◇◇新语丝(www.xys.org)(xys3.dxiong.com)(www.xysforum.org)(xys2.dropin.org)◇◇   地下水的纵向分布和压力   作者:Amsel   在讨论“地震前兆”以及“水库诱发地震”的时候,必然涉及到地下水分布 和压力的一些问题。虽然由于地球的“不可入性”,人类无法深入到地下的足够 深度,来时时监测地震的形成过程,但是,为了开采地下水、石油和天然气,几 千米深的钻井非常普遍。对这一深度的地层岩石和流体特征,已经有了足够的材 料和充分的认识。任何有关地震的观点,不能违背这一深度的观察结果;而了解 地下水的一些知识,也可以排除关于地震的某些想象。   地下水存在于地球表层和浅部的土壤、砂层、粘土层以及岩石的孔隙、裂缝 和孔洞当中。这些岩土层的孔隙体积(孔隙度)和孔隙联通情况(渗透率)各不 相同。从地表向下,直到第一个广泛分布的低渗透层(比如一段粘土层)之上, 水体是连通的,水面高度受蒸发、降水和地表径流的影响。这段低渗透层之上的 水层叫做“潜水层”。潜水层的压力是正常压力,即,水面为1大气压,深度每 增加10米则压力增加1大气压。   在潜水层底部的低渗透层之下,水体与当地地表水之间的沟通不再通畅、互 相的影响比较缓慢。这一水层的水源可能来自远方地势比较高的地区(或者说 “水头”更高),所以压力可以大于正常压力。这样的水层叫做“承压水层”。 承压水层并非只有一层:从潜水层底部向下,含水透水较差和较好的粘土层、砂 层可以交替出现,所以可以相应出现多个分隔层和多个承压水层,总的趋势是, 越向下,和地表水的沟通越差,矿物含量越高。   当进入岩石层之后,低渗透层的分隔作用更加明显。各类岩石的孔隙度、渗 透率千差万别,比如,沉积岩中的砂岩孔隙度最大,渗透率也最好;石灰岩孔隙 度可大可小,甚至可以出现溶洞,但是孔隙之间的沟通一般比较差;泥岩、页岩 的孔隙度和渗透率都很差。而结晶岩(即岩浆岩和经过了地下高温高压改造的变 质岩)孔隙度和渗透率都非常低。透水性好的岩石和不好的岩石,在横向和纵向 上都可以交替出现,因此地下水被分隔在一个个封闭的空间,互相很难连通。如 果地层中存在石油和天然气,由于它们比水轻,所以就分布在这些封闭空间的顶 部的岩石孔隙里面。   地层中这些封闭空间互相沟通的情况,还受到岩石破裂程度的影响。一个正 在活动的断层,可以沟通不同部位的地层水。同样,地下应力的积累也可能造成 岩石出现很多小的裂隙,从而增加岩石的渗透率。不过,当应力释放之后,地下 水中的矿物质又会沉淀在这些缝隙当中,把它们重新封堵起来。   几公里以下的地层水,不同部位之间连通的情况已经相当微弱。其压力基本 不再受地表水影响,很多时候大大偏离了正常压力。比如,在邻近高山的地区, 洪水把大量砂石持续堆积到地表,结果地下的岩石在纵向上不断被压实、深埋, 孔隙体积变小、岩层温度上升,因此地层水的压力持续增加。又比如,横向挤压 的构造应力也会压缩岩石孔隙,从而增加地层水压力。龙门山处于青藏高原和扬 子板块之间强烈挤压的部位,附近的地层流体压力就大大高于正常压力。而当这 些地层突然和地表沟通之后,地层流体会溢流或者喷涌到地表,比如钻井中的井 喷,又比如这次龙门山地震之后个别地点出现来自地层中的热水。   地层中的岩石总体上越向下越致密,所以地层水含量也越来越少;而且或浅 或深一定会出现基岩(透水性很差的结晶岩)。而随着深度的增加,地层温度也 不断升高。这时岩石发生变质作用,一些矿物发生化学反应,形成水和二氧化碳 这样的流体。在这种变质条件下,岩石基本不存在裂隙和节理,流体所处的空间 分隔得更小,流体压力可以达到岩石应力(岩石应力来自上面地层的重力,和构 造作用引起的侧向挤压应力),大致是正常压力的2.5倍到3倍。另外,地层很深 的时候(比如在这次地震19公里的震源深度),地温甚至超过了纯水的临界温度 (374摄氏度),这时水只能以气态存在。   联系到紫坪铺水库和汶川地震的关系,上面这些知识能够排除一些似是而非 的猜测。要把水库和地震联系起来,靠的是三点:①水库水体自身重量导致应力 增加;②水体高度增加导致地层流体压力增加(降低有效正应力);③水库水体 迫使地层水顺着断层下渗(降低岩石强度,使得断层更容易活动)。   上述第一点显然可以用这样的事实排除:水库自身重量与承担它的地质体相 比,微不足道;由于地层存在围压,越往深、水库重量越被分散到更大面积的岩 体上。因此,水库水体尽管看起来很重,但是并不能导致纵向的应力向下无限传 递。按照水电部门自己的有限元计算,“在水库正下方10km深度,库水荷载的附 加应力已小于自重应力的0.05%”(注1)。   所以,有关“水库诱发地震”的说法,只能采用上述第二、第三点做依据。 而根据前面的介绍,地下几公里以下的地层流体压力普遍高于正常压力,其压力 并不受水库蓄水的影响;在震源深度,流体处于高温高压状态(相比于地表而 言)。在龙门山这样的挤压地区,在几公里以下的深度不可能出现张性断层;而 即使深处的地层能够通过断层与地表沟通,地层流体也只能是向地表方向迁移 (所以地震之后出现新的热水点),而不是相反。   同样,意识到地层浅部分布着大量地下水,也可以排除一些不可靠的“地震 前兆”。例如,许多国家的研究人员都曾报导地震之前的电离层异常,国内也有 也有很多爱好者醉心使用无线电收音机来接收“地震信号”。但是根据美国地质 调查局(USGS)总结,“尽管这方面的工作做了几十年,未曾发现电磁前兆令人 信服的证据(no convincing evidence of electro-magnetic precursors to earthquakes has been found, despite decades of work,注2)”。这一结果 可以从地下水的角度考虑:因为地下水能够强烈吸收电磁波,所以空气中和浅地 表的一些电磁现象很难反映震源深度的岩石变化。   注:   (1)李敏、汪雍熙,“紫坪铺水库与5.12汶川大地震有关系吗?”, http://www.xys.org/xys/ebooks/others/science/misc/wenchuan502.txt   (2)美国地质调查局关于“全国地磁项目”的常见问答, http://geomag.usgs.gov/faqs.php#thirteen (XYS20090321) ◇◇新语丝(www.xys.org)(xys3.dxiong.com)(www.xysforum.org)(xys2.dropin.org)◇◇