深部能源的开采一般采用水压致裂法，即利用高压水泵将流体(通常为水)注入到低渗透率的地层中，使地下岩体原有裂缝扩大或者产生新的裂缝，增加地层渗透率，此方法能明显提高油气开采井、地热开采井等的产量。大量研究表明，地下岩体的变化可能导致原有断层活化或者产生新的地裂缝，岩体活动过程中会释放大量能量，发生地震活动，此现象称为诱发地震活动。如2016年美国波尼M_W5.8地震可能是油井注入废水导致^[1]；2017年韩国浦项M_W5.5地震可能是由EGS作用下注水诱发^[2]；2019年长宁附近M_S6.0级地震可能与该地区长达40 a的注水采盐活动有关^[3-4]；2020年遂宁-潼南M_S5.1地震很可能是由地下高压流体向上部天然气田的间歇性流动导致的断层活动引起^[5]。山东^[6]、河北^[7]等油气能源丰富的地区也多发注水诱发地震。

马头营干热岩区位于唐山海港经济开发区，距唐山市中心约90 km。初步探查结果显示，区内4 km深度处干热岩面积近80 km²，在5 km深度处干热岩面积达500 km²，其热储能量分别相当于2.8×10⁹ t和2.28×10¹⁰ t标准煤，是京津冀地区埋藏最浅的干热岩^[8]。由于干热岩的开采利用容易导致周边断层失稳，诱发地震，本研究在唐山马头营干热岩区试验场地布设了7个临时测震台站(L1324、L1325、L1326、L1327、L1328、L1329、L1330，见图 1)，地震监测能力达到M_L0，用来监测干热岩M1井开采增渗循环试验期间的地震发生情况，分析地震与试验场注水的关系，保障干热岩开采过程的安全与稳定性。

1 研究区地质背景

马头营凸起位于唐山老震区东南方向，黄骅坳陷北部，渤海湾盆地北西向构造和北东向构造交会处，是太古界潜山背斜上发育的第三系披覆构造。马头营凸起北以马北断层为界与乐亭凹陷相连，西以柏各庄断裂为界与南堡凹陷相接，南以红房子断层为界与石臼坨凹陷相邻，多条断裂纵横交会分布(图 1)^[9]。马头营干热岩近几年才开始勘探研究，试验区内钻井较少，井深大多在1 100~2 400 m之间^[10-11]，主要分布在新近系馆陶组地层上。

试验区M1井位于马头营干热岩开采区西部，是由河北省煤田地质局组织钻探的一口干热岩科学探测井，钻井深度4 502.11 m。为了方便后期压裂，钻井采用上部实管、底部滤水管，射孔完井。据钻孔实测资料，M1井上部地层为第四系(Q)，地层厚度270 m，地层岩性主要为粘土、底砾岩；向下地层为新近系明化镇组(N₂m)，地层厚度935 m，地层岩性主要为泥岩、粉砂岩；再向下地层为新近系馆陶组(N₂g)，地层厚度171 m，地层岩性主要为砂岩、泥岩、砂砾岩；最下面地层为太古界白庙组(Arb)，地层厚度3 126 m，地层岩性主要为变质花岗岩类或变质岩系，该区所形成的干热岩矿藏属沉积盆地并叠加了高温花岗岩体成因类型^[12-13]。本次试验注压位置深度为4 260~4 490 m，注压岩层为太古界地层岩系。

2 地震活动特征

2022-06~09矿区M1干热岩井开始高压注采循环工作，通过临时台站监测，共发现213次小微震，生成地震编目目录，并建立数据库进行存储。查阅同时段台网中心统一编目目录，并进一步识别波形震相特征，结合区内历史地震波形进行对比分析，初步判定其中201个地震为诱发地震，最大震级为M_L1.9。

小微震在马头营凸起呈长轴状NNE向展布，主要分布在柏各庄断裂和红房子断层交会部位，部分地震分布在柏各庄断裂、马北断层两侧(图 2)，可见研究区的3条断层对诱发地震的发生都有控制作用。

诱发地震目录中，震源深度随注水时间变化不大，小微震震源深度在0~6 km均有分布(图 3)，0~4 km的地震占地震总数的86.6%(唐山地区天然地震深度为10~15 km^[9])，与本次研究高压注采循环工作中干热岩开采深度基本吻合。震源深度可以作为判断地震是否由干热岩开采诱发的依据之一。

3 注水与地震活动的关系 3.1 注水流量与诱发地震的关系

M1井在整个注水期间注水量从开始的短暂波动到之后呈阶梯状上升(图 4)。M1井在06-27开泵注水，到09-26注水结束，3个月总注水量达到87 197 m³。注水量变化分为3个阶段，第1阶段是注水初始波动期，从06-27开泵注水到07-07，初始注水量为51 m³/h，期间水泵多次故障，基本每天都经历开泵、停泵，注水量每次也都有小范围变化，在07-03达到一个小峰值63.1 m³/h，此阶段没有诱发地震发生。第2阶段为增加流量后的第1个稳定期，07-08~08-06注水量基本稳定在50.7 m³/h。在这个阶段开始监测到小微震，第1个小微震发生时间为07-16，此时注水量累积达11 821 m³。此阶段地震频次较少，震级也较小，最大震级为M_L0.9。第3阶段为再次增加流量后第2个稳定期，从08-07开泵注水至09-24注水结束，注水量基本稳定在70 m³/h左右，期间09-09~15因水泵故障暂停注水，再次开泵后直接增加注水量到70.8 m³/h。日注水量和累积注水量的增加对试验区内地层压力逐步变大，断层失稳滑动，诱发地震也开始增多，此阶段的地震频次占总数的90%。最大地震发生在注水试验结束当天(09-26)，震级为M_L1.9。试验结束后诱发地震没有立即结束，而是在地层惯性围压影响下1个月后才逐渐停止。整体而言，注水量少，诱发地震少；注水量多，诱发地震增多；停止注水之后，诱发地震持续一段时间才停止，注水量和诱发地震震级相关性并不明显。

3.2 注水压力与诱发地震的关系

M1井在06-27开泵注水时初始压力为6 MPa，到07-16逐步增压至23.4 MPa，直至注水作业结束，压力一直维持在18~27 MPa(图 5)。加压初期没有地震发生，说明开始加压对周边地质构造影响较小。诱发地震在07-16持续加压的第1个峰值23.4 MPa时出现，这个数值可能是试验区在现今应力场下断层失稳的一个临界值，略小于上官栓通等^[14]28 MPa的结论。断层失稳后，注水压力略有下降，07-16~08-06之间压力均值为21.3 MPa，此阶段诱发地震频次较少，推测是地层压力在断层失稳初期较小。08-07~09-26压力均值为24.63 MPa，试验持续加压，对周边地质构造压力影响进一步增大，地震频次增加，诱发地震大量发生，震级变化范围并不大。09-09水泵故障压力下降，09-16恢复后再次加压到20.7 MPa。直到试验结束，压力持续增长到27 MPa，此阶段地震频次再次增多，加压到峰值时发生此次试验的最大地震。值得注意的是，在09-09故障时间段内，只有加压没有注水，地震震级和频次有减少的趋势，再次说明地震活动对于注水引起的流体压力变化异常敏感。整体而言，持续加压诱发地震，加压多震，减压则少震，压力与震级之间呈现线性相关关系(图 6)。

结合历史地震发现，近10 a内干热岩注水试验区内并无中强震发生，最大地震仅M_L1.9，推测试验区内并无深大断裂，大部分断层分布支离破碎，整体强度较小。加压注水导致原有地质构造应力发生变化，原有地层被挤压变形，或者产生新的地层缝隙，进而诱发地震发生，但地震震源深度较浅，强度较小，仅在注水井附近诱发小面积地震。

4 震源机制和应力场特征

本次注水试验完成后，河北测震台网建立了诱发地震数据库，定位后发现，试验期间的小微震呈现北东向展布。用数字地震学方法——初动法计算09-26 18:01:27乐亭M_L1.9最大微震的震源机制解(表 1)，结果表明，地震为走滑型，节面Ⅰ走向为111°(与北西向柏各庄断裂走向较为一致)，滑动角为171°，应力以水平方向为主。节面Ⅱ走向为20°(与区域内北东向马北断层、红房子断层较为一致)，滑动角为4°，说明区域应力也是水平方向为主，这与研究区前人研究成果一致^[15]。节面Ⅰ、Ⅱ的倾角都近90°，可见研究区内破裂面都较陡，震中位置在柏各庄断裂与红房子断层交会处附近，初步推测节面Ⅱ为真实发震面，红房子断层是主要发震断层。主压应力轴为NNW向，张应力轴方向为NEE向，与华北区域主压应力方向NEE^[14]存在一定偏差，反映了诱发地震不仅受区域应力场影响，还受注水井周边构造影响，注水井加压注水对局部应力场产生了扰动。

由于地震多发生在构造断裂带周围，结合诱发地震有向北东向迁移的趋势(图 7)，且柏各庄断裂、马北断层、红房子断层中间没有断裂，推测可能由于M1井加压注水使周边产生了地裂缝(图 8)，展布方向为NNE向，诱发地震可能从红房子断层与柏各庄断裂沿着地裂缝逐渐转移到马北断层为主发震断层。

5 结语

分析河北台网在马头营干热岩矿区M1井周围布设的7个临时台站监测到的诱发地震情况，结合注水井的加压注水数据，基于最大地震的震源机制解，探讨干热岩开采对周边应力场的影响，得出以下结论：

1) 监测到M1井在06-27~09-24加压注水试验期间诱发地震201个(不排除有更小的地震没有监测到)，最大震级为M_L1.9，经纬度范围为39.10°~39.30°、118.60°~118.80°，均围绕7个监测站点分布。震源深度在0~6 km之间，大部分集中在0~4 km，与目前的国内注水诱发地震相比，这一深度的地层围压并不大，断层面上的正应力较小，强度较弱，即使应力短时间积累，产生大震的可能性也较小。但应警惕诱发地震震源深度的变化，如果发现深度增大到天然地震的优势分布深度(10~15 km)，则诱发中强震的几率会大幅增加。

2) 注水井加压注水是诱发地震的根本原因，注水流量、压力和措施的改变直接影响诱发地震的时空分布特征。注水流量、压力产生的能量累积到一定水平时才开始诱发小微震发生。加压、多注水，地震频次多；减压、少注水，地震频次少；停止注水，地震逐渐停止，地震活动对于注水引起的流体压力变化敏感。注水量和诱发地震震级之间关系不明显，注水压力和震级呈现线性相关。

3) 本次干热岩注水试验过程中，当地面持续注入压力超过23.46 MPa、注水量累积达到11 821 m³时，可能引起场区内断层的滑动失稳，导致小微震的发生，在马头营干热岩开采中需多加注意。

4) 用初动方法计算最大微震的震源机制解，初步判断其发震机理为走滑型，红房子断层是主要发震断层，地震应力以剪切拉张为主，并且加压注水对区域应力场产生一定的影响，可能产生新的地裂缝，地裂缝随着加压注水可能变深、变大，后期监测应注意。