상부 지각액 순환과 지진 발생에 대한 제약

Aug 04, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5548(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

단층대의 투과성은 지질자원의 분포와 부서지기 쉬운 상부 지각의 지진 발생에 중요한 역할을 하며, 자연적 지진과 유도된 지진 모두 종종 유체 이동 및 과압과 관련됩니다. 따라서 자연 유체 경로와 유체 구획화 및 지각의 과압 가능성을 초래하는 메커니즘에 대한 이해를 개선하려면 단층 구역의 투과성 구조에 대한 상세한 모델이 필요합니다. 단층대에는 일반적으로 단층 및 변형 중에 점진적이고 지속적으로 형성되고 진화하는 "취성 구조상"(BSF)의 공간적 병치로 정의되는 복잡한 내부 아키텍처가 포함됩니다. 우리는 북부 아펜니노(이탈리아)에 있는 두 개의 건축학적으로 복잡한 단층 구역의 다양한 BSF에서 최초의 체계적인 현장 노두 투과성 측정을 제시합니다. 동일한 결함에 속하는 밀접하게 병치된 BSF에 대해서도 현재 투과성(최대 4배 크기)의 뚜렷한 공간적 이질성은 주요 구조적 및 수리학적 특징으로 나타납니다. 이 연구의 통찰력을 통해 우리는 복잡한 단층 구조가 부서지기 쉬운 상부 지각의 3D 수력학적 구조를 어떻게 조종하는지 더 잘 이해할 수 있습니다. 공간을 통해 변할 수 있지만 조산 및/또는 개별 지진 주기 동안 시간에 따라 변할 수 있는 결함 수리학적 특성은 결국 유체에 의한 지진 발생이 국지화될 수 있는 과압 체적의 발달을 조종합니다.

단층대의 내부 구조는 지하수, 탄화수소, 광석의 형성 및 축적과 부서지기 쉬운 상부 지각의 지각 및 구조적으로 제어되는 유체 흐름에 영향을 미칠 수 있습니다(예:1,2,3). 유체는 지진 주기 동안 유효 응력을 제어하여 결함 역학과 전반적인 변형 스타일에 영향을 미치기 때문에 가장 중요합니다4,5,6,7. 자연 및 인간에 의해 유발된 지진과 일련의 지진이 모두 유체 과압에 의해 유발될 수 있다는 것이 입증되었습니다7,8,9,10,11,12,13. 따라서 단층의 내부 투과성 구조에 직접적인 제약을 가하는 단층 구조의 상세한 특성화는 (i) 모든 규모의 단층 역학을 이해하고, (ii) 부서지기 쉬운 상부(지진 발생) 지각에서 유체 순환의 세련된 모델을 개발하는 데 기본입니다. 지자원 형성 및 축적 측면에서 그 결과, (iii) 자연 및 유발 지진으로 인한 지질학적 위험을 완화합니다.

일반적인 "핵심 및 손상 구역" 단층 모델에서 단층 코어는 흐름에 대한 단층 장벽을 제공하는 것으로 묘사되는 반면, 전반적으로 파손된 손상 구역은 단층 도관으로 표시됩니다(예: 14, 그림 1a). 그러나 복잡한 결함 아키텍처는 뚜렷한 수리적 동작과 관련된 2차 및 결함 관련 구조를 포함하므로 상대적으로 단순한 패러다임과 다를 수 있습니다. 현저하게 다른 수리학적 거동을 갖는 구조적 영역의 이종 결함 구조 내 공존은 국지적 투자율 텐서의 대량 및 국지적 이질성과 이방성을 유발할 수 있습니다. 구체적으로, 원석의 1차 투과성(매트릭스 투과성) 외에도 단층대의 2차 구조적 투과성은 개별 단층암, 균열, 손상대의 투과성과 이들의 3차원 기하학적 구조에 의해 좌우되는 것으로 나타났습니다. 예: 6,15,16). 예를 들어 단층 코어에는 일반적으로 엽상 규산염이 풍부하며, 이는 일반적으로 투과성이 매우 낮음에도 불구하고(예:17,18) 연속적이고 물리적으로 상호 연결된 경우에만 효과적인 수문학적 장벽을 형성합니다. 개방형 균열과 미끄러짐 표면은 구멍의 분포와 연결성에 따라 영향을 받는 투과성을 갖습니다(예: 19,20). 평면 구조 구조(예: 점토 광물 및/또는 불용성 물질 띠의 집합체)로 특징지어지는 단층 암석의 존재는 암석 체적 내 투과성에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 예를 들어 "엽리에 걸쳐서 또는 엽리에 따라" 현저하게 다른 결과를 초래할 수 있습니다. 투과성 구조로 인해 지각 내 유체 순환을 크게 분할하고 조절합니다(예:6,19,21). 또한 여러 연구에서는 단층이 다양한 단층 암석의 발달에 반응하여 시간에 따라(조산 또는 지진 주기 중, 그림 1) 변하는 이방성 및 복잡한 수리적 특성을 특징으로 한다는 점을 강조했습니다(예: 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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