地殻上部の流体循環と内部からの地震発生に対する制約

Aug 04, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5548 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

断層帯の透水性は、地質資源の分布と脆い上部地殻の地震発生に重要な役割を果たしており、そこでは自然地震と誘発地震の両方が流体の移動や過剰圧力と関連していることが多い。したがって、断層帯の透水構造の詳細なモデルは、自然の流体経路と、流体の区画化と地殻内で起こり得る過圧を引き起こすメカニズムについての理解をさらに深めるのに必要です。断層帯には通常、「脆性構造相」（BSF）の空間的並置によって定義される複雑な内部構造が含まれており、断層や変形中に徐々にかつ継続的に形成および進化します。我々は、北アペニン山脈（イタリア）の 2 つの構造的に複雑な断層帯のさまざまな BSF からの、初の系統的な現場露頭透水測定結果を発表します。同じ断層に属する緊密に並置された BSF であっても、現在の透水性 (最大 4 桁) の明らかな空間的不均一性が、主要な構造的および水理的特徴として現れています。この研究からの洞察により、複雑な断層構造が脆い上部地殻の 3D 水理構造をどのように操縦するのかをより深く理解できるようになります。断層の水理特性は、造山運動や個々の地震サイクル中に空間全体だけでなく時間的にも変化する可能性があり、流体誘起地震発生が局所的に発生する可能性のある過圧力ボリュームの発達を誘導します。

断層帯の内部構造は、脆い上部地殻における地下水、炭化水素、鉱石、地質学的・構造的に制御された流体の流れの形成と蓄積に影響を与える可能性があります（例1、2、3）。流体は地震サイクル中の有効応力を制御し、断層力学や全体的な変形スタイルに影響を与えるため、非常に重要です4、5、6、7。自然地震と人為的地震の両方が流体の過圧によって引き起こされる可能性があることが実証されています7、8、9、10、11、12、13。したがって、断層の内部透水構造に対する直接的な制約を伴う断層構造の詳細な特性評価は、(i) あらゆるスケールでの断層力学を理解すること、(ii) 脆い上部 (地震発生性) 地殻における流体循環の洗練されたモデルを開発することの基礎となります。 (iii) 自然地震および誘発地震による地質学的リスクを軽減します。

断層の典型的な「核心と損傷ゾーン」モデルでは、断層コアは流れに対して断層を横切る障壁を提供するものとして描かれ、一方、広範囲に破壊された損傷ゾーンは断層に沿った導管として描かれています（例：14、図1a）。ただし、複雑な断層構造は、独特の水理挙動に関連する二次構造や断層関連の構造を含むため、この比較的単純なパラダイムとは異なる場合があります。異質な断層構造内で著しく異なる水理挙動を持つ構造ドメインが共存すると、バルクおよび局所的な不均一性や局所透水率テンソルの異方性が生じる可能性があります。詳細には、原石の一次透水性 (母材透水性) に加えて、断層帯の二次構造透水性は、個々の断層岩、亀裂、損傷帯の透水性、およびそれらの 3D 幾何学的構造によって支配されることが示されています (例:6、15、16)。例えば、断層コアは一般に層状ケイ酸塩に富み、典型的には透過性が極めて低いが(例17、18)、連続的かつ物理的に相互接続されている場合にのみ効果的な水文学的障壁を形成する。開いた亀裂と滑り面は、その開口部の分布と接続性によって支配される打撃に沿った透水性を持っています (例: 19、20)。平面構造構造を特徴とする断層岩（例えば、粘土鉱物および/または不溶性物質の帯の集合体）の存在も、岩石の体積内の浸透性に強い影響を与える可能性があり、例えば「葉面の横方向と葉面に沿った方向」に顕著な違いが生じる可能性があります。浸透性構造、したがって地殻内の流体の循環を大幅に分割および調整します（例、6、19、21）。さらに、いくつかの研究は、断層が異なる断層岩の発達に応じて時間とともに変化する異方性で複雑な水理特性（造山運動または地震サイクル中、図1）によっても特徴づけられることを強調しています（例19、22）。、23）。

10–17 m2) to favored overpressure conditions (< 10–17 m2;56,57,58; Fig. 9). Moreover, crustal-scale permeability models show that the permeability greatly varies as a function of site-specific, local and regional conditions (e.g., stress, lithotype and structural damages;59; Fig. 9). In this context, in contrast to other commonly adopted investigation methods (Fig. 9, Table 1), in-situ outcrop permeability analysis along continuously exposed fault zones offers the remarkable advantage to investigate and reconstruct the hydraulic properties of complex faults composed of multiple, heterogeneous, and discontinuous structural elements (e.g., PSS, BSFs) possibly even formed at different times during faulting. We stress, therefore, that in-situ outcrop permeability measurements from exhumed fossil faults and fault zones only represent a first step toward (i) bridging the gap between different investigation methods, (ii) strengthening the knowledge about relationships between complex fault-related structures and permeability, and (iii) investigating the 3D permeability structure of laterally discontinuous fault zones and their associated BSFs./p> 10–10 m2;9,54) during pre- to co-seismic dilatancy and fracture corridors, and post- to inter- seismic recovery of fault permeability due to fracture sealing and development of clay-rich gouges13,67,73. On this ground, the data presented in this work (i) help provide direct in-situ outcrop permeability constraints on complex fault architectures and (ii) highlight that fault-related permeability recovery and variation in space and time are genetically associated with fault BSFs and PSSs. In this context, our data offer a step toward 4D models of deformed crustal zones, which commonly (i) provide the static bulk permeability structure of deformed zones and (ii) highlight the spatial variation of permeability within exhumed deformed rock volumes (e.g.,74,75,76). Indeed, the high accuracy of such models notwithstanding, a dynamic conceptualization of the permeability structure associated with long-term fault-related deformations (i.e., transient variation of permeability through space and in time) is often neglected. In other words, our approach can be adopted to (i) provide further constraints on dynamic models of crustal permeability highlighting the transient nature of fault-related permeability, (ii) improve the knowledge of fault-related crustal permeability, and therefore (iii) allow an even more detailed reconstruction of fluid pathways and overpressuring along deformed (possibly tectonically active) crustal zones. In this context, seismic monitoring through high resolution data such as Vp/Vs anomalies, electrical conductivity and hydraulic pressure at depth (as in the Apennines; e.g.,9,30,31,77), can lead to the advanced understanding of complex faulting histories, with significant bearings on seismic risk mitigation./p>

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