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1、中国科学院地球化学研究所 博士学位论文 深部流体对岩石物性的影响及其地震地质意义 姓名：杜建国 申请学位级别：博士 专业：地球化学 指导教师：刘丛强 20021201 摘要 中国是地震多发的国家之一，强震常给人民生命财产造成巨大损失。但是， 目前人类对地震孕育、发生的机理认识尚浅，进行地震短临预测的水平很低，远 不能满足减轻地震灾害的社会需求。因此，有必要对中强震孕育过程、发生机 理以及流体地震前兆等方面进行深入研究。 在总结深部流体、高温高压实验研究和流体在地震预测研究进展的基础上， 利用高温高压实验技术测定了辉长岩和斜长岩高温高压下弹性波速和电导率，结 合实验产物的岩组学和微区化学分析结果
2、探讨了孕震介质高温高压下物理性质 变化的机制；采用气体地球化学方法研究了四川I 西部三个地震带温泉气体的来源 及其与地震活动的关系。研究表明从震源介质演化和流体地震异常特征方面探讨 地震成因和地震预测是个有效的途径。 高压下不同类型岩石的波速随温度的升高逐渐降低，但是具体变化特征存在 差异。在1 0G P a 下，辉长岩的纵波速度从室温到8 0 0 下降4 ，而从8 0 0 到 1 1 0 0 下降幅度为1 6 4 ；但是，在2 0G P a 下，纵波速度从室温到8 5 0 时下 降3 6 从8 5 0 到1 0 0 0 下降4 6 。然而，在1 0G P a 下，斜长岩纵波速度 ( V p
3、) 当温度低于6 8 0 “ C 时，斜长岩的纵波速度缓慢下降，昨从室温到6 8 0 降 低了2 2 ；当温度高于6 8 0 时，纵波速度开始大幅度下降，昂从6 8 0 到8 8 0 下降了7 6 。高温高压下矿物脱水、熔融导致岩石密度、结构变化，形成新 的颗粒边界相，从而使岩石纵波速度开始大幅度下降。 高压下辉长岩和斜长岩电导率值随温度的升高而升高。在1 2 G P a 和较低温 度条件下，岩石导电性质变化不大，颗粒内部电子传导方式站主导地位。在1 0 G P a 、4 1 0 - 7 5 0 的温压条件下，测得的斜长岩的电导率值较低，分布在1 0 。7S m 到1 0 4S m 之间。辉长
4、岩在6 8 0 。C 以下，导电机制以颗粒内部传导机制为主，在 6 8 0 。c 以上，开始出现颗粒边缘传导机制。岩石在固体状态下，颗粒边缘传导会 降低岩石的总电阻率。 辉长岩和斜长岩的纵波速度和电导率的就位测量表明，岩石中的含水矿物脱 水导致其P 波速度开始大幅度下降时，岩石的电传导机制和电导率值却未发生突 变。这是由于脱水程度和水的连通程度较低，所以在这样的实验条件下矿物脱水 未使电导率急剧增大，也未改变岩石的电传导机制。地球内部低速层和高导层的 形成与演化也可能具有类似的特征。在一定的条件下，通过含水矿物脱水可以形 成地球内部的低速层，但不一定同时形成高导层，低速层是否同时具有高导的特
5、征取决于矿物脱水程度和区域内自由水的连通程度。 稳定同位素地球化学特征表明四川西部鲜水河地震带、龙门山地震带和安宁 河地震带温泉中的氦具有多源性，温泉的氦、碳同位素组成在不同的地震带存在 明显的差异。在鲜水河地震带、龙门山地震带和安宁河地震带温泉的3 H e 4 H e 值 分别在O 4 8 2 5 9 R A 、O 2 2 1 0 7R A 和o 0 1 0 8 2R A 的范围内。康定地区温泉中的 氦有相一当部分来源于地幔。然而，采自鲜水河断裂带西北段甘孜( N o 1 ，2 ) 、 沪定( N o 9 ) 和安宁河地震带石棉南一普格( N o 1 2 ，1 3 ，2 1 2 5 ) 与龙
6、门山地震 带的温泉样品具有很低的3 H e ，H e 值，表明这些温泉的氦主要来自地壳。当然， 温泉气中也不能排除大气氦的混入的可能。 四川西部温泉中二氧化碳的61 3 C 值分布在一1 7 0 9 一3 3 4 的范围内，游离 气样中的C 0 2 比水溶气样中的C 0 2 富集重碳同位素”C 。不同的构造带内温泉二 氧化碳具有不同的碳同位素组成。鲜水河断裂带内温泉二氧化碳主要来源于地 幔，地幔的二氧化碳与氦一起向地表运移。 高的3 H e 4 H e 和61 3 C 值，地热异常是四川西部地震带的显著特征。研究区 不同构造带温泉气体的主要来源不同，意味着不同构造带的热能的来源和供给速 率也不
7、同。四川西部地热区热储的主要能量源为上地幔热和地壳热。地下流体中 的氦与二氧化碳是反映地震活动的有效指标。 深部流体是导致地震的重要因素。地幔流体向上逸散，同时带入地壳大量的 热。当地幔流体在地壳内局部富集时，地体内产生的空隙压力和热应力能使流体 富集区的围岩破裂产生地震。火山、地热区的地震与中、深源地震可以用这种孕 震机制来解释。 然而，目前我们对地球内部的认识还是很肤浅的。合理地解释地震的成因和 利用气体地球化学方法实现短临地震预测尚需开展大量工作。 A B S T R A C T I ti s n e c e s s a r yt os t u d yt h eg e n e t i c
8、 m e c h a n i c so fs t r o n ge a r t h q u a k ea n dt h ef l u i d o r e c u r s o r sf b rt h es h o c k sb e c a u s eo u rk n o w l e d g ea b o u te a r t h q u a k ei s s op o o rt h a tc a nn o t m e e tt h es o c i a ln e e d so fm i t i g a t i n gd i s a s t e ro fs t r o n ge a r t h q
9、 u a k e st h a tf r e q u e n t l yo c e u r r e di n C h i n a T h ea d v a n t e so ft h er o l eo f d e e p e a r t h f l u i d si ne a r t h q u a k eg e n e r a t i o n ，h i g ht e m p e r a t u r e a n dh i g hp r e s s u r ee x p e r i m e n t sw i t hr o c k sa n dt h ee a r t h q u a k ep
10、r e d i c t i o nb a s e do nf l u i d p r e c u r s o r sw e r er e v i e w e di n t h ed i s s e r t a t i o n T h ec o m p r e s s i o nw a v ev e l o c i t i e s ( V P ) a n d c o n d u c t i v i t y ( o ) o fg a b b r oa n dp l a g i o c l a s i t eu n d e rh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i
11、g hp r e s s u r ew e , r e m e a s u r e dw i t ht h eu l t r a s o n i cp u l s et r a n s m i s s i o nm e t h o da n di m p e d a n c es p e c t r at e c h n i q u e ， r e s p e c t i v e l y T h eo r i g i n a la n d u n l o a d e ds a m p l e sw e r ec h e m i c a l l ym e a s u r e da n da n
12、a l y z e dw i t h t h ee l e c t r o nm i c r o p r o b ei n s t r u m e n ta n do b s e r v e du n d e rt h em i c r o s c o p e T h em e c h a n i s m so f V Pa n d ov a r i a t i o n so ft h er o c k sw e r ed i s c u s s e db a s e do nt h ed a t ao ft h ee x p e r i m e n t sa n d a n a l y s
13、i s I na d d i t i o n ，t h eo r i g i n so fg a s e s i nt h eh o t s p r i n g sa n ds e i s m o l o g i c a la c t i 啊t yi nW e s t S i c h u a nP r o v i n c ew e r em e n t i o n e di nt h ev i e w p o i n to f s t a b l ei s o t o p i cg e o c h e m i s t r y V pv a l u e so ft h er o c k su n
14、 d e rh i g hp r e s s u r ed e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e H o w e v e r , V Pv a l u e so fd i f i e r e n tr o c k sd e c r e a s e di nt h ed i f f e r e n tw a y s V Pv a l u e so ft h e g a b b r oa tt h ep r e s s u r eo f1OG P a r e d u c e db v4 f r o mt
15、 h er o o m t e m p e r a t u r et o8 0 0 ，b u t r e d u c e ds e v e r e l yb y16 4 f r o m8 0 0 t oI1 0 0 V Pv a l u e so ft h eg a b b r oa t2 0G P a r e d u c e d3 6 f r o mr o o mt e m p e r a t u r et o8 5 0 ，a n dd e c r e a s e d4 6 f r o m8 5 0 t o1 0 0 0 O t h e r w i s e ，V pv a l u e so
16、f p l a g i o c l a s i t ea t1 OG P ad e c r e a s e db y2 2 f r o mr o o m t e m p e r a t u r et o 6 8 0 a n dd e c r e a s e ds h a r p l yb y7 , 6 f r o m6 8 0 t o8 8 0 T h e “v a l u ed e c r e a s er e s u l t s f r o mm i n e r a ld e h y d r a t i o n r o c k p a r t i a l l y - m e l t i n gu n d e r t h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n s T h ev a l u e so f c o n d u c t i v i t yo ft h er o e
