào)查，得出了地質(zhì)和構(gòu)造截面；特別推斷相對完整的花崗質(zhì)基底存在于太平洋板塊側(cè)與北美板塊相鄰的變質(zhì)沉積巖的深部交叉處。鉆主孔后，對地質(zhì)模型作了一些修改，位于西南側(cè)的與圣安德烈亞斯斷層相鄰的沉積盆地比預(yù)測的深度大得多。這些較深的盆地充填型礦床主要由鹽漬化花崗巖風(fēng)化形成的長石砂巖和礫巖組成。根據(jù)K.McDougall（USGS）的化石鑒定，主孔位于晚白堊紀(jì)的大峽谷群沉積巖中[18]。

SAFOD 三期巖心的巖石物理性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室測量進(jìn)一步闡明了圣安德烈亞斯斷裂帶的性質(zhì)。巖心樣品的孔隙率在破裂區(qū)巖石中為1%～9%，在活躍變形區(qū)巖屑中為6%～15%[20-21]。這些孔隙度值與鉆孔孔隙度測井記錄的孔隙度范圍一致，但由于圍巖中存在大尺度裂縫，實(shí)驗(yàn)室孔隙度往往低于相應(yīng)深度的測井值。巖屑的實(shí)驗(yàn)室電阻率約為10 Ω.m，比周圍損傷區(qū)巖心樣品的測量值低1～2個(gè)數(shù)量級[21]；電阻率的這種下降是由于在樣品中觀察到的孔隙率增加所致，對樣品進(jìn)行超聲波P 和S波速度測量時(shí)，平均速度分別為3.1 km/ s 和1.5 km/s[22]。

SAFOD 項(xiàng)目也推動(dòng)了地震應(yīng)力變化的認(rèn)識，2004 年10 月，SAFOD 井的套管外安裝了幾個(gè)不同深度的光纖應(yīng)變傳感器，第一次鉆探深度為864 m，在2007年的一次鉆井作業(yè)中失敗。第二處深度為782 m，至今仍在監(jiān)測中，光纖應(yīng)變儀由單模光纖組成，當(dāng)安裝面在光纖傳感器所跨越的范圍內(nèi)發(fā)生應(yīng)變，被拉伸的彈性纖維的長度會發(fā)生相應(yīng)的變化；由于光纖可以在很長一段距離內(nèi)得到長間隔的平均應(yīng)變可以減少局部效應(yīng)對測量的干擾；因此光纖非常適合測量地球應(yīng)力[23]。Blum 等在SAFOD 通過垂直光纖干涉應(yīng)變儀觀測遠(yuǎn)震及區(qū)域震中與理論位錯(cuò)模型一致的同震應(yīng)變，對于遠(yuǎn)震事件，第一次通過比較近距離地震儀垂直向加速度與垂直應(yīng)變的比值研究鉆孔內(nèi)區(qū)域瑞利波速[24]。此外，SAFOD 設(shè)備記錄到破裂情況復(fù)雜的小地震（M=-3），井下儀器顯示，重復(fù)地震是在沒有可觀測到的地震轉(zhuǎn)變情況下突然發(fā)生的，即在破裂開始的一毫秒內(nèi)釋放了大部分累積應(yīng)力。Abercrombie 研究發(fā)現(xiàn)了2004 年帕克菲爾德地震后應(yīng)力下降明顯減少，然后逐漸恢復(fù)；2015 年使用HRSN 和SAFOD 衛(wèi)星孔數(shù)據(jù)來研究小地震分析的分辨率極限，地面和淺層鉆孔數(shù)據(jù)相對較差的分辨率為沒有深層鉆孔數(shù)據(jù)的研究提供了有用的約束[25-26]。

Peter Malin 認(rèn)為是地震波是沿圣安德烈斷層蜿蜒，位于SAFOD 主孔距斷層10 m 處的地震儀證實(shí)了斷層附近斷層導(dǎo)波FL和折射波FR的發(fā)生（Fg相是Love 波，現(xiàn)在標(biāo)記為FL，隨著Fg在不同位置開始被識別，斷層上記錄的瑞利波FR也被識別出來），并揭示了3種類型的Fg，這些信號顯示了一個(gè)至少6 km深的狹窄的斷層核心[27]。

此外，SAFOD 先導(dǎo)孔和主孔為連續(xù)的井間主動(dòng)震源觀測發(fā)震深度的速度變化提供了前所未有的機(jī)會；鈕鳳林等[28]總結(jié)了SAFOD 三次井間實(shí)驗(yàn)結(jié)果；2005—2006 年間兩次實(shí)驗(yàn)，通過在導(dǎo)孔和主孔內(nèi)大約1km 深度的18 個(gè)壓電源和一個(gè)三分量加速度計(jì)以每秒發(fā)射4次寬度為1 ms的脈沖，并以48000 Hz 的采樣率記錄200 ms 長的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)平均S波速度變化0.03%，與氣壓呈良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，對應(yīng)的應(yīng)力敏感性為2.0×10-7Pa-1，也觀察到延遲時(shí)間測量中兩個(gè)大漂移；在2010 年的實(shí)驗(yàn)中，采用了2005—2006 年的實(shí)驗(yàn)配置同時(shí)還增加了一個(gè)附在源上的水下檢波器，以監(jiān)測源波形的重復(fù)性。證實(shí)了橫波和尾波的到時(shí)變化約為0.04%，大致與氣壓的波動(dòng)一致。研究者相關(guān)性歸因于地震波速的應(yīng)力敏感性，估計(jì)應(yīng)力敏感性為2.0×10-7Pa-1。研究結(jié)果證實(shí)了在發(fā)震深度存在大量裂縫或孔隙空間的假設(shè)，從而利用井間有源地震監(jiān)測地下應(yīng)力場。

通過對圣安德烈亞斯和圣哈辛托斷層不同部分的大地測量研究，證實(shí)在加利福尼亞的太平洋—北美板塊運(yùn)動(dòng)中有相當(dāng)一部分是永久分布的斷層外變形，例如，Lindsey 等人及Materna 等人認(rèn)為，斷層損傷帶的彈性模量明顯低于宿主巖石，甚至比斷層帶導(dǎo)波推斷和高分辨率層析研究的還要低。表明相當(dāng)大一部分?jǐn)鄬油庾冃慰赡馨l(fā)生在地震間的破壞區(qū)，這種斷層外塑性變形會顯著影響斷層上的剪應(yīng)力載荷和分布，并可能影響地震活動(dòng)性[29-30]。

1.5 南非金礦深部地震鉆探（DSEIS）

在南非Orkney 深部金礦，每年都會發(fā)生幾次2 級以上的采礦誘發(fā)地震。迄今為止記錄到的最大地震是2014 年8 月5 日在南非奧克尼附近發(fā)生的5.5級地震，其活動(dòng)斷層距離最近的礦場只有幾百米（3.0 km 深）。為了探討礦山活動(dòng)斷裂帶鉆探和監(jiān)測等科學(xué)目標(biāo)和技術(shù)可行性，ICDP 于2016 年資助了南非深部金礦地震活動(dòng)綜合研究-南非金礦深部地震鉆井項(xiàng)目（DSEIS）：通過在幾個(gè)南非深金礦鉆井，希望得到采礦誘發(fā)地震成核及斷層滑動(dòng)過程、深部應(yīng)力場狀態(tài)。整個(gè)項(xiàng)目涉及4 個(gè)目標(biāo)斷層：①2014 年OrkneyM5.5 地震孕震區(qū)；②Cooke 4號井（原Ezulwini礦，位于約翰內(nèi)斯堡以西約40 km處），目標(biāo)為礦區(qū)M2～M2.8 地震的破裂帶；③2014年M2.8 地震孕震區(qū)；④Savuka 礦井；大部分鉆井作業(yè)在2017年10月完成[31]。

Mngadi 等利用地下填圖、巖石學(xué)、巖石力學(xué)和高分辨率微地震分析等綜合研究了解南非cooke 4 號井礦柱中的不同巖土工程區(qū)域，井下礦柱主要由石英巖、含礫石英巖、泥質(zhì)石英巖和礫巖組成且具有多個(gè)不連續(xù)點(diǎn)，這些不連續(xù)點(diǎn)從小尺度到宏觀尺度不等。微地震資料進(jìn)一步揭示了斷裂拐點(diǎn)發(fā)生在軟地層中；針對不同的巖土區(qū)域開發(fā)裂縫模型與之前針對類似地下環(huán)境開發(fā)的模型一致，這對未來的采礦、支護(hù)、生產(chǎn)和安全具有重大意義[32]。

Carsten 等發(fā)現(xiàn)了采礦誘發(fā)地震和2014 年8 月發(fā)生的5.5 級奧克尼地震引發(fā)的余震并存的獨(dú)特現(xiàn)象，第一次將先進(jìn)的基于波形和概率分析（包括破裂傳播成像和方向性分析），以及在有限擾動(dòng)巖石體積中地震震級的尺度研究應(yīng)用于南非深部金礦的地震活動(dòng)觀測中，結(jié)果表明，M5.5 主震的單邊破裂幾乎從北向南傳播，距離約為5 km。反演的地震能量圖像和反演的震源時(shí)間函數(shù)揭示了這次地震高度復(fù)雜的破裂過程，余震群位于主震中心的一側(cè)，并向南排列，這證實(shí)了所獲得的破裂傳播圖像和方向性。余震和誘發(fā)地震的震級統(tǒng)計(jì)明顯受到有限大小的擾動(dòng)巖石體積的影響，這抑制了更大震級事件的發(fā)生，但兩種類型的地震活動(dòng)對事件等待時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在差異[33-34]。

與以往許多地震區(qū)的鉆探調(diào)查局限于一兩個(gè)鉆孔相比，DSEIS 項(xiàng)目鉆探相對密集的井網(wǎng)從而提供更好空間復(fù)蓋，此外，從金礦深部鉆探比從地表鉆探更經(jīng)濟(jì)有效地到達(dá)發(fā)震深度。

2 結(jié)語

在地震活動(dòng)地區(qū)鉆探到震源區(qū)進(jìn)行直接觀測期望在地震研究中能發(fā)揮更大作用，斷層深井鉆探首先選擇已知及相對簡單的斷層及地質(zhì)構(gòu)造，更易獲取地震學(xué)資料；理想狀態(tài)下，鉆探應(yīng)盡量接近或達(dá)到地震成核的深度，并鎖定在摩擦、增溫和地震相互作用等科學(xué)問題；并且盡量獲取結(jié)晶巖石，利于對孕震斷層進(jìn)行深入研究。

如同日本南海海槽孕震帶實(shí)驗(yàn)不僅屬于首次嘗試對俯沖帶內(nèi)的板塊邊界斷層或大型逆沖斷層的孕震部分進(jìn)行鉆，并通過新斷裂帶取樣了解淺增生楔的結(jié)構(gòu)和板塊邊界斷層的滑動(dòng)；JFAST（日本海溝快速鉆井項(xiàng)目）鉆孔觀測到2011 年Tohoku-Oki 地震和海嘯淺源斷裂的結(jié)構(gòu)，提升對大俯沖地震的力學(xué)性質(zhì)的了解；超越脆性項(xiàng)目亦通過研究在脆韌轉(zhuǎn)換區(qū)（BDT）開發(fā)工程地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）可行性的同時(shí)對熱能開采時(shí)儲層與BDT 間裂隙誘發(fā)地震的危險(xiǎn)性；關(guān)井、斷流等儲層應(yīng)力狀態(tài)改變誘發(fā)地震事件相關(guān)性進(jìn)行深入研究。

當(dāng)前大陸科學(xué)鉆探與國際大洋科學(xué)鉆探已在全球形成宏偉的計(jì)劃，作為了解地球內(nèi)部世界的窗戶，我國著名構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家許志琴院士等指出斷層科學(xué)鉆探研究地震發(fā)生機(jī)制針對斷層滑移摩擦生熱量和熱異常、斷裂帶的流體作用、流體滲透作用和斷裂帶的愈合、微型地震的破裂過程、斷裂帶的礦化、余震層析成像及地下巖石在地震來臨前發(fā)生的物理變化等地球物理研究取得顯著成績[35]；并在2016 年紀(jì)念中國大陸科學(xué)鉆探實(shí)施15 周年、國際大陸科學(xué)鉆探委員會成立20 周年時(shí)撰文回顧我國在科學(xué)深井鉆探項(xiàng)目上獲得的顯著發(fā)展，并進(jìn)行了展望。事實(shí)上，在地震科學(xué)鉆探研究中，取心、測井、監(jiān)測依然是科學(xué)鉆探的主要直接目的，原狀巖心獲取、深井鉆探技術(shù)、監(jiān)測儀器研發(fā)亦是開展該研究的難點(diǎn)，是對當(dāng)前鉆探技術(shù)和工業(yè)技術(shù)綜合實(shí)力的集成，通過鉆探項(xiàng)目也可以培養(yǎng)地學(xué)研究、項(xiàng)目管理等人才，促進(jìn)多學(xué)科交叉和融合。與此同時(shí)，通過保持對國際上相關(guān)項(xiàng)目的了解，結(jié)合實(shí)際可指導(dǎo)地區(qū)項(xiàng)目的發(fā)展，明確我們可以做什么，我們將要做什么。