甲烷天然气爆炸引发汶川地震和四川盆地地底甲烷天然气的再次填充周期

　　2008年的汶川地震发生，对于汶川地震的的成因有诸多的论述，主流的原因是断层带长期地形变力源而突然断裂的弹性回跳致震学说。但是汶川地震中出现的多种现象，如地震后立即气温降低、大雨等，弹性回跳原理却无法解释，根据笔者的研究分析，认为汶川地震的真正原因是地下高压天然气（CH4）体积膨胀、运移、喷发、爆炸所致。

　　1、汶川地震中出现的现象和传统地震成因解释的局限性

　　5.12汶川地震发生后，在大量资料和证据的基础上，笔者调查、发现和总结了汶川地震的众多地震地质现象。这些现象包括：（1）龙门山发震断裂仅在局部沟谷地带出露地表，出露地表的同震破裂长度有限；（2）几乎没有人在坚硬岩体中找到地表同震破裂；（3）深部岩体破裂的扩展方向是单向地从映秀向北川、青川发展；（4）地表同震破裂主要孤立地发生在煤体和土体中，且长短和位错变化大；（5）宏观震中中央断裂带内的相邻城镇的破坏存在巨大差别；（6）数十个山体孤立地发生巨大坚硬岩石破碎、近水平抛飞，和高速远程滑移；（7）大范围山体岩体发生粉碎性的破碎；（8）不少建筑物孤立地发生被毁灭性破坏和垮塌；（9）地震瞬时天空变昏变黑；（10）山坡地大量气体溢出、喷出、爆炸和闪光；（11）龙门山山麓前冲积平原地表发生砂砾和气水混合体的高速喷出；（12）地震波反映出主震的逆冲或逆冲带走滑断裂；（13）震后大地变形测量的断裂两侧地壳有永久合并与沉降；（14）四川盆地存在数千米厚的含煤地层和很多巨量异常高压甲烷天然气田；（15）地震前后，四川盆地油气田的天然气体的体积和压强有巨大的增大、增多；（16）地震后，又发现了更大的异常高压气体；（17）主震后一小段时间，紫坪铺水库水还在巨浪翻涌；（18）主震时宏观震中区空气普遍立即降温；（19）地震后数小时，灾区普遍降大雨两日；（20）主震和余震发生时，人们先听到地声、几秒钟才感到地动；（21）龙门山断裂带分布与主震宏观震中分布和余震震中分布之间不一致；（22）汶川地震前震小而少，主震大，余震强而多。

　　这些汶川地震的现象，都是地震最直接、最客观的表象，同样也是总结归纳地震原因最主要的证据。

　　但是据笔者研究分析，传统断层带长期地形变力源而突然断裂弹性回跳的地震成因理论无法符合自然规律和自然逻辑地解释这些现象。在现象上，汶川地震就是一次在非均匀地壳内的极快速、极大面积的固体岩土体波动和破坏。地震前后极大规模的天气降温现象，大规模的降雨现象等，都无法用传统的断层弹性回跳原理来解释。所以汶川地震的成因还应该考虑新的方向。

　　2、甲烷天然气爆炸是汶川地震形成的原因四川盆地是中国三大天然气生产区之一，自古就有开采利用天然气的记录，但是20世纪80年代以前，我国在四川盆地的油气勘探工作却收效甚微，没有巨大的突破。然而在汶川地震的前二十年，四川盆地的天然气勘探却成果显著，异常高压的天然气体越来越容易探到、开采，储量也极为丰富，探明储量1.2万亿m3，这与先前的勘探乏力的现象极为不符。

　　而且在汶川地震后，四川盆地的天然气储量呈高速增加趋势，2010年新场气田新增探明储量1211.20亿m3，比2003年的711.99×108m3增加近一半；2011年发现元坝气田，储量足够全国使用8年。同时还有普光气田等气田，其探明储量都极为丰富。这种天然气围绕汶川地震前后增长的现象，让笔者意识到汶川地震与地下天然气的相关性。

　　经过笔者研究分析，在进一步研究龙门山和四川盆地的地质构造演变历史和油气田勘探成果的基础上，笔者发现龙门山前川西坳陷存在大量圈闭构造，3km以下的巨厚地层含大量异常高压天然气体。而这些极高压、高密度的甲烷天然气正是地震前后四川地区天然气的来源，也是汶川地震的主要原因。

　　在侏罗纪以前，龙门山地区和四川盆地一样处于海洋和海岸环境，有巨厚沉积岩。龙门山经历了各种板块构造运动，这个前陆逆掩断层带覆盖埋压了大量海相岩层，如巨厚煤层、碳质岩、页岩等地层体系。自侏罗纪以来，龙门山进一步经历了2亿年的早期陆相沉积、构造断裂和抬升侵蚀运动。总体呈北东－南西走向、全长约500km、宽约50km，龙门山断裂不整合带也可划分为前山、中央和后山叠瓦状推覆断裂不整合带。

　　现今龙门山叠瓦状推覆逆掩断裂带由不少坚硬岩石块体组成，在整体上形成了刚性岩体构造和构架。数百千米长的叠瓦状推覆断裂不整合接触使得龙门山断裂带或不整合接触带深处（特别是山间盆地和大沟谷深部10—20km上下）存在串珠状分布的、局部密封的大型缝洞空隙闭圈构造。地幔和地核生成的高密度、高压强甲烷天然气不断通过龙门山下部深大断裂带渗透、输入，使得它们成了高压气囊。

　　龙门山断裂带长期受到区域性北西－南东方向挤压形成高压岩体，这使得地壳底部核幔高密度、高压强的天然气体通过深部断裂，被运移到、渗透逸入压强相对较低的深部断裂带大型气囊中储存。随着时间的推移，被渗透逸入气囊内的天然气体也就越来越多，气体密度和压强也就逐渐增大。高压气体对气囊围岩作用也逐渐增大，使得围岩弹性变形增多。区域构造应力场和刚性岩石块体构造限制了气囊外部围岩体，使得它们不能产生大应变和位移。在14km以下的深部断裂带囊内天然气体得到不断地增多和增强，形成异常高压气体（估计压强达300MPa以上），同时，也缓慢推挤围岩。少量高密度高压强气体，通过微震和沿着断裂带、地层不整合面、地层层面和煤层等通道，也不断地渗透、运移到浅部，在龙门山前的四川盆地各种水平和缓倾角沉积地层中聚积和储存。它们聚积和储存在8km厚的四川盆地浅部沉积岩层中，形成很多天然气田。这使得四川盆地存在大量以甲烷为主的异常高压天然气田供人们开采利用。这也是汶川地震前二十年四川盆地天然气勘探忽然成果显著的主要原因。

　　3、汶川地震的发生机制和过程

　　由于龙门山断裂的极高压、高密度天然气越来越多，终于在2008年5月12日下午2时28分，位于映秀山涧盆地14km深部的、沿大型断裂面或不整合面分布的、缝洞空隙闭圈构造内的异常高密度、高压强气体，打破了整体力学平衡。囊内异常高密度、高压气体，沿断裂或不整合面岩体强度低的周边方向，突然将岩体致裂、剪胀开裂上覆断裂带岩体（P波初动）。随之，一股海量异常高密度、高压强气体快速地逃出这个气囊闭圈。它们沿断裂带、不整合面、地层面、煤层等相对松散通道在深部地下快速（估计速度可达1—3km/s），向上方四周沿着这些通道，致裂剪胀、飞移、流动和扩散。它们在映秀、彭州九峰山—绵竹红白、安县高川—晓坝、擂鼓—北川城、陈家坝、青川南坝—东河口等地质断裂、煤层等特殊地区和部位，胀剪破裂上覆地层、冲出山体和沟谷，造成沟谷地表同震断裂，山坡岩体崩垮、高速飞移。

　　这股海量高密度、高压强气体，在深部被高构造压应力紧紧挤压的地下裂隙和断层面状通道的飞速破裂剪胀开地层和运移流动，形成了近场巨大的、轰隆隆的地声和远场的弹性体波。它们的体积，因构造与地层压应力随深度降低而减少，而快速膨胀、弥漫或集中。数秒钟之内，这股高密度、高压强气体快速运移、流入近地表地层内部（6km深度内），又因围岩压应力降低、围岩刚度降低、变软，通道变小或堵塞而受阻。它们运移速度减慢、体量再聚积。但是，它们的压强虽然减小，却不断地、大大地高过当地围岩的地应力和抗拉、抗剪强度。进而，它们四处充填、气化、顶起、抬升、晃动、摆动和扭动上覆地层。同时，它们与向下作用的岩体重力一起，造成了瞬间广大且局部孤立集中的近场地面波动和破毁，以及时间长且复杂的远场弹性地震波（地震面波）。

　　这一股逃逸出来的海量高密度、高压强气体具有巨大体积膨胀能，它们的体积可随着重力和构造应力的深度减小，而瞬间增大数十、数百甚至数千倍。它们能顶起、破裂、流（液气）化上覆地层，造成或引起巨大地面震荡波动。这个过程是在十到数十秒钟内瞬间完成的。它是随着地下气体逸出、喷出地面、进入空气（压强0.1MPa）、进入地下岩体空洞、裂隙和孔隙等储存的增多和完成而结束的。同时，局部集中高压气体将上方的岩体致裂挤喷突出地表，发生地面张开、闭合和开花，岩爆和岩体的抛射造成山体崩塌、滑坡、滚石，河床阶地谷地的地鼓、抬升、裂开和逆冲，孤立建筑物竖向破坏或瞬间摧毁，顿时巨大尘土腾空而起，以及大面积的河沟、山坡和河水面上白色气体溢出或白色粉尘飞扬。在小部分山地，地下溢出、喷出到空气中的天然气体高度弥漫混合于空气中，形成气体瞬间爆炸和燃烧。这种混合气体的瞬间燃烧形成了闪光。在有些地方，高压气体携带着煤等矿物岩石粉尘冲天而起，导致天空黑暗，黄烟弥漫，尘土遮天蔽日。进入空气的气体和粉尘又慢慢地向高空运移和聚集成厚厚的云团。

　　同时，这股海量高密度、高压强气体呈数千倍的快速绝热膨胀要吸收大量的空气热能；气体、粉尘、云团也可将太阳光遮蔽。这两者就造成了地面空气温度的瞬间降低。同时，由于冷热变化和甲烷逸入空气与氧气发生化学反应，形成强烈的对流降雨，造成了地震当天晚上，龙门山极震区和周边广大范围有中到大雨，局部地方有暴雨，一直到第三天晚（2008年5月14日晚），降雨才停止。

　　特别是，龙门山区和山前的汶川、都江堰、彭州、什邡、绵竹、安县、北川、青川等地区近地表浅层存在有不少零星孤立垂向分布的可释放瓦斯的薄煤层（或煤线）和低抗张剪强度的岩石（如生石灰、磷矿等）。它们可作为异常高压天然气高速流动、喷出和溢出地表通道，同时很容易被高压天然气体致裂和致爆，造成地表强烈振动和煤层、岩石破坏、瓦斯突出爆炸，进一步造成大面积局部小场地的毁灭性破坏和灾难。

　　在这股海量高密度、高压强气体挤破、推开深部闭圈岩层快速逃出深部气囊后，气囊内的气体压强迅速降低，挤推力速减。从而，开口两侧地层，在原有极高挤压地应力的作用下，快速弹性闭合，又关闭了囊内大量气体。囊内和地下各处岩体关闭留存的高密度、高压强气体又可在岩体中聚积，可沿破裂薄弱带再致破闭圈、逃出，形成大量余震。这些核幔高密度、高压强气体再聚积、储存可产生余震，可为未来大地震作准备。随着时间的推移，龙门山断裂带深部断裂带闭圈囊内核幔天然气体又逐渐增多、压强也逐渐增大，或许在若干年后又可发生大地震。

　　4、汶川地震系地下甲烷天然气的主要根据经过分析和研究，笔者找到、归纳出以下九点根据和理由，论证造成汶川地震是地下极高压天然气体，它的化学成分主要是甲烷（CH4）：（1）近十多年来，人们在四川盆地浅层（1—7km深）地层内部，发现和找到大量异常高压甲烷天然气田，这同龙门山地震带每年发生不少微震是一致的。（2）巨大天然气田的甲烷气纯度达90%以上，这同地球深部（如地幔）物质和环境单纯是一致的。这可同现代垃圾填埋场的气体成分、煤田瓦斯气体成分、液化气的成分进行对比来理解，这些环境中的气体是不单纯的，存在多种气体，甲烷气含量变化巨大。并且，这些天然气田中含有微量核幔气体元素。（3）甲烷是无色、无味的，比空气轻。这同地震时人们没有感到、注意到天然气体的存在是一致的。（4）甲烷是无毒的。这同极震区没有人在地震时被毒气伤害是一致的。（5）甲烷高度可燃，深部高密度甲烷是因温差电压而带有电压、电荷的。这同人们在强地震时常见到蓝、白色地光闪烁和火球是一致的。（6）甲烷（5%—15%）和空气混合气可自燃和自爆。这同人们在强地震时见到和听到的爆炸是一致的。（7）甲烷的比热容量比空气大很多。这同地震后极震区空气立即降温是一致的，和天昏地暗也是一致的。（8）甲烷比空气轻，可高升，且同氧气发生化学反应可生成液态水。这同地震数小时后，极震区要降大雨、降雪是一致的。（9）龙门山地震带、四川盆地大天然气田和龙门山深大断裂带地壳内分布是一致的。这些大天然气田在四川盆地7km深以内的沉积地层中。川西盆地边上就是10—20km深的龙门山大断裂带。这个深大断裂带10—20km处是大地震震中，是深部极高密度、极高压核幔甲烷气囊的气体逃出、流出点。

　　5、四川盆地地底油气的来源和再次填充周期

　　汶川地震是由于龙门山断裂带地下20km深部的极高压、高密度甲烷天然气爆炸所致。而地震前后四川地区的天然气勘探储量忽然增多也与此有关，是龙门山地底的天然气运移、填充到四川盆地地下浅层封闭地带后形成的。

　　地震虽然是地下短时间、极大量的甲烷天然气胀裂、运移、释放的一个瞬间过程，但是地面的闭合、地下甲烷天然气的填充，却是一个长时间、缓慢的过程，并不是短时间内所能完成的。所以只要掌握了这个填充的时间规律，就可以很好的预测地震。

　　经过笔者对四川地区历史上有关甲烷天然气的记载和陈家坝地底喷出的古木年龄的研究与分析，总结归纳了四川盆地甲烷天然气的一个充填的时间过程。

　　5千年前，龙门山断裂带发生了巨大地震。这个巨大地震可能同古蜀国消亡、三星堆遗址和金沙遗址有关。大量甲烷天然气从20km深下部巨大的（数百km3）极高压高密度天然气田闭圈通过断裂带而逃出深部闭圈，进入7000米深的浅部盆地地层闭圈，为此时的盆地地区提供了丰富的天然气资源。

　　之后（或许从2000年前开始）龙门山没有再发生大地震，随着时间和小余震，大量浅埋的气体进一步逃出浅层圈闭，进入地表、空气，所以从西汉到宋朝都有关于四川地区天然气的描述和记录。如公元前53年到公元18年，西汉扬雄在《蜀都赋》中描述了四川盆地天然气的境况：“蜀都之地……火井龙湫……”，北宋乐史所著《太平寰宇记》记载，陵州（辖境相当今四川省仁寿、井研等县）盐井中曾发生过天然气井喷现象：“陵上有井，名陵井……若以火坠井中，即雷吼沸涌，烟气上冲，溅泥漂石，甚可畏。”等。

　　之后，浅层的埋藏气体逐渐散逸或者被开发，越来越少，所以1945年到1990年之间，四川盆地的甲烷天然气勘探很不理想，没有什么大的突破。但是2008年汶川地震前，由于龙门山断裂深部天然气填充完成，后来的甲烷天然气增加，使封闭圈受到的压力越来越大，开始不断的渗流、运移到浅层封闭圈内，形成了汶川地震前四川盆地浅层的极高压、高密度甲烷天然气勘探储量的明显提高。汶川地震后，地底深部的大量甲烷天然气涌入四川盆地浅层圈闭，造成了地震后四川盆地天然气储量的猛增。

　　所以龙门山断裂带以2008年汶川地震为临界的强震复发周期为2000年到6000年，即此间地壳深部甲烷天然气的填充时间也需要2000年到6000年。

　　这个填充的年限来源主要根据以下两方面：（1）陈家坝地下天然气喷发中发现了17根直径一米的古树杆，经过C14年龄检测以后发现，其埋入地底的时间为5217±25年以前，属于5200多年前的古木，而且在喷出了岩石中叶发现了这些古木的树叶、枝干化石。说明5200多年前这里的地面曾经被挤压开、气体和破碎岩石喷出地面、气体在空中爆炸、地面物质掉进地下深处、地面再闭合，发生过大地震，由此得出最高的年限，约为6000年。这些古树杆同成都金沙遗址的乌木林是相同的，见附图。（2）大量历史文献中记载的关于四川地区甲烷天然气增减的情况，最早是在2000多年以前的西汉时期，所以得出最低的年限，约为2000年。这与世界上关于龙门山带大地震复发周期的研究相一致。

　　6、结语

　　以上从汶川地震所引起的现象上入手，察寻这些现象中的相关性，联系汶川地震前后长时间的异常之处，笔者推测出汶川地震的成因是因为地下极高压、高密度甲烷、天然气体积胀裂围岩、在断裂运移、在地表喷发所致。

　　汶川地震形成机理和发生过程可以简述为：在重力、构造应力场与岩土体强度的配合和制约下，从地下深部，沿断裂、不整合面或煤层等薄弱带逃脱出的、快速上升、侧升与膨胀的一股海量异常高压气体和受挤压断裂带岩土体间的相互作用、绝热变化瞬态完成过程。

　　汶川地震能源主要是地壳深部极高密度和压强甲烷天然气的体积膨胀能。高压气体快速降压、体积膨胀，一定要吸热。它们进入大气后，可使得极震区地表空气温度降低、变冷。汶川地震过程是地表空气立即降温过程。地壳岩土体是被在其内部薄弱地带快速运移的、极高压强的甲烷气体主动膨胀，而被动地波动、变形、断裂和位移。

　　从时空规律上看，汶川地震前夕四川盆地地底有一个天然气充填的过程，天然气储量勘探与先前几十年间有明显的差异，强震复发周期为2000年到6000年。可以从宏观上观测地震频发地区地底天然气的增长状况，将此作为临震预测、预报的一个手段。地震的成因是地下天然气填充过多，导致体积膨胀、运移和喷发所致，因而只需要开采地下油气，腾空浅层地层空隙、孔隙，让造成的地震新来气体在地下深部有空间储存，也可大大降低地表地震、地质灾害，起到减灾效果。

　　（此文根据香港大学岳中琦教授2013年《地学前缘》上发表的文章《汶川地震与山崩地裂的极高压甲烷天然气成因和机理》和岳教授2014年第三届流体地球科学与巨型成矿带及重大自然灾害学术研讨会的演讲资料综合而成，刊发前经岳教授审定。）

　　文/岳中琦