流體觸發2013年廣西平果震群活動機理研究*

李 帥，潘黎黎，嚴小敏，黃 輝，李細光，李志勇

(1.桂林理工大學 地球科學學院，廣西 桂林 541004；2.廣西壯族自治區地震局，廣西 南寧 530022；3.廣西機電工業學校，廣西 南寧 530023；4.廣西水文地質工程地質勘察院，廣西 柳州 545006；5.中國地質大學(武漢)地球科學學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

國內外許多學者認為與人類環境密切相關的活動，如油氣、采礦、地下熱能開采、地下流體注入和水庫蓄水等(杜運連等，2008；吳建超等，2016)可引起局部構造應力場改變進而觸發地震。有研究認為處于封閉承壓狀態的地下水會引起地殼應力和應變的顯著變化(Bollingeretal，2010；胡小靜等，2016)；巖溶發育地區的灰巖及白云巖中構造裂隙的連通和封閉將形成完全不同的水動力環境(Orleckaetal，2009；Grunthal，2013)；水庫蓄水或地下水動力條件的顯著變化在巖溶發育區的特定構造部位可觸發較大規模的震群活動，如2010年“6·28”凌云—鳳山震群(Jiangetal，2011)和2013年“6·16”平果震群(Lietal，2016；龍政強等，2015；郭培蘭等，2016；陸麗娟等，2014；張華等，2014)。

2013年6月16日至7月29日，廣西平果地區發生淺源震群活動，地震發生的第一天震源深度為1～13 km，之后地震的震源深度都在1～4 km。此次震群活動共記錄到1 131次地震，其中1.0～1.9級239次，2.0～2.9級25次，3.0～3.9級2次(郭培蘭等，2016)，具有震級小、震源淺、頻度高、烈度大、持續時間長、破壞大的特點。不同學者從地震構造背景、水文地質條件、地震學和震源學等不同角度研究了該震群活動，均認為地下流體對本次震群活動起重要作用(Lietal，2016；龍政強等，2015；郭培蘭等，2016；陸麗娟等，2014；張華等，2014)，但其成因機制還存在爭議。大部分學者認為2013年廣西平果震群是天然地震、水庫地震和塌陷地震等多種類型地震的疊加(龍政強等，2015；郭培蘭等，2016；張華等，2014)，也有學者認為其是流體觸發的斷層活動(Lietal，2016)，或是水庫誘發地震(陸麗娟等，2014)。本文在野外地震地質和水文地質調查基礎上，對廣西平果震群斷層和節理裂隙的發育特征、巖層滲透性及巖溶優勢方位進行了解析，對地下水動力條件及其觸發斷層活動的相關機制進行了討論。

1 地震構造背景和水文地質條件

2013年平果震群發生于廣西百色市平果縣果化鎮中鋁廣西分公司3號排泥庫及其附近區域，本文研究區包含該震群及其附近區域(圖1)。與本次震群活動關系密切的右江斷裂帶穿過研究區，該斷裂帶全長約410 km，總體走向310°～320°，由3～5條大致平行的斷裂組成寬約5～20 km的斷裂帶，主要傾向NE，傾角約60°，第四紀以來活動性較強，最新活動時代為晚更新世(劉錫大等，1987)，沿該斷裂帶歷史上共記錄M≥4地震7次，最大地震為5.0級。該斷裂最新運動方式為左旋走滑兼正斷，水平滑動速率為1.47～1.98 mm/a，垂直運動速率為0.10～0.35 mm/a。該震群位于右江活動斷裂帶思林—壇洛段，震群活動主要分布于雅朗背斜的F2-5、F2-6、F2-7、F2-8等右江次級斷裂上(圖1)，這些斷裂在中更新世晚期甚至晚更新世還在活動[注]廣西水文地質工程地質勘查院.2014.中國鉛業廣西分公司3#排泥庫區域水文地質勘查報告.[注]廣西壯族自治區地震局.2014.平果鉛3號排泥庫地震地質調查專題研究成果報告.。自1970年有儀器記錄以來，震中25 km范圍內記錄顯示：2.0級左右地震成群成叢發生，發生3.0級以上地震12次，4.0級以上地震6次，最大地震為1977年10月19日果化5.0級地震。研究區附近歷史地震和現今地震活動頻繁，背景構造應力較強(張華等，2014)。

F1：靖西—崇左斷裂帶；F2：右江斷裂帶；F3：巴馬—博白斷裂帶；F4：桂林—南寧斷裂帶；F2-1：果化—新安斷裂；F2-2：瀨勞—龍莊斷裂；F2-3：龍拉—那艾斷裂；F2-4：岑魯斷裂；F2-5：內銀斷裂；F2-6：下來斷裂；F2-7：板下斷裂；F2-8：大路斷裂；F2-9：那塘斷裂； F2-10：那榮斷裂

平果震群發生區域二疊和三疊地層巖溶作用較弱，泥盆和石炭地層巖溶發育，表現為峰林、峰叢、溶溝、溶槽、石牙、漏斗、溶蝕縫和溶洞。地下水以碳酸鹽巖類巖溶水分布為主，是典型的巖溶水分布區。受新構造運動影響，地殼不斷抬升，形成多層巖溶洞穴。3號排泥庫所在的水文地質單元，是一個由雅朗背斜構造控制的淺表巖溶水地下河系統—百利地下河系統。該系統的水文地質邊界以自然地表分水嶺為主，是一個相對獨立的地下水補徑排系統，一般情況下，地下水沿各自徑流管道集中或階梯狀匯流，由北向南平行徑流排泄(黃輝等，2014)。

2 構造裂隙滲透性與地下流體的形成

2.1 構造裂隙滲透性調查

節理等構造裂隙為地下水提供了運移通道，其發育程度和方位通常決定了巖溶的發育程度和方向，同時也有利于巖石和斷裂帶中淺表水的滲透(李志勇等，2015)。斷裂對巖溶發育的影響及控制作用非常顯著。平果震群及其附近斷層主要控制巖溶發育方向和發育強度。野外地質調查表明：研究區內構造發育，制約巖溶發育的主要結構面可分為2組，一組是平行區域構造線(NW-SE)的結構面，包括層面、斷層面、平行斷層的裂隙結構面等；另一組是垂直區域構造線(NE-SW)的結構面，包括橫斷層面、平行橫斷層的節理面等，震中區巖溶作用沿層面以及各種構造、節理裂隙結構面發育，形成地表以垂向巖溶形態為主、地下以水平巖溶通道發育為主的特點。為進一步研究巖溶發育程度與構造裂隙關系，在震群4 km范圍內對18個露頭點進行巖溶發育優勢方位的調查和統計(圖2，表1)，其中a，b，c，d，n，o，p，q，r點巖性為富水性中等至強灰巖，透水性較強；e，f，g，l點巖性為富水性弱的白云巖；h，i，j，k，m點巖性為富水性弱的灰巖。

從圖2和表1可以看出：18個測點的巖溶優勢方位主要為NW向和近EW向。在富水性中等至強的灰巖區，雖斷裂構造以NW向為主，但其中也發育近EW向巖溶作用，如a，b，c，d，o，r點，而距NW向斷層較近的部位由于NW向的節理裂隙密集，巖石較破碎，引起這些部位在NW方向發生溶蝕作用，如n，p，q點；富水性弱的白云巖地區，優勢方向主要為NW向和近EW向，如e，f，g點；富水性弱的灰巖區，斷層發育較少，由斷裂作用直接形成的節理裂隙少，大部分節理裂隙是由區域構造應力作用形成，溶蝕作用優勢方位為NW向和近EW向，如h，i，j，k點。

表1 震群附近巖溶發育優勢方位統計

圖2 震群附近巖溶發育優勢方位玫瑰花圖

Fig.2 Rosette diagram of preferred orientation of karst in earthquake swarm zone

Li 等(2016)將震群附近灰巖地帶和斷裂帶的10余個樣品在圍壓為500 psi的壓力條件下進行滲透率測試，結果顯示灰巖的滲透率普遍較低，被充填的封閉裂隙滲透率為0.001～0.002 mD，平行于斷層面的斷層角礫巖的滲透率相對較高，達到0.3 mD，是垂直于斷面滲透率的40倍。這與研究區實際野外調查的巖溶優勢方位與構造裂隙方位大體一致的事實相吻合。

2.2 地下流體的形成

研究區位于分水嶺地帶，地下水水位與流量隨季節變化，具有氣象型動態變化特征。對地下水動態特征分析發現，研究區穩定水位期時間比天然水點短暫，甚至不存在穩定水位期，水位一直處在衰減狀態，表明其附近有水位較低的排泄基準面或集中排泄通道，含水層巖溶徑流通道空間結構復雜(黃輝等，2014)。研究區構造裂隙滲透率調查結果表明流體各方向滲透率明顯受區域構造應力場和斷裂構造共同控制(Lietal，2016)。研究區區域主壓應力方向為NW300°～310°(宋方敏等，2004)，主拉應力方向NE30°～40°，主要發育NW向斷裂構造。盡管NW向斷層十分發育，但靠近NW向斷層也發育有近EW向的溶蝕作用，與主壓應力方向成一定夾角，地下流體主要沿NW向斷層和近EW向斷層或裂隙下滲，NW和近EW向斷層或裂隙是淺表巖溶水與深層熱水系統溝通交換的主要通道。野外地震地質調查表明，近EW向斷層構造破碎帶寬，構造裂隙發育，結構松散，膠結差，滲透性好，導水性好，斷層帶上巖溶非常發育(李細光，周斌，2014)，如：F2-10是溝通各個NW向斷層的主要連接渠道，地下水沿NW向斷層和近EW向斷層及其影響帶進行深部循環而發育了沿斷層分布的深部流體帶。地球物理勘探和鉆孔資料也揭示出淺表流體存在沿斷層下滲并向更深方向發育的趨勢，可能沿斷層流體到達深度大于1 000 m的位置(黃輝等，2014)。

3 流體觸發淺層斷層活動

3.1 地下流體溫壓條件的改變

研究區垂向上分布有2層地下水系統，分別為淺表巖溶水和深部熱液流體系統。在平果震群發生前，深部熱液流體與上部淺表地下水不存在水力聯系或聯系不密切，屬隱伏于背斜及向斜構造深部的半封閉深部地下流體系統(李細光，周斌，2014)。水文地質調查表明，自2012年底3號排泥庫開始蓄水以來，受嚴重的人為和自然水土流失的影響，東支流管道在板新水庫(圖1)至上來屯一帶的山區管道段發生堵塞(或淤塞)現象，改變了該支流管道的徑流排泄狀態，使3號排泥庫和板新水庫一帶地下水位壅高30 m左右(黃輝等，2014)，直接導致淺表巖溶水沿構造裂隙加速向深部運移，區內的水文地質條件發生了重大變化。震群發生前，排泥庫附近存在高達30 m的壅水，靜水壓力的增強加速了淺表流體沿斷層、裂隙滲透，在NW向斷層和近EW向斷層或裂隙的共同作用下，流體加速向NW向右江斷層及其次級斷裂內部滲透，淺表水加速與深層地下水進行交換，改變了深部地下流體帶的溫壓條件。

3.2 流體與震群活動

流體觸發的地震由于有水的潤滑作用，在震源體巖石開始破裂或溶洞發生形變時，地震臺記錄的波形與構造地震、塌陷地震、人工爆破地震等波形區別在于出現初動不清且呈現周期較大而振幅較小的初始震波。平果臺記錄到2013年6月21日平果3.0級地震(該震群中第一個3.0級地震)波形特征顯示，P，S 波周期較大，衰減近似指數衰減，持續時間較長，且高頻成分少。震群波形的震相單一，短周期面波發育。從波形上看，這次震群波形特征同水庫誘發地震波形類似(張華等，2014)，這說明在該次地震最初時段是有流體參與的。

為了檢測流體觸發地震活動的程度，采用滑動時間窗擬合之后得到的背景地震活動率μ值變化對地震序列進行分析。圖3是采用10 d累計、2 d滑動的方式計算ETAS模型μ值，可見總體上μ值較高，尤其是前期，因而流體的作用不能排除。對照震群6月下旬至7月上旬的小震密集時段，流體觸發尤其強烈。隨時間的推移，μ值降低，流體作用趨于減弱(李細光，周斌，2014)。盡管流體觸發作用較強，但由于流體觸發地震占所有地震的比例僅為34%(Rb=0.34)，近2/3的地震屬于序列自激發產生(張華等，2014)，這表明斷裂構造活動才是這次震群活動的主因。

圖3 2013年6月16日至7月21日平果震群μ值隨時間的變化(李細光，周斌，2014)

3.3 震群活動是巖溶區淺層斷層活動的結果

張華等(2014)采用雙差定位方法對平果震群267次ML≥1.0地震進行重新定位，發現2013年6月16，17日泥漿泄漏前地震的震中主要分布在F2-4、F2-5、F2-6、F2-7、F2-8和F2-10等斷層上，其中ML≥2.0地震主要分布在斷層的交匯部位(圖1)，說明該震群與斷裂構造關系密切。泥漿泄漏后地震的震中平面主要分布在右江斷裂帶上盤的NW向次級斷裂與近EW向斷裂交匯部位附近約40 km2的區域(圖1)。剖面上這些地震的震源深度較淺，大部分在5 km以內，震中大部分位于右江斷裂帶上盤次級斷裂上或它們的交匯部位，與研究區斷裂構造關系密切(圖4、圖1中A-A’剖面)，流體觸發的震群活動實際上是巖溶區淺層斷層活動的結果。采用振幅比與P波初動聯合求解得到的研究區11次ML≥2.3地震震源機制(圖5)，顯示P軸方位主要為290°～350°，仰角較小，與研究區現今構造應力場方向一致(Lietal，2016；龍政強等，2015；郭培蘭等，2016；陸麗娟等，2014；張華等，2014)，表明該震群是構造活動的結果。震源機制解結果也表明ML≥2.3地震的破裂主要以NW向和NEE向或NNE向為主(圖5)，其中NW向節面走向大部分與研究區NW向右江斷裂帶的次級斷裂吻合，NEE向節面可能與研究區NEE向斷層活動有關。

F2-1：果化—新安斷裂；F2-2：瀨勞—龍莊斷裂；F2-3：龍拉—那艾斷裂；F2-4：岑魯斷裂；F2-5：內銀斷裂；F2-6：下來斷裂；F2-7：板下斷裂；F2-8：大路斷裂

4 討論與分析

4.1 平果震群不是巖溶塌陷地震

巖溶塌陷地震產生的必備條件主要有：(1)大型巖溶空腔的存在，空腔的大小決定塌落體動能的大小；(2)不充水或是半充水狀態的大型巖溶空腔易產生頂板塌落地震，充滿水的巖溶空腔，由于水的浮托力的作用，塌落體的勢能被大大消減，盡管發生了頂板塌落也難以引起地震。通過對研究區巖溶水文地質條件的調查分析，認為研究區基本不具備以上條件。在平果震群發生前，研究區地下水位已經高于3號排泥庫庫底，超過10 m，所有巖溶空腔已全部充滿地下水。另一方面，水文地質鉆探表明，研究區溶洞最高8 m，大部分高度都在2 m以下(黃輝等，2014)，這種水文地質條件下產生巖溶塌陷地震的可能性很小。

圖5 ML≥2.3地震震源機制解(據郭培蘭等，2016)

4.2 活動機理分析

李志勇等(2015)在研究凌云—鳳山震群時曾推導出在一定的構造應力背景和深度條件下，觸發斷層滑動所需要的最小流體壓力為：

Pf=ρfgh-σT/2sinφ

(1)

式中：Pf為流體壓力；ρf為流體密度；g為重力加速度；h為深度；σT為地殼深部的差應力；φ為最大主應力σ1與斷層面夾角。

流體作用下的斷層滑動準則可表達為莫爾圖解(圖6a)，斷層帶內流體壓Pf的增加，使應力莫爾圓向左平移，平移至與包絡線相切的距離，即為觸發斷層滑動所需的流體壓力。構造應力σT的增加，使應力莫爾圓半徑增加，當與包絡線相切，達到臨界值時，觸發斷層滑動。隨著深度h的增加，巖石靜巖壓力增加，使應力莫爾圓向右平移，需要更大的構造應力或流體壓力才能觸發斷層滑動。

不同構造應力和深度條件下，觸發斷層滑動所需的流體壓力關系如圖6b所示。在同一深度，構造應力越大，流體對斷層的影響越大。同一構造應力條件下，深度越深，觸發斷層滑動的流體所需流體壓力越大。隨著深度的增加，靜巖壓力越大，流體壓力對斷層滑動的影響越小。Hunt(1990)根據阿拉斯加Cook Inlet 盆地地下流體壓力的研究，認為3～4 km深度處為具有低滲透率的壓力密封層(pessure seal unit)，3 km以內為正常流體深度。因此，地表流體通過滲透的最大影響深度一般不超過3 km。也就是說，地表流體對斷層影響的深度是有限的，地表水的下滲很難觸發斷層的完全解鎖和深部滑動。從LOCSAT定位的震源深度剖面上也可以看出，震源深度3 km以內的地震散布在右江斷裂帶上盤，與斷裂構造有一定關系但不是很密切，震源深度大于3 km的地震則密集分布在右江斷裂帶次級斷裂和上盤反向斷裂的交匯部位附近(圖1)，與斷裂構造關系密切，說明震源深度3 km以內的地震主要是流體觸發的，震源深度大于3 km是構造地震的可能性較大。

平果震群發生前，深部就存在承壓的熱液儲層，流體滲透作用已經改變了斷層結構面上的應力狀態，導致斷層面上孔隙流體壓力增加，并進一步降低了斷層面的有效正應力和斷層的有效強度，有利于淺層部位斷層的局部解鎖滑動。平果震群發生時，3號排泥庫附近存在高達30 m左右的壅水，在高水頭壓力作用下，淺表流體迅速滲透到近EW向F2-10斷裂和右江斷裂帶上盤NW向次級斷裂，淺表斷層局部解鎖活動，形成淺層局部應力場異常，并使斷層附近的巖溶洞穴和構造裂隙形成離散的封閉性超壓流體，從而發生密集的淺層低震級震群活動。同時淺表流體與深部承壓流體開始了水力聯系、溝通和交換。研究區水文地質條件發生了重大變化，深淺流體聯系一方面會引起淺層局部應力變化，另一方面，地震使深部熱液流體通過斷裂活動上升至淺部，地下熱水直接出露地表或與淺表巖溶水混合后出露地表，地震發生一天后3號排泥庫泄漏處(圖1)水溫達46 ℃，淺部流體與深部流體得到快速交換循環，快速影響斷層內部的溫壓條件和應力環境，從而引發震源深度3 km以內的淺部震群活動。

研究區位于較高構造背景應力的右江斷裂帶上盤，且NW向斷裂和近EW向斷裂在此交匯(圖1)，有利于構造應力的集中，同時研究區自1977年后再沒有發生過5級以上地震，20多年的應力應變積累，可能已經在研究區形成應力集中區。流體觸發淺部斷層活動和研究區構造應力集中共同作用導致淺層斷層及裂隙發生滑動，從而在右江斷裂帶上盤NW向斷裂和近EW向斷裂交匯部位附近觸發密集的震源深度大于3 km的淺層震群活動。

(a)流體作用下斷層滑動準的應力莫爾圖解 (b)斷層內流體孔隙壓力觸發斷層滑動影響深度

圖6 斷層內流體孔隙壓力觸發斷層滑動的應力模型(據李志勇等，2015)

Fig.6 Stress model showing fault slip triggered by pore-fluid pressure(based on Lietal，2015)

5 結論

本文通過對2013年廣西平果震群區構造裂隙滲透性進行調查，在前人研究基礎上，結合地震波波形初動記錄、ETAS模型μ值檢驗、震源機制解等參數的綜合分析及討論，獲得如下幾點主要認識：

(1)研究區巖石和構造裂隙的滲透率受區域構造應力場和斷裂構造共同控制，巖溶發育優勢方位主要為NW向和近EW向。地下水的滲透活動主要是沿著斷裂走向進行的，地下流體主要沿NW向和近EW向斷層下滲而形成深部地下流體帶。

(2)震前排泥庫附近30 m高的壅水加速淺表水向右江斷裂帶及其次級斷裂內部滲透，淺表斷層局部解鎖活動，形成淺層局部應力場異常，并使斷層附近的巖溶洞穴和構造裂隙形成離散的封閉性超壓流體，從而發生密集的淺層低震級震群活動。波形的初動記錄和ETAS模型μ值檢驗也表明流體參與并觸發了震群活動。

(3)2013年平果震群是構造因素以及流體參與并觸發斷層淺部活動的結果，其中震源深度大于3 km的地震主要是由右江斷裂帶上盤構造背景應力較高且應力集中等構造因素引起，而小于3 km的淺部震群活動則主要是由以下2個因素共同作用所觸發：①深部流體滲透作用改變了斷層結構面上的原有應力狀態，降低了斷層面的有效正應力和斷層的有效強度，增強了斷層深部流體壓力，加速了淺部斷層局部解鎖滑動；②淺表流體與深部承壓流體的水力聯系、溝通和交換，改變了斷層內部的溫壓條件和應力環境。