[发明专利]一种研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法

说明书

本发明公开了一种研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法，通过使用透明类岩石材料制作断层模型，利用喷砂手段模拟不同断层面物理状态，采用高频多场测量(应力、应变、位移)进行断层破裂过程关键参数的计算，在双轴加载系统下向断层面进行注水实验，可以完全“看”到诱发地震从孕育到失稳破裂的全过程，进一步研究注水诱发地震破裂过程的机理，以及不同注水条件下注水诱发地震的特点。本发明对探究注水诱发地震全过程变化提供了技术支撑，为探明诱发地震破裂演化提供了可能。

技术领域

本发明涉及地球物理学构造物理技术领域，特别涉及一种研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法。

背景技术

近些年来几乎大多数诱发地震都与能源开采过程中的流体注入有关，注水诱发地震已经成为当研究和讨论的一个焦点(Ellsworth.，2013)，并且可能随着工业、能源相关活动的进一步发展而继续深入(Keranen and Weingarten,2018)。比如科罗拉多州丹佛市1967年发生的Mw 5.5地震(Healy et al.，1968；Davis and Frohlich.，1993)，2011年发生在俄克拉荷马州布拉格的Mw 5.7地震(Keranen et al.，2013；Van der Elst et al.，2013；McGarr.，2014；Sumy et al.，2014)和2017年韩国浦项市发生的Mw 5.5地震(Kim etal.，2018；Grigoli et al.，2018)。

注水诱发地震实验存在不同尺度:1)大规模原位实验(千米尺度)，目的是研究不同的注入实践如何影响诱发地震活动的地震特征；2)中等十米尺度，在真实的自然断层上进行注入实验，并伴随着密集的监测网络；3)小尺度实验室注入实验，包括在实验室中对岩石样品进行的实验(厘米尺度)，以研究如何通过地震活动和地震滑动来研究断层的活化过程。其中，室内小型实验室注水实验是研究注水诱发地震最可控的方法，它主要包括研究不同参数(断层粗糙度、应力状态、注入速率、断层渗透率和孔隙度等)对断层活化过程的影响，为了能够连续观察注水诱发地震过程的特点，目前所采用的实验方法多以三轴注水试验为主，样品采用中间预制斜切面和顶端注水孔的圆柱岩石试样，并在外包裹热缩管后进行三轴加载后向断层面注水，通过声发射探头与轴向应力变化监测诱发地震事件信息。由于三轴岩石实验方法已发展较成熟，所以这种传统的注水诱发地震的实验应用广泛。

通过前面分析可知，根据国内外研究现状调研可以发现目前注水诱发地震实验室研究方法多是基于岩石材料与传统的接触式测量方法，其实验步骤与普通三轴试验类似，通过加载端的位移、应力的监测以及声发射信号分析注水诱发地震的过程，然而注水直接诱发地震事件并不是流体注入唯一的影响结果，它有时也会先诱发一些无震滑移之后再加速为较大的地震事件，目前已经在原位注入实验中到(Guglielmi et al.，2015b；Duboeufet al.，2017)以及实际注入活动中(Bourouis and Bernard,2007；Wei et al，2015)被观察到，但上述传统实验测量方法的限制测量方式仅能够采用接触式测量，无法真正“看”到诱发地震破裂的全过程，也无法监测到流体与断层破裂之间的相互作用，所以很难对包含无震滑移等特殊过程的诱发地震全过程进行监测；另外此方法对加工样品与实验条件比较严格，如岩石材料通常加工成孔困难，同时还需要在三轴围压加载的条件下通过热缩管做好防水措施，防止地震信号监测装置受到破坏。这些实验方法的不足之处对进一步研究注水诱发地震的机理造成了阻碍，目前还没有能够全面解决这些问题的改进实验方法。

类岩石材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的剪切模量比岩石低(约20倍)，这在用于在较小的实验室样品中实现动态破裂过程具有重要的实验优势，它可以显著降低所有相关等临界长度(如临界裂纹尺寸和破裂成核尺寸)的尺度，而岩石试样通常需要几米以上，这样在实验室条件下能够在几十厘米的样本中研究地震破裂过程，这种材料已经在实验室地震研究中有广泛的应用(Lu et al.，2006；Xia et al.，2004，2005；Mello et al.，2010；Rubino et al.，2015)。这种类岩石材料配合数字图像散斑技术(DIC)非接触式测量方法实现对地震破裂过程进行完整测量。