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摘 要： 摘 要: 采用場內鉆探流體實時分析和場外鉆探泥漿分析的方法, 獲得汶川地震斷裂帶科學鉆探工程 4 號鉆孔(WFSD-4)中深部井段流體多組分分析結果。研究鉆孔深部井段的流體剖面地球化學特征, 認為來自地下深部流體在鉆探過程中會保存在鉆探循環泥漿中, 隨鉆流體實時分析可
摘 要: 采用場內鉆探流體實時分析和場外鉆探泥漿分析的方法, 獲得汶川地震斷裂帶科學鉆探工程 4 號鉆孔(WFSD-4)中深部井段流體多組分分析結果。研究鉆孔深部井段的流體剖面地球化學特征, 認為來自地下深部流體在鉆探過程中會保存在鉆探循環泥漿中, 隨鉆流體實時分析可記錄明顯的組分變化信號。鉆孔巖心的巖性變化易引起鉆探泥漿氣體的變化, 特別是鉆探泥漿氣體中的多組分變化, 在鉆孔巖性裂隙較為豐富的井段, 是鉆探泥漿氣體組分變化強度較大區間。通過比較鉆探泥漿的多組分和巖心巖性的弱相關性, 可以推測鉆探流體與余震相關性較強的區域和周期, 更可能獲得鉆探流體與余震的相關程度。
關鍵詞: 流體實時分析; 場外分析; 汶川科鉆; 泥漿氣體; 地球化學
實施大型科學鉆探工程是國家科技倡議之一, 也是國家科學研究水平和工程技術能力的一種體現, 得到中外科技工作者的關注(Jorg and Stober, 2005; 許志琴等, 2008)。汶川地震斷裂帶科學鉆探工程 (WFSD)是圍繞大地震而進行的鉆探工程, 在我國也是首次實施此類科鉆工程, 盡管地震預報的難度很大, 但是人類不能停止對其的探索和認識, 特別是我國作為發展中國家, 需要不斷利用新的科學技術, 不斷探索新的途徑來提升對地球內部活動機理的認識(許志琴等, 2005; 李民, 2007; 車用太等, 2008; 董樹文等, 2009)。
流體, 特別是地下流體, 是地球內部的最活躍物質, 其與地球內部活動關系密切(張澤明, 1998; 羅立強等, 2004a, b; Tang et al., 2014)。地球內部存在著力學和物理化學方面的動態平衡, 在地球內部活動時, 通過地球內部固、液、氣的相互作用、能量傳遞和物質交換, 把深部信息傳遞到地球淺部區域, 從而更容易被研究人員發現(李民, 2007; 董樹文等, 2008; 魏樂軍等, 2008; 周曉成等, 2012)。
隨鉆流體實時分析是近似深入到地球內部的一種分析監測技術, 能隨著鉆探工程鉆孔的深度而不斷獲得地球內部不同深度的流體信息(羅立強等 2004a, b; Luo et al., 2004; 許志琴 et al., 2005)。國內外的氣體組分與地震前兆關系研究目前已以土壤氣、天然地表水和地表氣體為對象開展研究工作, 但這些研究對象主要監測范圍在地表以下較淺的部分(魏樂軍等, 2008; 車用太等, 2008)。從鉆探工程的鉆孔中獲得的流體多種組分信息, 將更不易受到地表其他因素干擾, 更能準確獲得地表以下、地下較深處的地球內部活動, 從而為地震監測或預警提供最直接的來自地下的基礎數據(唐力君等, 2010, 2011; Tang et al., 2014, 孫青等, 2005; 王煥等, 2010; Tang et al., 2014)。
本文依托汶川地震斷裂帶科學鉆探工程 4 號孔 (WFSD-4)的隨鉆流體實時分析數據和所采集的流體樣品, 進行場內實時分析和場外分析, 包括使用氣體質譜儀進行場內鉆探泥漿氣體的隨鉆實時分析和使用原子熒光光譜法進行場外鉆探泥漿固體、液體中汞的檢測(唐力君等, 2006, 2010, 2011), 獲得流體多種分析數據, 并對這些實時分析數據和場外分析數據進行分析和對比, 獲得流體與鉆孔巖性和構造活動的關系。
1 WFSD-4 孔鉆探和現場流體分析
汶川地震斷裂帶科學鉆探工程在汶川大地震和復發微地震的源區——龍門山斷裂帶實施了數口中-淺科學群鉆, 對鉆探的巖芯、巖屑和流體樣品進行多學科觀測、測試和研究(許志琴等, 2008; Li et al., 2013, 2014), 其中 WFSD-4 鉆孔是科學群鉆的主孔之一, 如圖 1(Li et al., 2013; 唐力君等, 2013), 位于四川省平武縣南壩鎮舊洲村, 距龍門山地表斷裂帶約 1.9 km。WFSD-4 于 2012 年 8 月 6 日開鉆, 2014 年 2 月 11 日完鉆, 鉆孔井深 2338.77 m。
伴隨著鉆探工程, WFSD-4 鉆孔的鉆探現場流體實時分析也同步進行。鉆探現場流體實時分析采用負壓方法進行鉆探泥漿脫氣, 隨后, 鉆探泥漿氣體經過抗壓耐熱管被引入到現場實驗室進行儀器分析(唐力君等, 2006; 唐力君等, 2010)。WFSD-4 鉆孔除了采用 OmniStar 型在線質譜儀, 還采用 RAD-7 型在線測氡儀, 在線同時檢測鉆探泥漿氣體中 H2、 He、CH4 和 Rn 等組分, 這些儀器在野外惡劣條件下可長期、穩定地進行現場實時檢測(Jorg et al., 2006; 唐力君等, 2010; Tang et al., 2013)。
2 鉆孔中主要可采集樣品
在鉆探工程中, 通常需要采集大量的巖心和巖屑, 這些固體樣品的采集也是科學鉆探工程的主要目的和最主要研究對象。但是在特殊井段中, 由于不需要全孔取心, 或者容易出現巖心缺失和巖屑無法循環到地面等狀況, 從而導致無法采集到對應深度的巖心、巖屑等固體樣品的情況, 而氣體樣品、泥漿樣品在鉆探過程中容易循環到地面, 易于保證樣品采集和研究的連續性(羅立強等, 2004a, b; 唐力君等, 2006, 2011; Tang et al., 2014), 為研究鉆孔不同深度的地球化學變化提供不可再現的樣品信息。
2.1 鉆探泥漿氣體樣品
鉆探泥漿脫氣過程是在地面對含有鉆孔底部流體的鉆探循環泥漿進行氣液分離。通過改造鉆探循環泥漿管路, 特別是在最靠近鉆孔循環泥漿出口的改造, 并通過泥漿攪拌裝置且采用微負壓辦法, 可實現鉆探循環泥漿的氣液分離, 從而采集來自鉆探循環泥漿攜帶出來的鉆孔地下深部的氣體樣品 (羅立強等 2004b; Jorg et al., 2006; 唐力君等, 2006)。
2.2 可采集泥漿樣品
鉆探過程中使用的鉆探泥漿通過鉆桿內外的空間進行循環, 不斷在孔底和地面進行交換, 同時把鉆探過程中的鉆孔底部的巖屑、流體等攜帶至地面。因此鉆探泥漿與鉆孔底部流體不可避免會產生反應和接觸融合, 從而在鉆探泥漿的氣體和液體中保留有相關鉆孔底部信息。研究人員通過采集循環到地面的含有鉆孔底部信息的巖屑、流體等的鉆探泥漿, 對其進行深入分析和研究將可能獲得鉆孔不同深部特征(張偉等, 2012; Li et al., 2013), 如對鉆孔中巖屑的觀察, 可初步確定鉆孔對應深度的巖石類型。
3 現場分析和場外分析
汶川科鉆的隨鉆實時流體分析全程檢測鉆探過程中的 Ar、CH4、H2 等多種流體組分, 為探討地下流體與地震前兆關系提供基礎資料(許志琴等, 2008; 唐力君等, 2013; Tang et al., 2014)。通過場內和場外分析數據對比研究, 特別是在全面鉆進階段, 即不取巖心的鉆進過程中, 隨鉆流體實時分析的重要性以及所采集樣品的不可再現性均得到進一步體現, 為地震等地學研究提供來自地下深部的直接數據(曾令森等, 2005; 孫青等, 2005; 王煥等, 2010; Tang et al., 2014)。
3.1 場內流體實時分析
鉆探泥漿經過氣液分離后, 鉆探泥漿氣體通過抗壓耐熱管引入到現場實時分析實驗室進行場內分析, 目前主要是通過氣體質譜儀和測氡儀進行實時分析, 包括使用氣體質譜儀場內實時分析鉆探泥漿氣體中 H2、He、CH4、CO2、N2、O2、Ar 和使用測氡儀場內實時分析 Rn(羅立強等 2004b; Jorg et al., 2006; 唐力君等, 2006, 2010)。
鉆探泥漿氣體分析一方面是由氣體屬性決定, 另一方面也是鉆探工程需要, 現場流體實時分析結果可為鉆探工程提供直接, 甚至是決策性的數據支撐(Luo et al., 2004; 羅立強等, 2004a, b; Jorg et al., 2006)。例如, 在易出現易燃氣體組分的井段中, 需要及時提醒采取特別措施保證現場用電、用火安全, 而且現場流體實時分析實驗室也曾經檢測到高含量甲烷, 其濃度已超過氣體可燃限。
3.2 場外泥漿汞分析
場外分析主要是利用 DMA-80 測汞儀測定所采集鉆探泥漿樣品中的汞, 包括泥漿濾液中的汞和泥漿固體中的汞。首先將泥漿樣品過濾, 吸取 0.100 ml 的濾液放入測汞儀自動進樣器中, 測出濾液中的汞的含量。將過濾出的泥漿取部分放入蒸發皿中, 在控溫 100 度電熱板上蒸干(晾干), 將干泥塊搗碎稱取 0.1 g 放入自動進樣器中測其汞的含量(范凡, 2003)。
4 流體地球化學特征和巖性對應關系
4.1 鉆探流體多組分地球化學特征
在 WFSD-4 鉆孔的 1600~2200 m 的鉆進期間, 特別是在 2012 年 12 月, 鉆孔附近發生了 MS3.0 級以上的余震 7 次, 其中在 12 月 1、13 日發生了兩次 MS4.0 級的余震, 是余震高發的月份, 另外, 鉆探工程、流體變化出現了許多不同于其他鉆孔的變化, 需要進一步區別和分類隨鉆流體組分, 探討鉆探過程中地下流體組分的變化規律, 更好利用流體分析數據, 并利用實時和場外檢測數據判斷鉆探過程中不同井段對應的隨鉆流體, 厘定地下流體在鉆孔中可能的侵入區域(Thomas et al., 2007, 2008; 劉舒波等, 2012; 唐力君等, 2013; Tang et al., 2014)。
對該井段中的泥漿樣品的分析結果如表 1, 泥漿液體中測量的汞的最大值為 0.66 μg/L, 對應的井深為 1746.96 m, 最小值為 0.33 μg/L, 對應的井深分別為 1903.02 m, 1962.92 m, 1976.14 m, 平均值為 0.33 μg/L, 有 9 個樣品的測量值近似平均值, 最大值是最小值的兩倍, 表明泥漿液體中的汞含量的區別明顯。泥漿固體中測量的汞的最大值為 385 ng/g, 對應的井深為 1768.69 m, 最小值為 228 ng/g, 對應的井深為 1711.53 m, 平均值為 273 ng/g, 最大值為最小值的 1.69 倍, 小于液體中的汞。
通過把場內的鉆探現場流體實時分析和場外的鉆探泥漿中汞的測定結果, 按照表 1 的鉆孔深度以及所對應井段的流體實時分析獲得的多組分濃度進行作圖, 如圖 2 所示, 多組分濃度與表 1 的井深一一對應。泥漿氣體組分測定采用歸一化處理, 是一種相對量, 其中氫的最大值為平均值的 1.37 倍, 氦、甲烷、氮、氧、氬和二氧化碳分別為 1.72、5.34、 1.02、1.03、1.12 和 1.29 倍。總體上看, 泥漿氣體中含量高的組分出現異常變化的幅度較小, 進一步說明了氮、氧和氬作為異常識別組分的難度, 氫、氦和甲烷作為含量低的組分, 較易受到地下異常信息的影響, 從而較易獲得地下異常信息。氫和氦的最大值對應的井深均為 1777.72 m, 甲烷的最大值對應的井深為 1750.23 m, 略滯后于泥漿液體中的汞; 氫和氦的最小值對應的井深均為 1976.14 m, 與泥漿液體中的汞相同, 呈現出泥漿氣體和液體的一致性。
由圖 2 可看出, 在鉆孔井深大約為 1750 m 和 1780 m 左右, 多種組分有突變的趨勢, 特別是在 1750 m, 泥漿氣體、液體和固體中均出現較為明顯的突變峰值, 表明在該深度井段中, 鉆孔深部突然快速侵入大量地下流體, 其中泥漿液體中的汞, 泥漿氣體中的甲烷、二氧化碳均為最高值正異常變化, 且泥漿液體中僅在該處出現明顯的異常變化。在 1780 m 處, 多種組分出現跳躍式的變化, 泥漿固體中的汞出現最高值正異常變化, 同時泥漿液體中的汞在較深井段再次出現正值異常變化, 可以推斷汞的變化是由固體引起, 液體中的汞是由鉆孔固體逐漸釋放到泥漿液體中的。另外, 泥漿氣體中的氫、氦、甲烷也出現正值異常變化, 氮和二氧化碳出現高負值異常變化, 氧和氬為高正值異常變化。另外, 在 1880 m 處, 多種組分也有明顯的同時異常變化, 包括泥漿固體中的汞。
4.2 流體組分與巖性對應關系
WFSD-4 鉆孔根據地學研究需要和鉆探工程設計要求, 在 1550~1893 m 期間, 采取不取心的全面鉆進, 但在鉆探泥漿循環過程中, 按照每隔 1 m 收集 1 kg 巖屑, 做巖屑編錄和化學分析(王煥等, 2010; 張偉等, 2012; Li et al., 2013, 2014)。采集的巖屑中, 其中在 1550~1893 m之間的巖性主要為變(細)砂巖、板巖和炭質板巖為主。采集的巖心中 , 在 1980.00~2315.72 m 之間的巖性主要由變(細)砂巖、碳質板巖組成, 夾有長英質脈、斷層角礫巖、碎裂巖和斷層泥等。
具體的鉆孔巖心巖性見圖 3。變質砂巖中的裂隙較為發育; 碳質板巖、板巖板狀劈理非常發育, 巖心極為破碎; 斷層角礫巖組成為角礫及基質二部分, 角礫成分為含碳質板巖、方解石及石英等, 呈棱角次棱角狀, 基質為泥質及磨碎的巖粉, 斷層角礫巖主要原巖為碳質板巖; 斷層泥為泥質, 含量約 70%, 多為條帶狀, 每條帶厚度約為 0.02~0.10 m。
為更精細地區分深部流體地球化學特征, 流體各組分按照每半米一個測量數據進行作圖, 如圖 4。
從巖性剖面和流體各組分剖面對比可看出, 在巖心 1880~1895 m 間出現板巖和砂巖的交錯帶, 同時引起了流體的多組分變化, 特別是泥漿氣體中的組分變化。
在 1980 m 處, 鉆探泥漿氣體在鉆孔巖心出現變質砂巖時, 多個組分出現明顯的異常變化, 類似異常變化也在 2050 m 處出現, 均為同樣巖性引起, 只是變化幅度較低, 這應該是變質砂巖裂隙較為發育, 巖性比較完整, 從而在這段巖心中氣體容易儲存、遷移的結果。另外, 在 2060 m 之后, 出現斷續的斷層角礫巖, 鉆探泥漿氣體中的甲烷也是斷續上升, 這跟斷層角礫巖中主要原巖為炭質板巖相關。還有, 在 1600~1980 m 期間, 甲烷、氦等多個組分濃度, 隨著鉆孔井深有明顯的波動變化, 但該段的巖性變化不大, 因此這些鉆探泥漿氣體的波動變化圖 4 WFSD-4 號孔 1600~2300 m 流體剖面 Fig. 4 Fluid profile of 1600~2300 m in WFSD-4 橫坐標為鉆探泥漿氣體中各種組分的濃度, 濃度值的間隔為每半米一個值(% v/v), 縱坐標為鉆孔深度(m) The horizontal axis represents the concentrations of various components in drilling mud gas, the value interval is every half meters (% v/v), the vertical axis represents the drilling depth in WFSD-4 (m) 與巖心巖性的相關性較弱(Tang et al., 2013, 2014), 而此期間, 恰好是鉆孔附近區域的余震多發時間, 流體與余震的相關性較強, 更有可能探討鉆探流體變化與余震等構造活動的相關程度, 獲得余震前兆流體變化特征。
5 結論
鉆探過程中不斷在地表和鉆孔深部循環的泥漿, 也在不斷地與鉆孔地下深部產生反應及接觸、融合和交換, 同時把鉆孔底部的巖屑、流體等地下物質和信息攜帶至地面, 為地面研究人員提供了來自鉆孔地下深部的研究對象和研究數據。
通過鉆探現場的場內分析和場外分析, 獲得鉆探泥漿的多種組分深部剖面, 其中包括鉆探泥漿中液體汞和固體汞的剖面。
對比鉆探泥漿中多種組分剖面, 獲得鉆探不同深部組分變化特征, 在特定深度的鉆孔中, 不僅氣體, 而且在液體、固體中, 都保存有鉆孔地下深部的流體組分, 而且出現了明顯的突變特點, 為厘定地下流體侵入區間提供多種樣品數據支持, 印證了現場流體分析的重要性。
在鉆孔巖性的變化中, 不同巖性的交錯變化容易引起鉆探泥漿氣體的變化, 特別是鉆探泥漿氣體中的多組分變化。在鉆孔巖性裂隙較為豐富的井段, 是鉆探泥漿氣體變化幅度較大的區間, 特別是容易引起鉆探泥漿氣體中的甲烷上升。
鉆探泥漿氣體、液體中的多組分變化受到影響因素較多, 通過比較、排除與巖性的相關性較弱的鉆探泥漿氣體的波動變化, 可以推測鉆探流體與余震的相關性較強, 這恰好是鉆孔附近區域的余震多發期。致謝: 非常感謝中國地質科學院國家地質實驗測試中心羅立強研究員、孫青研究員、詹秀春研究員對鉆探流體現場分析和研究工作的長期大力支持和可行性建議, 在此深表謝意!感謝中國地質科學院國家地質實驗測試中心汶川科鉆工作人員孫建伶、袁靜、儲彬彬等的野外艱苦工作。感謝汶川科鉆地學部現場實驗室黃堯、孫立文和工程部在野外分析的幫助和建設性意見。感謝國家科技重大專項: 汶川地震斷裂帶科學鉆探工程的第八課題: 地下流體異常和地震前兆關系和第三課題之第四專題: 井口氣體、流體地球化學監測的經費支持。感謝審稿人的仔細審閱。——論文作者：唐力君 1), 勞昌玲 1, 2), 范 凡 1), 王 健 1), 王 廣 1)