四川長寧頁巖氣開采區上地殼各向異性及其變化特征

劉莎， 鄭鈺

中國地震局地球物理研究所， 北京 100081

0 引言

近年來，隨著地球深部能源和空間的開發利用，特別是頁巖氣的大規模開采，誘發地震已經被越來越多的公眾和科研人員所關注和高度重視.美國地質調查局的研究發現在美國中部，水力壓裂過程中由于廢水回注地下誘發的有感地震不斷增多(Rubinstein and Mahani, 2015).在加拿大西部誘發地震主要由水力壓裂引起(Bao and Eaton, 2016).在我國四川盆地，無論是長期的廢水回注地下處理還是短期的頁巖氣開采水力壓裂都可能誘發地震活動(Lei et al., 2013; Meng et al., 2019).應力作用下的裂隙(或孔隙)結構介質及其應力變化導致介質物性的變化在深部結構研究中，尤其是在油氣勘探開發領域越來越受到重視(Crampin and Gao, 2018).Atkinson等(2020)系統地分析了水力壓裂誘發地震的誘發機理，指出其與構造地震之間的不同.由于誘發地震通常發生的深度較天然地震淺，造成的地殼應力釋放存在一定差異.Pei等(2018)采用地震波速度和各向異性聯合層析成像探討了注水對誘發地震的影響.誘發地震雖然與資源能源開采利用息息相關，但是容易造成自然環境的改變，形成一定的災害.特別是在頁巖氣開采區，反復發生的小到中強地震有可能對歷史上地震活動性較弱的地區造成嚴重的破壞.因此，研究頁巖氣開采區域地殼應力場的特征有助于理解異常活躍的地震孕育的應力環境，對判斷潛在的地震發展趨勢具有重要的意義，進而為頁巖氣開采區開展防震減災工作提供科學依據.

四川盆地有多個頁巖氣開采區域，長寧頁巖氣開采區的地震活動性自2014年底水力壓裂施工以來明顯增強(Hu et al., 2018; Lei et al., 2019a; Yang et al., 2021).已有的研究結果表明，該區多數的地震活動可能與頁巖氣開采水力壓裂或深井采鹽注水有關(Lei et al., 2013,2019b; Tan et al., 2020).2018年12月16日興文發生ML5.7地震，2019年1月3日珙縣發生ML5.3地震(Long et al., 2020).這兩次ML5地震給當地人民的生命和財產造成了極大損失，而且引起了大規模的滑坡和巖體坍塌等次生災害.ML5.7和ML5.3地震都發生在距離水力壓裂井段非常近的位置，地震發生時，都正在進行水力壓裂作業.已有的研究結果表明兩次ML5地震的相繼發生可能與水力壓裂誘發地震密切相關(Lei et al., 2019a).

長寧地區是我國主要的頁巖氣產區之一，且水力壓裂施工誘發地震是近年來國內外研究的熱點.因此長寧地區的地震活動性以及地震孕育的應力環境等方面的研究有一定的實際意義.長寧地區位于四川盆地南緣，揚子板塊西緣，處于四川盆地南部邊界的褶皺區(圖1).此區域的長寧背斜既是天然地震多發區，也是頁巖氣開采區.長寧背斜位于川、滇、黔結合區域，具有不同方向上的多期構造變形疊加特征.東側受到了川東—湘鄂西構造帶擠壓應力影響，西側受來自龍門山方向的擠壓應力遠程傳遞影響，北部為四川盆地及華鎣山斷裂帶所限，南部又疊加了紫云—羅甸斷裂構造轉換作用導致的擠壓和抬升作用(何登發等，2011, 2019).長寧背斜西北穿過珙縣至高縣地區，東南達敘永地區，東南部較寬，西北部較窄，背斜軸跡呈北西—南東走向.自有地震記錄以來，長寧背斜始終是一個地震多發區.川西南地區的地震統計結果表明，長寧背斜在2011年水力壓裂作業之前已發生多次中小地震.長寧背斜及鄰區自2011年以來的地震分布具有面狀展布的特點，地震集中區域靠近頁巖氣勘探集中區域，震源深度也主要集中在5～15 km(何登發等，2019).2018年12月16日、2019年1月3日分別發生了ML5.7和ML5.3地震(圖1).水力壓裂對這兩次中強地震的發生起到怎樣的作用？這對該地區頁巖氣開采工作具有重要的實際意義.本文立足于該區域地殼應力場的變化特征以及地殼各向異性的空間分布，利用2018年12月16日興文和2019年1月3日珙縣兩次ML5.0地震發生前后研究區的地震波形數據，采用剪切波分裂方法開展地殼各向異性特征的分析，試圖從各向異性的角度探討地震孕育的應力環境，對地震成因進行初步探討.

圖1 研究區地質背景與地震臺站分布三角代表研究區地震臺站位置；圓點表示2018年11月—2019年2月期間的地震震中位置；大五角星表示ML5.7地震震中位置，小五角星為ML5.3地震震中位置；地震目錄資料由中國地震臺網中心提供.Fig.1 The geological setting and distribution of seismic stationsThe seismic stations are showed by triangles. The dots indicate the epicenter positions of the earthquakes from November 2018 to February 2019. The big and small stars represent the epicenter locations of ML5.7 and ML5.3 earthquakes, respectively. The earthquake catalogue is provided by the China Earthquake Networks Center.

1 地震數據與剪切波分裂計算

1.1 地震數據

為了探討2018年12月16日ML5.7和2019年1月3日ML5.3地震發生前后地殼應力場的變化特征，本文采用的地震數據時間段為2018年11月—2019年2月(圖2)，地震在空間上的分布如圖1所示.根據實地調查，研究區頁巖氣開采水力壓裂從2018年10月開始.圖2顯示2018年11月地震活動性較強，進入12月地震活動性進一步增強，多數地震震級集中在ML2.0以下.12月16日ML5.7地震發生，研究區域地震活動性依然保持較高的水平，一直持續到ML5.3地震發生，地震震級依然以ML2.0以下為主.2019年1月底地震活動性稍有降低，2月份地震活動性仍保持在較高水平.已有的研究表明，該區域地震震源深度主要集中在5～10 km，而且頁巖氣開采水力壓裂與該地區地震活動之間存在密切的時空相關性(Lei et al., 2019a).

圖2 長寧地區2018年11月—2019年2月地震序列時序圖Fig.2 The M -T figure of the earthquakes from November 2018 to February 2019 in Changning area

1.2 剪切波分裂

剪切波分裂研究是獲得地殼各向異性特征最直接有效的方法之一(Crampin et al., 2015; Gao et al., 2011,2012).慢剪切波的延遲時間與介質的各向異性程度有關，可以反映地殼應力場的特征性變化.快剪切波偏振方向則反映了地殼應力場方向.因此，獲取剪切波分裂參數可以為討論頁巖氣開采區高孔隙流體壓力下地殼應力場的時空演化提供重要信息，為密切監視區域內介質的各向異性特征及應力場的動態變化提供可能.

本文利用研究區域內14個數字地震臺站記錄的地震波形數據進行剪切波分裂計算(圖1).地震臺站CJW，MET，XIC采用CMG-3ESPC-60地震儀，臺站CMZ，CNI，GXA，LFY，QGT，SZP，WJZ，XWJ采用FSS-3M地震儀，臺站LQS，SJK，SHB采用CMG-40T地震儀.這些臺站均為三分向地震計，采樣率為100個采樣點/s.本研究使用2018年11月—2019年2月期間的地震數據資料，進行剪切波分裂計算.為了防止地表剪切波全反射的影響，泊松比0.25的介質剪切波窗口一般選擇為35°，考慮到地表低速層的影響，剪切波窗口可適當放寬(Crampin and Peacock, 2008).根據長寧地區地下一維速度結構模型(表1)(易桂喜等，2019)，本文選取剪切波窗口為50°進行剪切波分裂分析.在此基礎上，挑選剪切波波形信噪比較高的地震數據.利用剪切波分裂偏振分析法，根據剪切波質點偏振圖的變化特征獲得剪切波分裂參數快波偏振方向和慢波延遲時間(圖3)(劉莎等，2014).

表1 長寧地區一維速度模型Table 1 1-D velocity model of the Changning area

2 剪切波分裂參數結果

經過對研究區域2018年11月—2019年2月地震數據的篩選(圖1)，對14個地震臺站記錄的剪切波窗口內的數據進行剪切波分裂計算，共獲得了1385對剪切波分裂參數(表2).GXA，LFY，LQS，MET，QGT，SJK臺站有3條及以下的有效事件數，除此之外其余臺站均獲得了多對剪切波分裂參數結果，特別是位于震群中的CJW，CNI，XIC，XWJ臺站獲得了百條以上的有效結果.雖然有6個臺站只有3條以下有效結果，但是這些臺站獲得的快波偏振方向明顯，并且和其他臺站表現出較為一致的快波偏振方向，體現了該臺站下方地殼各向異性的特征(圖4).GXA，LQS臺站快波優勢偏振方向顯示為北東東和北東向，CMZ，LFY，MET，QGT，SJK，WJZ臺站為南東向，SHB臺站快波偏振方向表現為近似南北向.CJW，CNI，SZP，XIC，XWJ臺站快波偏振方向有兩個優勢方向，北東向和南東向.

圖4 臺站下方快波偏振方向的下半球等面積投影玫瑰圖虛線以上為兩個快波優勢偏振方向的臺站；虛線以下為單個快波優勢偏振方向的臺站.Fig.4 Lower hemispherical project and equal-area rose diagram of fast wave polarization beneath seismic stationsThe stations with two dominant polarization directions of fast wave are above the dotted line. The stations with single dominant polarization direction of fast wave are below the dotted line.

中上地殼各向異性離散現象普遍較為顯著，研究區內慢波延遲時間差異較大.由于慢波延遲時間受到地殼介質各向異性強弱程度的影響，而且剪切波在地殼介質中的傳播路徑也會影響到慢波延遲時間結果.為了便于分析比較，慢波延遲時間用震源距進行歸一化(或稱標準化)處理(表2).本文得到歸一化慢波延遲時間的范圍為(3.75～9.53)ms·km-1，整個區域均值為6.16 ms·km-1.慢波延遲時間最大值來源于XIC臺站，最小值源于CMZ臺站.

表2 長寧地區臺站下方地殼剪切波分裂結果Table 2 Shear wave splitting parameters at stations in Changning area

3 地殼各向異性特征

3.1 快波偏振方向空間分布特征

為了更清晰地顯示研究區域快波偏振方向的空間分布特點，本文用統計平均的方法獲得了這些臺站的快波優勢偏振方向(表2)，探討長寧地區地殼各向異性的空間分布特征，以及與構造背景之間的關系(圖5).

圖5 長寧地區快波偏振方向空間分布圖F1瓦房頭斷層, F2 大地灣斷層, F3 大佛崖斷層, F4 珙縣斷層, F5 陰陽背斷層, F6 新街斷層, F7 興文斷層, F8 扎子拗斷層, F9 豬槽井斷層.Fig.5 The spatial distribution of polarization directions of fast shear waves beneath the Changning areaF1 Wafangtou fault, F2 Dadiwan fault, F3 Dafoya fault, F4 Gongxian fault, F5 Yinyangbei fault, F6 Xinjie fault, F7 Xingwen fault, F8 Zhazi′ao fault, F9 Zhucaojing fault.

XIC臺站剛好位于ML5.3和ML5.7兩次地震震中位置之間，快波偏振方向顯示有兩個：北東和北西向.ML5.7地震所推斷的地下隱伏斷層性質為北西向的走滑斷層(易桂喜等，2019)，這與XIC臺站快波偏振方向一致.該現象也顯示出活動走滑斷裂的作用通常會造成斷裂上及附近地區地震臺站的快波偏振方向與斷裂的走向一致.ML5.3地震發震斷層為北西西向的逆斷層(易桂喜等，2019)，XIC臺站快波偏振方向與之斜交.地震震源機制解結果反映出區域構造應力的最大主壓應力方向為北西向(易桂喜等，2019)，這與XIC臺站北西向的快波偏振方向一致.

CNI臺站處于瓦房頭斷層、大地灣斷層、大佛崖斷層以及雙河背斜南段的交匯處，該臺站快波優勢偏振方向為北東和北西向，與斷層的走向基本一致.位于白象巖獅子灘背斜附近的臺站SJK和LQS，雖然剪切波分裂結果數量非常有限，但是快波偏振方向與斷裂的走向較為一致.位于珙縣斷層以南的GXA臺站快波偏振方向顯示為北東向，與LQS臺站的快波偏振方向一致.CJW臺站和MET臺站分別位于長寧大背斜北端的兩側，CJW臺站位于北東走向的新街斷層和長寧大背斜附近，該臺站北西方向的快波偏振方向與斷裂走向一致，北東方向的快波偏振方向與斷裂斜交.MET臺站更靠近于北東走向的大地灣斷層和長寧大背斜的北端，表現為北西向的快波偏振方向.長寧大背斜附近發育有多條斷層分布，構造環境復雜.在復雜的構造應力影響下，斷層兩側的地震臺站得到的快波偏振方向存在明顯差異.

位于ML5.3和ML5.7兩次地震以南的區域，在構造上主要分布有近東西向的建武向斜，和近南北向的扎子拗斷層.在兩構造交匯處的WJZ臺站快波偏振方向為北西向，與區域主壓應力的方向一致.CMZ臺站快波偏振方向與WJZ臺站一致，為北西向.臺站SZP和XWJ分布在建武向斜兩側，有兩個快波偏振方向北東和北西向，均與斷裂走向斜交.

QGT臺站更靠近于ML5.3地震震中位置，快波偏振方向顯示為北西向，與斷裂走向斜交.SHB臺站快波偏振方向結果為近南北向.LFY臺站快波偏振方向為北西向，與區域主壓應力的方向一致.快波偏振方向的結果顯示了該區域地殼各向異性的復雜性.

高原等(2018)利用區域地震臺網資料研究青藏高原東緣地震各向異性分區特點結果顯示，長寧地區快波偏振方向有兩個優勢方向：北東向和北西向.該區域主壓應力方向為北西方向，北東向的快波偏振方向則受區域內北東走向的隱伏斷裂影響.石玉濤等(2013)在對四川盆地地殼剪切波分裂研究中獲得的本研究區域內臺站快波偏振方向為北東—南西向.地應力測試的結果表明，長寧大背斜地區最大水平主壓應力方向為南東向(北偏東100°～155°)(Huang et al., 2018; 王玉滿等，2016).由于長寧大背斜主要是在燕山期形成的，為一“古”背斜，現今測得的最大主應力方向多與長寧背斜軸跡斜交.長寧地區天然裂縫相對發育，裂縫走向與最大水平主壓應力方向大體一致.文中所得到的北西向的快波偏振方向與區域最大主壓應力的方向是一致的，但是北東向的快波偏振方向與區域主壓應力方向以及斷裂的走向斜交.

快剪切波偏振方向一般平行于地殼微裂隙的走向，是剪切波在地殼介質中傳播時在射線路徑上的綜合結果.研究區域內多個地震臺站表現出兩個快波優勢偏振方向，反映了長寧地區上地殼各向異性的復雜性.通常情況下，近場剪切波分裂得到的各向異性結果比利用遠震剪切波分裂得到的上地幔各向異性結果表現出更為復雜的特征(張中杰，2002；張暉等，2020).造成上地殼各向異性復雜的原因有多種.已有的研究表明，斷裂分布、區域應力和局部構造都會影響到快波偏振方向，但主要的因素是區域主壓應力和局部斷裂共同作用的結果(鮑子文和高原，2017).長寧地區位于四川盆地南緣盆山結合地帶，斷裂分布錯綜復雜，而且隱伏斷層發育.該地區處于構造變形模式轉換區域，其所處構造環境的變化導致構造變形特征具有復雜性(張岳橋等，2011).通常在構造環境復雜的區域，臺站的快波偏振方向具有一定的離散性(Gao et al., 2011；吳晶等，2010；錢旗偉等，2017).

圖6 XIC臺站快波偏振方向在時間上的分布Fig.6 The temporal distribution of polarization directions of fast waves at XIC station

由于研究區域快波偏振方向表現出較高的離散性，為了探討快波偏振方向的離散性在時間上是否具有特殊的變化，文中選取剪切波分裂參數數量最多的臺站XIC來分析快波偏振方向的變化(圖6).該臺站位于ML5.7和ML5.3兩次地震震中位置之間，快波偏振方向表現為北東和北西向.從時間上看，快波偏振方向在兩次地震前后沒有顯著變化，兩個方向的快波偏振方向在觀測時間段內始終存在.長寧地區壓裂施工是從2018年10月開始，高壓流體注入地層中，可能引起局部應力場的變化.剪切波分裂參數離散現象的另一個因素是快剪切波方向的90°翻轉現象(Crampin et al., 2002, 2004).該現象表明快波偏振方向和慢波方向發生了互換，可能是由于地震活動和斷層導致的孔隙流體壓力突然增大，隨著孔隙壓力增加到接近最大水平壓力值時，快剪切波的極化方向從平行最大水平應力變為與之垂直，導致地殼中各向異性微裂隙局部重新定向排列(Crampin et al., 2002).所以，本文推斷造成長寧地區快波偏振方向復雜的因素有多種，北西向的區域主壓應力，錯綜復雜的斷裂分布以及水力壓裂作用.

3.2 區域地殼應力變化

針對中上地殼剪切波分裂結果離散性這一特點，對具有一定數量的剪切波分裂結果的臺站進行地殼應力的討論才能降低結果的隨機性影響.本文挑選出慢波延遲時間結果數量大于100且地震臺站位置較為典型的臺站加以分析，探討長寧地區地殼應力場的特征性變化.根據地殼中微裂隙不同參數對慢波延遲時間的影響，按照區域主壓應力方向將數據進行分類，分為1角區和2角區(Crampin et al.,2002；Gao and Crampin,2008).2角區的慢波延遲時間對地殼中裂隙的密度較為敏感，由于2角區的數據較少，文中暫不做討論.1角區的慢波延遲時間對地殼應力作用下的微裂隙幾何形態較為敏感，反映了地殼應力的變化特征(Crampin et al.,2002).下面將討論1角區的慢波延遲時間變化.由于慢波延遲時間的離散型，本文采用7點滑動平均結果來顯示慢波延遲時間的變化趨勢(圖7).

圖7 典型臺站慢波延遲時間的變化圖(a,b,c) 分別為臺站CNI, XIC和XWJ慢波延遲時間變化；黑色圓點為歸一化的慢波延遲時間結果，紅色實線為7點滑動平均曲線；紅色虛線標示了ML5.7和ML5.3地震的發震時刻.Fig.7 Changes in the delay times of slow waves at the typical seismic stations(a,b,c) is the change in the delay times at CNI, XIC and XWJ station, respectively. The black dots are the results of the normalized delay times of slow waves. The red solid line is the 7-point moving average curve. The red dotted lines indicate the occurrence time of ML5.7and ML5.3 earthquakes.

本文選擇位于ML5.7和ML5.3兩次地震震中位置之間的XIC臺站，該臺站共獲得了812個慢波延遲時間結果，更客觀地反映了慢波延遲時間的變化.另外選擇了位于地震簇以南的XWJ臺站和北部的CNI臺站進行分析.頁巖氣開采初期壓裂施工，頁巖地層中被注入高壓流體，流體壓力可對地應力產生較大程度的影響.長寧地區水力壓裂施工從2018年10月開始，在2019年1月13日結束.從慢波延遲時間的變化來看，2018年11月和12月上旬，XIC和CNI臺站慢波延遲時間表現為無規律的波動，沒有顯示出明顯的變化趨勢.由于數據有限，XWJ臺站沒有觀測到慢波延遲時間的變化.在ML5.7地震發生之前的五天左右時間，CNI和XWJ臺站均觀測到慢波延遲時間的增大，XIC臺站的變化并不明顯.通常情況下，慢波延遲時間在大地震發生前會顯著增加，又在臨震前的短時間內突然降低(Crampin and Peacock, 2008; 劉莎等，2014).但是，在ML5.7地震之前短時間內三個臺站均沒有觀測到慢波延遲時間的下降，而且ML5.7地震之后，即使水力壓裂活動暫停了幾天，但是慢波延遲時間仍舊持續增大，可以推斷地殼應力場一直處于增加的狀態，直到2019年1月3日ML5.3地震發生.ML5.3地震發生之后，CNI和XWJ臺站均觀測到慢波延遲時間降低的趨勢.特別是XIC臺站，在ML5.3地震發生之前的三天左右時間，慢波延遲時間突然持續降低，直到ML5.3地震發生.整體而言，三個臺站在慢波延遲時間的變化上表現地較為一致，兩次中強地震發生前后均觀測到慢波延遲時間的變化，體現了地殼應力的積累和釋放.

4 討論與結論

本文利用四川長寧頁巖氣開采區14個臺站2018年11月至2019年2月期間記錄的地震波形資料，得到了該地區剪切波分裂參數快波偏振方向和慢波延遲時間的時空分布特征.結果顯示，研究區內多數臺站的快波偏振方向表現為兩個優勢方向：北東向和北西向.長寧地區區域主壓應力方向為北西向.理論上，快波偏振方向平行于地殼中微裂隙的排列方向，與區域主壓應力的方向一致(Gao et al., 2011,2019; 高原等，2018，2020；石玉濤等，2013).然而，位于地質構造復雜的區域，快波偏振方向會較為復雜.地震臺站所在位置的局部構造或鄰近地區的活動斷裂特性等構造因素對快波偏振方向會造成一定的影響，從而導致地殼各向異性表現出復雜的特征(高原等，2010；高原和吳晶，2008).本文的研究區域剛好位于四川盆地南緣盆山結合地帶，處于構造變形模式轉換區域，構造環境復雜.位于斷裂帶附近的臺站多受到活動斷裂的影響，快波偏振方向與斷層走向一致，但是部分臺站快波偏振方向與主壓應力的方向表現為垂直關系.

位于ML5.7和ML5.3兩次地震震中之間的臺站XIC快波偏振方向表現為北東向和北西向.從時間上看，快波偏振方向在兩次中強地震發生前后沒有顯著變化，離散性較高.文中多數臺站表現出兩個近似正交的快波偏振方向，類似于快剪切波方向的90°翻轉現象.而且在長寧地區，本文獲得的慢波延遲時間平均值達到了6.16 ms·km-1，比其他地區的慢波延遲時間結果偏高，表現出了較高的各向異性強度(高原等，2018；石玉濤等，2013；劉莎等，2014；吳鵬等，2020).高原等(2018)剪切波分裂結果顯示，四川盆地西緣(包括長寧地區)是汶川地震后唯一的應力沒有(被汶川地震)釋放反而增加的地區，表明長寧地區地殼應力場的區域性特征明顯.長寧地區頁巖氣開采時，水力壓裂施工.頁巖地層中被注入高壓流體，裂隙內被臨界的高孔隙流體壓力所滲透，引起巖體裂隙充水飽和，導致深部斷裂中孔隙水壓力升高和有效應力降低，從而改變了巖體和斷裂帶的應力狀態，引起地應力環境改變.地殼中微裂隙重新定向排列，孔隙壓力的變化也導致了充滿流體的微裂隙重新組織其幾何形態.因此快波偏振方向呈現出近似正交的特征，慢波延遲時間也表現出較高的各向異性強度，體現了長寧地區地殼各向異性的復雜性和區域性特征.

根據應力預測地震的理論，即將發生的地震的震級與巖石破裂臨界狀態到達之前的應力積累的時間和速度有一定的函數關系(Crampin,1998; Crampin and Gao,2015; Gao et al., 2011).一個M5.5天然地震應力積累的持續時間在6～7個月.本文所觀測到的慢波延遲時間在ML5.7地震發生之前增大的時間尺度在幾天之內，應變積累的速度相對較高.通常情況下，應變積累速度較高的地區，誘發地震的可能性較高.長寧頁巖氣開采區所處的川西南地區，正位于南北地震帶南段的東側邊緣，該地區的斷裂活動性并不強(王椿鏞等，2015；鄧起東等，2003).接連兩次中強地震的發生可能與水力壓裂作用有關，這與Lei等(2019a)研究的結果一致.綜上所述，本文所得到的快波偏振方向的空間分布和慢波延遲時間的變化所表現出的離散性和較高的各向異性強度，可能是由于該研究區域復雜的構造環境、北西向的區域主壓應力以及水力壓裂作用綜合因素引起的.

致謝感謝四川省地震局提供了地震波形數據.感謝審稿專家對本文提出了非常有益的修改意見.