韩江涛,牛 璞,刘立家,吴懿豪,辛中华,李卓阳, ,贾晓东

1.吉林大学地球探测科学与技术学院,长春 130026

2.地球信息探测仪器教育部重点实验室(吉林大学),长春 130026

3.辽宁省地震局,沈阳 110031

0 引言

全球尺度下的构造活动是板块之间相对运动的结果,板块之间的挤压和碰撞导致现代岩石圈板块的界面区成为活动性最强的地区,表现为高热流区的异常显示、火山活动、岩浆侵入、造山运动、地震活动以及变质作用等,地热资源富集与地震活动孕育在深部控制机理方面密切相关[1-2]。地热资源与地震活动两种地质现象紧密共生、相互协调和相互依存。

地热资源富集和地震活动是地球内部能量释放的两种表现方式,是板块构造运动的产物,两者存在密切关系[3-6]。两者的生成关系可以总结为同源关系或因果关系[7]。板块之间的挤压与碰撞、断裂活化、流体运移与应力积累等动力学过程可以同时引发地热场变化与地震活动[8],使得两者存在同源共生的关系。地热可以为地震的发生提供动力,地震可以释放热能形成热异常,所以认为两者存在因果关系。

地热资源与地震活动的耦合共生行为表现在:一是地温场可以对岩石物理力学性质以及地壳动力学过程产生直接影响[9],分布不均匀的岩石圈温度与热结构产生的热应力导致中上地壳脆性层应力积累,直至岩石破裂[10-11];二是深部高温流体在断裂构造运移过程中,产生的挥发性物质(H2O、CO2)进入周围岩层,使得孔隙内压力增大、岩层破裂,从而引发地震[12-13],或是热流体向上运移,局部聚集于地壳,直接作用于断裂,在弱化强度的同时增加孔隙压力,引起断裂失稳,诱发地震[14];三是断裂构造在活跃的地震活动作用下保持开放状态,使得地下水可以循环到深层高温地区,在加热后以热流体的形式流回地表,形成地热资源[15],使得地震活动与地热资源共生并相互转换。显然,流体、断裂构造或薄弱带是地震活动与地热资源共生的主要深部驱动要素,由于其共生关系导致浅表形成地热资源或地震灾害活动。

深部地球物理探测揭示了地热资源的深部背景和地震的孕育过程。例如:利用大地电磁测深建立了羊八井水热型地热系统的电性结构,确定层状储层位置[16];利用地球物理结合热物性测试、地球化学分析等手段阐明了共和盆地干热型地热系统成因机制[17];依据电阻率和磁化率数据成像发现了黄石公园热液系统流体路径[15]:表明深部地球物理探测已广泛应用于地热系统研究[18-22]。同样,深部地球物理探测揭示了地震活动性。例如:利用大地电磁测深建立大震源区的地壳结构,并将观测结果与地震成因机制联系起来[14, 23];通过地震台站记录的观测资料揭示九寨沟、通辽等震源区的深部介质特征与孕震环境[24-25];利用地下速度结构或者电阻率结构确定地震带的控震构造,为后续地震发生机理和地震危险性的分析提供重要依据[26-27]。

全球典型的高温地热与地震活动带分布多局限于板缘构造环境,同时陆内中--低温地热资源与地震深部背景及动力学过程更为复杂。本文通过系统调研及归纳总结,系统讨论不同构造环境地热资源与地震活动的共生深部驱动机制。首先,总结了全球高温地热带及大型/超大型地震带的形成背景;其次,总结了地热资源及地震活动的共性深部驱动要素;再次,总结了地热资源与地震活动的地球物理深部探测成果;最后,从理论、成因、方法等多方面对地热资源与地震活动的共生深部驱动机制研究进行展望。

1 全球大型/超大型地热带及地震带

1.1 地热带

地热资源按温度分级,可分为高温地热资源(≥150 ℃)、中温地热资源(90～150 ℃)和低温地热资源(<90 ℃)3类[28]。地热资源具有独特的形成规律性和地域性,高温地热活动一般分布在地壳岩石圈板块边界,形成板缘地热带,而中、低温地热活动广泛分布在板块内部,构成板内地热带,两者在活动强度、热源性质、地表热显示、流体水化学特征等方面存在差异[29]。由此可见,板块构造运动对全球地热带的分布和活动具有明显控制作用,同时在不同的大地构造环境下,地热资源形成机制也有所不同。

活动性较强的岩石圈板块边界分布着大量的高温地热资源,所以板缘地热资源具有条带状分布的特征。全球范围内分布四大地热带:环太平洋地热带、地中海--喜马拉雅地热带、红海--亚丁湾--东非裂谷地热带、大西洋洋中脊地热带[30]。环球地热带与地震活动带及活火山带相互重叠,属于火山型,存在丰富的岩浆热源(火山、熔融体、侵入体等)[31]。熔融态或半熔融态的熔岩对浅部岩石具有强烈的烘烤作用,在具备充足水源的地方经常形成强烈的水热对流,并在合适的位置形成水热型地热系统;美国盖瑟尔斯地热田就是该类地热系统[32](图1)。

据文献[31]修编。

板内地热资源一般是指远离各大板块边界的板内地壳隆起区(褶皱山系、山间盆地)和沉降区(中新生代沉积盆地)内广泛发育的板内低温地热活动, 属非火山型,无火山或岩浆热源,不具有带状分布的特征,其热源受中新世到第四纪以来的喷发和岩浆侵入控制[33]。按形成的大地构造环境,可分为断裂型和沉积盆地型。中国东南沿海地热资源属于断裂型,大地热流分布主要与构造运动相关[34]。沉积盆地型广泛分布于世界各地,我国华北盆地、四川盆地、江汉盆地均属此类。受板块构造控制,我国地热资源以中、低温类型为主,高温类型为辅[35-36]。

板缘地热资源和板内地热资源最主要的差别在于热源的差异,热源条件起决定性作用。板缘构造活动通常伴随着地幔涌出的炽热岩浆,为高温地热资源的形成提供有利条件;而板内构造运动相比于板块边界较弱,虽也有岩浆侵入及喷发活动,但构造活动的强度、断裂的深度和规模也远不能与板缘相比,因此一般形成中、低温地热资源[29]。

1.2 地震带

地震可划分为浅源地震(震源深度小于70 km)、中源地震(震源深度为70～300 km)和深源地震(震源深度大于300 km)。中、深源地震分布在海沟、火山岛弧和大陆裂谷带等拉张性构造带,如环太平洋海沟、东印度洋海沟、大洋中脊、非洲裂谷、地中海—黑海—里海—波斯湾、欧亚大陆中部的伊塞克湖—阿拉湖—乌布苏湖—库苏古尔湖—贝加尔湖裂谷等[37]。按地震分布可以在全球范围内划分出三大地震带:环太平洋地震带,活动最强烈的地震带,集中了世界上70%的地震;地中海—喜马拉雅地震带,全长20 000 余km,分布相对分散,占全球地震的15%左右;洋脊地震带,分布在各大洋洋脊的轴部,震级一般较小,约占5%。除此之外,也有一些发生于板内的地震带[38](图2)。

据文献[37]修编。

针对地震活动的成因机制,国内外学者进行了大量研究,分别从板块边缘大洋俯冲型中、深源地震以及板内构造地震两方面进行讨论。

对于板缘中源地震成因机制,目前存在几种主流观点:1)脱水脆化机制[39-40],主要是由于俯冲洋壳中的蓝片岩向榴辉岩转化过程中发生脱水作用或叶蛇纹石的脱水作用引起的一系列反应,使断裂面附近岩石脆性增加,同时伴随着流体孔隙压力增大,破裂面上的有效正应力降低,断裂可能发生滑动,导致地震发生(图3);2)热剪切失稳机制[41-43],矿物剪切产生热量使得岩石发生塑性变形,导致不稳定滑动,从而引发地震;3)黏滑机制[44-45],矿物的摩擦导致不稳定黏滑滑移,从而诱发地震[46]。针对深源地震成因,学者提出相变触发断裂机制[47]。当然关于中、深源地震还有一些其他的形成机制,包括塑性不稳定[48]、剪切诱发熔融[49]、重结晶伴生的不稳定[50]、多形相变[51]、脆性剪切破裂[52]和反向破裂理论[53]等。

灰色区域. 水合物;灰色箭头. 流体排出方向;黑色箭头. 不同区域脆性破坏模式。σ1. 最大压应力;σ3. 最小压应力。据文献[39]修编。

多数大型地震发生在活动板块边界[54],但是在相对稳定的大陆内部也会有大型地震发生[55]。研究表明,稳定的陆内地震活动具有“双模态”特征,地震主要发生在上地壳1/3以上和下地壳1/3以下这两个孕震层[56]。板块内部构造地震都是由于上地壳先存的构造滑脱层在应力场作用下发生破裂和错动而引发的[57]。地震成因机制是一个较为复杂的问题,存在多样性,针对板内构造地震成因机制,现存几种模型:1)由位于积累单元断裂面上的剪切应力与摩擦阻力之间的力量对比所建立的三阶段孕震模型[58](图4);2)华北盆地的两种强震模型,即上地幔热物质入侵下地壳引起的两层破裂震源模型[59]和地幔亚热柱控震模型[60](图5);3)运用颗粒物理原理建立的地壳与地幔运动颗粒模型[61]等。除此之外,随着人类对自然资源的挖掘和利用日益加重,大肆开采油田和矿产、建水库、开展核试验等活动使自然环境遭到严重破坏,也可诱发地震。

a. 积累单元周围近似四象限应力分布;b. 地壳块体相对运动。A、B. 地壳块体;C、D. 积累单元。据文献[58]修编。

事实上,单独一种成因机制并不能完美解释地震的成因,可能不同区域的地震由不同的成因机制占主导,其他机制也参与其中,多种机制共同参与地震过程[46]。

2 地热资源及地震活动深部驱动要素

2.1 地热资源深部驱动要素

地热资源起源于地球内部的熔融岩浆和放射性物质的衰变。1990年,Hochstein[62]较为完善地定义了地热系统,即在有限空间内,地壳水通过流动将热源传递到热储层的过程。该概念确定了地热系统主要由热源、渗透性地层及流体3个要素组成。地热系统的“地质要素”包括生热系统(源)、运移系统(通道)、渗流系统(储)、保温系统(盖)[31, 63-64](图6)。其中渗流和保温系统主要分布在地壳浅部,具有保护和储存热能的作用,而总结前人对地热系统的研究[12, 65-66],驱动地热资源的深部控制因素则主要包括热源以及断裂。

据文献[64]修编。

无论是岩浆热源、放射性热源,还是摩擦生热等,充足的热源是形成大规模地热资源的前提要素。不同热背景条件下,地热系统的热能来源及聚敛模式决定了热储温度的大小及分布。目前对于热源的认识主要集中于地壳深部、上地幔中形成的岩浆流体以及地壳中放射性元素U、Th、K衰变后释放的热量[67-69]。已有研究表明,更新世以来侵入的规模较大的岩浆岩体是形成地热系统的主要原因[ 70-72]。年轻的酸性岩浆侵入体一般出现在扩张洋脊、板块缝合带、大陆裂谷以及板内熔融区等特殊的地质环境中,由于具有较高的黏度,岩浆在上升过程中会滞留在上地壳中,并在很长时间内为地壳浅部提供热量[12, 73-75]。

断裂不仅是热液流体、地下水的运移通道,也是地热流体的重要储存空间。对于传导型地热系统,热量主要来源于大地热流,通过地壳深处和上地幔的热量垂直传导,以及对热储层中水平流动的地下水进行加热,形成地热资源[76]。此过程中断裂并不是主要控热因素。但在对流型地热系统中,深大断裂是地幔物质及热流上升的通道,为岩浆底辟、侵入及对流提供有利条件。例如,在埃塞俄比亚裂谷Tulu Moye地热区,岩浆流体通过穿切中上地壳的深断裂向地壳浅部流动并形成地热田[12]。浅部断裂一方面可促进地表冷水与大气降水下渗,从而补给地下热水及浅层冷水;另一方面,由于深部较大的静岩压力差而引起热液自深处向上运动,断裂则可作用热液至地壳浅部形成浅层地热资源。例如:在怀来盆地内,断裂与大气降水、地表水及深部热液构成水热循环,形成地热资源[77];在西藏羊八井地热田区、福建漳州地热田区,断裂交汇处形成较大体积的破碎带,为地热流体的深部运移和浅部储存提供有利条件,从而地热资源主要分布在断裂交汇处[78-79]。

2.2 地震活动深部驱动要素

地震作为耗能事件,震级的强度越大则需要的能量越大,在中、强地震的成因方面,地球内部流体隐爆是目前的主流观点[80-85]。流体隐爆作用为地核和下地幔的流体携带了大量能量,并不断向上运移。当流体在地壳中局部聚集、流体压力大于围岩抗压强度和附加岩石静水压力时,爆炸发生,产生地震。由于爆炸的强度不同,引起的地震震级也不同,因此形成了不同震源深度、不同震级的地震[80]。在洋陆俯冲的地质背景下,Egbert等[86]通过研究卡斯卡迪亚弧前地下结构,发现洋壳向大陆俯冲的过程中含水矿物脱水释放高压流体,从而引起地震(图7)[87]。Zhao等[88]对日本岩石圈速度结构和地震分布进行了研究,认为太平洋板块俯冲产生的流体和岩浆是诱发地震的主要原因。同时高温高压下蛇纹石脱水实验结果也表明板块由于矿物脱水会发生脆化,脆化的板块错断也会引发地震[39, 89-90]。在陆陆碰撞的地质背景下,Zhang等[91]对四川盆地长宁6.0级地震进行了研究,发现由于印度板块深俯冲导致软流圈地幔上涌,产生的流体导致地壳内发震层的应力积累并诱发地震。在华北克拉通内,刘文玉等[92]对怀—涿盆地内地震成因进行研究发现,盆地内部存在高温流体,流体在檐式结构薄弱区富集并使得应力积累,导致岩石破裂,从而诱发地震。以上研究说明,流体是直接驱动地震活动的重要深部因素。

据文献[87]修编。

地震诱发机制中无论是弹性回跳理论或其他理论均强调脆性破裂和断裂滑动[47, 93]。断裂(层)作为地震产生的关键,当其脆性变形破碎并快速释放能量时会诱发地震。例如,在青藏高原北缘,由于印度板块俯冲,发育了多条大型活动断裂带,区域内两次8级地震都与发育的大型断裂带相关[94];同时断裂应力状态分析结果显示,区域断裂闭锁性强,应力积累速率高,具有未来强震危险[95]。在高压背景下,由于断裂可作为流体运移的通道,流体会影响介质应力的重新分布,使得断裂产生较高的不稳定性,从而诱发地震[96]。该过程是断裂诱发地震的另一种方式,且在涿鹿地震[92]、松原地震[97]和汶川地震[98]等研究中均发现该地震活动驱动过程。

根据以上总结的成因机制和驱动要素,认为地热资源和地震活动从孕育到形成的过程可以分为3个阶段:第一阶段为水在软流圈形成部分熔融物质,并在构造薄弱位置进入岩石圈,这些部分熔融热物质(岩浆)是地热系统和地震活动的“源”;第二阶段为岩浆以管道流形式上升到地壳底部,随着温度的降低,含水岩浆固结成岩、释放水并产生挥发性物质,作用于周围岩石或断裂从而导致地震;第三阶段为断裂作为良好的导水导热通道,将流体运移到浅部,在合适的位置形成浅部热储,同时也可能诱发地震。可以看出,作为源的流体以及作为通道的断裂贯穿整个过程,所以可以将其视为研究共生机制的切入点。

3 典型地热资源与地震活动共生环境

3.1 俯冲板块前缘

环太平洋地震带同时分布大量活火山和地热资源。地震探测得到的日本岩石圈速度结构表明大部分壳内大地震发生在低速区或低速区周边[87]。而大地电磁观测发现,在世界各地的各种地热带、活火山和活动断裂上,深部都存在从浅层延伸到地壳中的垂直电导体[12, 99]。通过估算日本九州火山下的高分辨率三维地壳电阻率结构,发现活跃地热区和过去火山喷发的地表位置均位于深部导体上方,突出了在火山北部与深导体合并的次垂直导体,深低频地震发生在该导体东南边缘附近;这些亚垂直的导体、浅的富黏土层、发育的断裂系统和高强度的凝固岩浆都可能促进了岩浆流体向九州火山地表的输送[2](图8)。

星星. 地热发电厂; 白色虚线、实线. 志下町、麻生破火山口边缘;空心三角形. 第四纪火山;C1、C1ne. 高导体。据文献[2]修编。

受欧亚板块与太平洋板块及菲律宾海板块在中国陆源地带消减、俯冲、碰撞的直接影响,漳州盆地与相邻地带地质构造复杂,水热活动强烈,并伴随小地震的频频发生[100]。结合区内断裂与温泉等地热资源的位置联系(图9),可以看出地热资源基本上分布在与燕山期花岗岩相关的断裂和裂隙系统中,即属裂隙型呈带状展布的地热显示。根据已有地震记录,1067—1601年间,漳州盆地内发生过5次地震,最大震级为6级[101]。震源分布的密度和地震发生的强度均为由西向东增强、由北向南增强,显示出地震活动与地热资源具有同步性,并且均由深部物质与能量交换所致[102]。滕吉文等[100]揭示地壳内10～16 km处存在一个以漳州盆地为中心、向两侧延伸的低速透镜体,且被1条由上地幔软流圈穿过、壳幔边界至近地表的深大断裂贯穿,其中低速透镜体可能是一个干热熔体且在逐渐固化,深大断裂可能是上地幔软流圈热液物质向上运移的通道,为该低速体补充热量。幔源热物质在沿深大断裂向上运移的过程中,不但为近地表提供了热源,使得漳州盆地内形成温泉水富集区[103],同时驱使近地表一系列断裂活动形成地震[101]。这可能是漳州盆地及邻区内地热资源发育和地震活动频发的重要原因。

据文献[100]修编。

3.2 陆陆碰撞板缘

新生代以来印度板块与欧亚板块之间持续的碰撞,形成了喜马拉雅造山带并使得青藏高原抬升[104]。同时,持续到现在的印度板块俯冲事件也导致了一系列构造作用的发生,包括沿高原生长方向的纵向挤压缩短、隆升[105]以及高原物质的横向挤出逃逸[106-107]。青藏高原东南缘是高原生长的东部边界,存在一系列北向、北东向的断裂构造和两侧完全不同属性特征的地体,在挤压作用、挤出事件持续发生的情况下,具有特殊的地质构造背景。特别是新构造运动时期,该区域地热以及地震活动十分显著[108-110],是研究地热资源与地震活动共生深部机制的理想位置。

青藏高原东南部的高黎贡剪切带(GLGSZ)被视为印支板块的西边界[111-112]。作为物质横向挤压的重要通道,青藏高原东南部具有地震、活火山等复杂的构造运动[113]。大地电磁三维反演结果揭示GLGSZ西部的腾冲火山下方存在3个高导体,被认为是由深部上地幔部分熔融带支持形成的较高熔融程度的岩浆储层(C1、C2、C3),同时GLGSZ附近的中震级地震均发生在上地壳电阻层底部的高导断裂带内,证明地震的发震结构可能与岩浆库的流体有关,断裂带可以作为热流体的上升通道[113](图10)。

蓝色三角. 大地电磁测点;红色三角. 火山;白点:地震活动性;红星. 地震震源;黑色虚线. 上升热流体;黑色、红色实线. 断裂。F1. 龙川江断裂;F2. 怒江断裂;F3. 瑞滇断裂;F4. 大盈江断裂;TCB. 腾冲地块;BSB. 保山地块;RD. 瑞滇;GD. 固东;MZ. 马站;TC. 腾冲;RH. 热海;C2、C3. 高导体。据文献[113]修编。

幔源氦可作为地球深部物质来源的示踪剂,能反映深部岩浆、流体活动的迁移路径。基于氦同位素研究,王云等[114]揭示了地表高热流及地震活动和深部流体之间的关系。地热异常区与高幔源氦(R/Ra>1)释放区和上地幔低速异常区三者在空间分布上能够较好吻合,说明浅层地热异常在成因上与地幔软流圈上涌有关。而强震源在空间上主要位于地热异常区的温度梯度带上或2个地热异常区的过渡带上,深部流体(包括幔源流体和壳源流体)活动导致震源区热状态的改变是触发大地震的关键因素(图11)。

强震活动一般与幔源流体的向上运移有关,而同时大量的物质和热量也被带入浅层地壳形成地热异常,这种幔源物质的渗透性尤其在伸展构造或剪切应变较强的地区更为显著,这可能也是青藏高原东南缘成为地热资源发育和地震活动频发区域的原因。

3.3 板内稳定地块

地壳中的流体被认为在地震和热能的释放中起到至关重要的作用,特别是在发散的板块边界。断裂作为流体运移的通道,因活跃的地震活动而保持开放,使得地下水循环到深层高温地区,并以热流体的形式流回地表[15]。连续的小震级地震活动是由于循环地下水流体对深部热岩石的作用,去除岩石热量的同时引起断裂面上有效法向应力降低,这一过程降低了断裂强度,持续地作用最终导致断裂破裂,引发地震[115]。

中国松辽地块位于多重构造体制交汇处,其形成演化受到古亚洲洋和蒙古-鄂霍茨克洋闭合以及古太平洋板块俯冲的影响[116-117]。太平洋板块俯冲后滞留在东北地区地幔转换带深部[118],其携带的水向上运移在软流圈底部发生熔融[119]。大地电磁探测发现松辽盆地上地幔软流圈存在含水导致的部分熔融物质[120-121]。上涌的部分熔融热物质可以作为盆地地热系统的主要热源[122-123]。上涌的岩浆遇到脆性的上地壳,滞留在脆性-塑性过渡带及其下部,形成“底垫体”[124]。位于盆地腹地的松原市近年来发生多次5级以上地震[125]。地震区三维电阻率模型揭示地壳深部存在含水熔融物质,在其向上运移的过程中,在下地壳发生岩浆侵位,释放流体,流体在弱化断裂强度的同时,通过增加孔隙压力降低断裂的抗剪切强度,使断裂失稳,诱发地震[14](图12)。松原地震是流体诱发的地震,而释放流体的岩浆体为盆地地热系统的次要热源[122],证明地震与地热在形成机制方面息息相关。

FZF.扶余—肇东断裂。据文献[14]修编。

加利福尼亚的Sierran微陆块是位于太平洋板块和稳定的北美洲之间变形带内的板块碎片,其中的Coso地热田,是Coso山脉中部的一个世界级地热资源,该地区地震活动频繁。根据区域地震数据反演加州中东部上、中地壳三维vP(纵波速度)、vS模型,发现在Coso地热田中部0～3 km深度显示的低vP、低vS区域为地热储层,下方的低速带为充当热源的岩浆房;重新定位的地震活动在地热田附近形成空间聚集特征,且地震活动在Coso地热田中部深度变浅;地热区可能被自封闭的脆-韧过渡层所覆盖,当脆-韧过渡层转变发生偶发性断裂时,暂时的流体上升可能会增加局部应变率,并驱动韧性岩石持续脆性剪切破坏(可能表现为地震活动群)[126](图13)。

紫色虚线. 第四纪早期断裂;黑星.Coso地热田;红星.红山火山。据文献[126]修编。

4 地热及地震共生机制研究展望

1)高温地热资源与大型地震活动通常发生于构造运动活跃的板块边界。板缘地热和地震机制研究较为成熟,已形成了较为公认的理论,而板内地热与地震成因机制尚不清楚。虽然地热活动与地热资源富集是现今地下结构与物质交换过程的结果,但早期构造体制的继承性对现今格局的影响往往被忽略,是今后研究的重点。

2)地热资源与地震活动的外因是构造体制作用的结果,内因则取决于物质与结构属性。前人基于地质、岩石物性实验、数值模拟计算、地球化学和地球物理等结果,较为完善地总结了地热系统的“地质要素”及地震活动的成因机制;但研究认识仅停留于两者的观测特征及转换关系,缺乏完整的地震活动和地热资源的深部控制与共生体系及相关理论。建立统一架构是共同解决资源与灾害问题的捷径,也是宜居地球和新能源安全供给两大战略目标的关键性科学问题。

3)流体和断裂对地热和地震的形成与控制起到关键作用。两者都可能引起较为明显的电阻率异常,利用大地电磁对导电性敏感的优势研究这2个基本要素,可以取得较好的效果。同时地震活动多数发生在低速区周边,作为热源的岩浆体表现为高导低速的特征。地球物理联合反演是综合地球物理领域重要的方法技术,是当今国内外地球物理学科的发展方向和必然趋势。基于联合反演技术可以使各方法互为约束、互相补充,减少多解性,提高地球物理解释的精度。在此基础上,应重点攻克考虑温压条件下的岩石物性和地球化学结果,实现地热资源与地震活动深部控制要素属性与结构的双重表征。