随着油气工业的迅猛发展,国内外出现了多起因油气田开采及高压注水诱发地震活动的例子.20世纪20 年代以来,美国德克萨斯州南部的鹅溪(GooseCreek)油田^[1]、加利福尼亚州的威尔明顿(Wilmington)油田^[2]、科罗拉多州丹佛东北地区的洛基山深井注入化学废液^[3]、中亚地区的乌兹别克葛兹力(Gazili)气田及俄罗斯罗马希基诺(Romashkino) 油田^[4]等开采及注水都不同程度的引起了邻近地区的地表破裂和地震活动；而国内在70 年代以来,也相继观测到华北任丘油田^[5]、山东胜利油田^[6-8]、重庆荣昌地区采气注水^[9]及四川长宁盐矿井注水^[10]等工业活动诱发地震的现象.高压注水诱发地震源于孔隙压力增加致使岩石的剪切强度降低,外加水的润滑作用,从而在周围高应力的作用下引起的断层滑动^{[3, 11-12]}.

四川作为全国主要的油气田和井矿盐产区之一,存在多处采盐、采气及废水回注井.其中位于自贡市大安区牛佛镇与隆昌县黄家场镇交界的家33 井目前为天然气采空废井,为避免地面环境污染,气矿自贡作业区将其附近其他天然气生产井所产生的工业废水回注到家33井中.2009年1月上旬,该井出现容腔饱和,随后开始人为加压注水,家33 井周边地震活动也相应出现了明显增强的异常现象,并于2009年2月16日、5月22日发生M_L4.4、M_L4.2 级地震,这一现象引起了当地政府的高度重视,随后地震部门增设流动数字地震台进行监测,并开展了相应的研究工作.

以四川自贡—隆昌地区(29.0°N—29.8°N,104.4°E—105.4°E)为研究区域,本文基于2007 年1月—2010年8月自贡地方数字测震台网和流动台站记录的地震观测资料,并结合家33井加压注水数据,试图分析注水区域及邻区地震活动与家33井注水压力、注水量的相关性,以及在统一区域应力场作用下,加压注水对周边局部区域应力场的扰动影响.

自贡—隆昌地区位于四川盆地东南腹地,盆地基底为前震旦系结晶基底,一套强磁性的深变质岩、混合岩及中、基性火山杂岩建造,盖层为比较稳定的海陆相沉积建造^[13](图 1) .四川盆地的基本构造格局成型于晚三叠世,印支运动导致了松潘—甘孜海槽的闭合、龙门山构造带的推覆,以及山前前陆盆地的形成^[14-15].新生代以来,伴随着印—亚板块碰撞和青藏高原的强烈隆升,四川盆地西界的龙门山构造带主要表现为逆冲-右旋走滑运动特性,盆地的构造变形样式则受到了构造运动的叠加影响,形成盆地内断褶构造格局,产生了许多油气构造及盐拱构造. 其地表构造样式则呈一系列平缓、低陡的背斜与向斜相间排列,地表断裂较少,常与背斜构造相伴生,为断裂弯曲背斜或断层扩展背斜构造成因^[16-17],地下盖层中常存在地腹构造.图 1还标注了家33注水井及三次4级地震的位置.

图 1

Fig. 1

图 1 四川盆地及邻区地质构造简图 LRF.:龙日坝断裂；MJF.:岷江断裂；HYF.:虎牙断裂；MWF.:茂汶一汶川断裂；BYF.:北川一映秀断裂；PGF.:彭灌断裂；PXF.:蒲江一 新津断裂；LQF.:龙泉山断裂；HYSF.:华蓥山断裂.；DLF.:大凉山断裂.LRF.:Longribafault;MJF. :Mmjmngfault;HYF. :Huyafault; MWF . : Maowen-Wenchuan fault ； BYF . : Beichuan-Yingxiu fault ； PGF . :Pengguan fault ； PXF . : Pujiang-Xinjin fault ； LQF . : Longquanshan fault ； HYSF . : Huayingshan fault. ； DLF . :Daliangshan fault. Fig. 1 The sketch showing geological tectonics of Sichuan basin and adiacent area

家33井位于自贡市大安区牛佛镇与隆昌县黄家场镇交界,其所在区域的主要构造为牛佛渡—普台寺背斜(图 2) ,长约20km,轴向N80°E.从黄家场气田的二叠系下统(P1) 顶界埋深等值线图来看,盖层中褶皱构造的轴向呈NE-NEE,与地表出露的构造轴向基本一致.牛佛渡断层正好呈NW 走向展布于P1 顶界高点向低点倾斜过渡的部位,倾向NE,主要表现为挤压逆断层性质.家33井的注水深度在2500m 左右,层位为二叠系茅口组,该产气层位的断层和节理发育,利于回注废水.

图 2

Fig. 2

图 2 黄家场气田二叠系下统(P1)顶界埋深等值线图 Fig. 2 The depth contour map of the top interface of the lower Permian system in the Huangjiachang gas field

本研究使用了两个台网(图 3) 的地震观测资料.其中自贡地方数字测震台网(灰色三角)运行于1994年,由椅子湾(YZW)、石佛寺(SFS)、碾子山(NZS)、三元井(SYJ)和赵家坡(ZJP)5个子台组成.

图 3

Fig. 3

图 3 研究区域台站分布图 Fig. 3 The distribution map of stations in study area

2009年1月,该台网的东侧富顺—隆昌交界地区出现了小震活动明显增强的异常现象,随后四川省地震局在小震增强区域周围布设了5 套流动测震台(黑色三角),包括何市台(HES)、牛佛台(NIF)、王达山(WDS)、黄家镇(HUJ)和沱江台(TUJ),该流动台网于2009年7月正式开始运行.这10个子台均匀地展布于小震增强区域周围,平均台距为10km,监测能力震级下限可达M_L0.1级.

图 4 给出了自贡—隆昌地区2007 年1 月—2010年8月2706 次地震的精定位结果及家33 井的位置.地震主要集中分布在自贡(A 区)、富顺—隆昌交界(B区)及隆昌(C 区)三个丛集区域,其中A 区小震呈长轴NNE 向展布,B、C 两区小震则沿长轴NW 向展布.三次M_L4 级地震时空分布显示,2008年10 月10 日自贡M_L4.6 级地震发生在A 区,震中位于家33 井西侧约20km,该地震发生在汶川8.0级地震之后,家33井容腔饱和加压注水之前；2009年2月16日、5月22日富顺M_L4.4、M_L4.2 级地震发生在家33 井所在的B 区,且发生于家33 井容腔饱和后的加压注水时段.

图 4

Fig. 4

图 4 研究区域中小地震及注水井位置分布图 (2007-01—2010-08) Fig. 4 The distribution map of water injection well and moderate-small earthquakes from January 2007 to August 2010 in study area

为了进一步了解上述三个丛集区域地震活动与家33井注水压力的关系,本文分别给出了A、B、C 三个区域地震活动频次与家33 井加压数据的关系(图 5) .其中A 区地震活动增强时段为汶川8.0 级地震之后、家33井加压之前,加压之后地震活动频次显示正常水平(图 5a).分析认为2008年5 月12 日汶川8.0级地震的发生在一定程度上改变了四川盆地地下应力场环境,致使盆地东南缘出现地震活动增强现象.家33 井所在的B 区地震活动明显增强发生在2009 年1 月注水井加压之后(图 5b),地震活动频次与家33井注水压力有很好的相关性,可见家33井注水压力对B 区地震活动具有明显的调控作用；C 区地震活动频次在家33井加压之后也有所增强(图 5c),但因距注水井相对B 区较远,地震活动没有B区明显.

图 5

Fig. 5

图 5 各区地震频次N(柱状图)与家33井注水压力曲线(灰色曲线)图 (a)区域A;b)区域B;c)区域C. Fig. 5 The earthquake frequency of each region and the curve graph of injection pressure of Jia 33 well (a) Region A； (b) Region B； (c ) Region C.

研究发现:B、C 两区小震活动增强均为本区初次现象,而且均以微小地震为主,家33 井注水压力对这两个区域的地震活动具有不同程度的调控作用.其中B 区小震震中靠近注水井,持续加压导致地下岩层节理、裂隙扩张,外加水的润滑作用产生新的微破裂,从而使得该地区中小地震活动增强.微震活动与水流通道的关系也是比较复杂的,并非想象中的沿一个平面分布,而与注水所致裂隙有相当密切的关系^[18].鉴于C 区小震活动的时空分布特征,认为该区小震活动可能是家33井加压致使B、C 区域之间地下裂隙贯通,流体向C 区深部延伸产生微裂隙的结果.反之,也可根据地震活动深部空间分布来推断流体在地下的流向及裂隙的延伸方向.

家33井注水压力与上述三个区域地震活动的关系表明:家33 井注水压力对B 区地震活动具有明显调控作用.下面将详细讨论B 区地震活动在不同加压阶段与注水量的关系.图 6 包含了注水压力(NPa)、注水量(m3) 、M-T和N-T图.我们将其分为负压(图中1段)和加压(图中2段)两个阶段分别进行讨论.

图 6

Fig. 6

图 6 区域B地震活动与家33井加压注水的曲线图 Fig. 6 The seismicity of region B and the curve graph of injection pressure of Jia 33 well

第一阶段为负压注水阶段,即2007 年1 月—2008年12月,此阶段家33 井没有加压,但注水量不断变化,2008年3月以前,注水量一直控制在315m3 内,2008年4、5 月份注水量有所增加,最高值达到了630m3,在经历了2008年5月份短期高值后,注水量于6月份迅速下降为约200m3,持续两个月之后于8月份又急剧上升到500m3 左右,且一直持续到了年底.从B 区的震级、频次时间图来看,该时段地震活动一直处于较弱状态.显然在负压注水阶段,注水量对地震活动的影响不大.

第二阶段为加压注水阶段,2009 年1 月上旬,家33井出现容腔饱和,随后开始加压注水.容腔饱和致使家33井注水量总体呈现下降趋势,但仍然存在有起伏的波动.2009年1月13日开始加压,B 区地震活动相应出现了显著增强现象,2月10日压力迅速升高到2.7 NPa后于2 月16 日在家33 井周边发生M_L4.4 级地震,5 月上旬至中旬,压力持续为2.82～2.96 NPa,又于5月22日发生M_L4.2级地震.6月注水压力已经达到4NPa以上,小震月频度也达到了160多次.这一现象引起了地震部门的高度重视,随后与企业进行沟通,该作业井于7月份将注水量下降到了初始注水量(315 m3) 以内,随后的两个月内月频次及3 级以上地震强度均有所下降.2009年1月—2010年7 月期间,在注水压力持续升高的背景下,地震活动强度、频次与注水量呈现出较好的对应关系,即注水量下降—升高—下降与地震活动减弱—增强—减弱的显著关系.任丘油田845号井加压注水与地震活动^[19]同样呈现与本研究相似的形态.可见,加压注水阶段,地震活动与注水量呈现了较好的相关性.

基于赵珠等^[20]获得的四川东部盆地地壳上地幔平均速度模型,并结合近些年该区域的地壳速度研究结果^[21-22],最终采用表 1作为本研究的初始速度模型.

表 1(Table 1)

表 1 研究区域地壳犘波平均速度模型 Table 1 The average model of P wave velocity in study area

表 1 研究区域地壳犘波平均速度模型 Table 1 The average model of P wave velocity in study area

本文针对不同震级的地震采用不同的震源机制求取方法.对于研究区内的中等地震,采用最近十多年国际上不断发展和完善的CAP 波形反演方法^[23-28],其综合利用了近震中体波和面波信息,将宽频带数字地震波形记录分解为体波Pnl和面波两部分,计算并搜索理论地震波形与真实地震波形之间拟合误差函数最小的机制解.该方法具有计算台站数量少、反演结果对地壳速度结构模型及横向变化的依赖性相对较小等优点^[25-28],在获得震源机制解的同时还能给出最佳拟合震源深度.

对于小震震源机制解,梁尚鸿等^[29]提出了一种利用区域地震台网地震波的珚P、珚S 垂直分量振幅比资料的求解方法,以层状介质中一点源位错震源模型,采用广义透射系数的快速算法和理论地震图拟合直达波最大振幅比来求取小震震源参数.胡新亮等^[30]就该方法测定小震震源机制解的可靠性进行了分析,认为小震的发生具有很强的随机性,不便逐一进行具体分析,统计研究应该更加客观和恰当.基于上述思路,本文针对研究区获得的大量小震震源机制解,采取了统计的方法开展研究工作.

选取四川区域地震台网震中距在250km 以内台站的宽频带波形记录,采用CAP方法反演获得了自贡—隆昌地区发生的三次M_L4.0 级以上地震震源机制解,详细参数列于表 2.图 7给出了上述三次4级地震震源机制反演中的深度拟合误差分布.可见,这三次地震的震源深度分别在3、5km 和4km 处具有最小的反演误差,表明这三次地震均属浅源地震.事件b、c的震源机制比较相似,且有别于事件a,事件a的震源机制反演结果不稳定,随着不同的深度变化较大,而事件b、c则除了大于14km 的震源机制解稍有不同外,其他深度解的图案几乎一致.

表 2(Table 2)

表 2 研究区域ML4.0级以上地震的震源机制解参数 Table 2 The focal mechanism solution parameters of ML4. 0 earthquakes in study area

表 2 研究区域ML4.0级以上地震的震源机制解参数 Table 2 The focal mechanism solution parameters of ML4. 0 earthquakes in study area

图 7

Fig. 7

图 7 三次ML级以上地震震源机制解反演中的误差-深度分布图 Fig. 7 Diagram showing misfit error as function of hypocenters depth in modeling the focal mechanism solutions of three ML earthquakes

图 8给出了自贡—隆昌地区三次M_L4.0 级以上地震震源机制解分布.三次地震均表现为逆冲型错动类型,震源机制参数显示,事件a的节面1 呈NNE 走向,与震中附近的长岩断层走向一致,震源机制P轴方位为近NWW 向.事件b、c的震源机制参数比较一致,节面1 呈NW 向,与其震中附近的牛佛渡断层走向一致,震源机制P轴方位为近NEE 向.已有研究结果表明自贡—隆昌所在的川东南地区区域应力场方位为近NW 向^[31-32],距家33井西约20km的事件a震源机制P轴方位与川东南地区应力场方向接近,然而发生在家33井附近的事件b、c震源机制解P轴方位却与区域应力场存在一定的偏差.赵根模等^[19]研究发现任丘油田局部区域几次4级地震的等震线形态同样存在差异,反映了诱发地震不仅受区域应力场影响,还要受到注水井局部原生构造的影响.

图 8

Fig. 8

图 8 研究区域ML4.0级以上地震震源机制解分布 ①五通坝断裂；②长山镇断裂；③墨林场断裂；④重滩断裂；⑤黄桷坡断裂；⑥长岩断裂；⑦狮子山断裂；⑧五里坡断裂；⑨白云寺断裂；⑩黄泥垭断裂；⑪薄刀岭断裂；⑫牛佛渡断裂. Fig. 8 Map of the focal mechanism solutions of ML≥4.0 earthquakes in study area ①Wutongba fault;②Changshanzhen fault;③Molinchang fault;④Zhongtan fault;⑤Huangjuepo fault;⑥Changyan fault; ⑦Shizishan fault;⑧Wulipo fault;⑨Baiyunti fault;⑩Huangniya fault;⑪Bodaoling fault;⑫Niufodu fault.

这里需要说明的是,本文将中等地震震源机制P轴方位与已有区域应力场比较分析,旨在观测现今地震活动所呈现力学机制的一致或变化,而不认为单个或几个中等地震震源机制解的P轴就代表地块主压应力方向.Julian等^[33]认为,理想化的双力偶力系能表征均匀各向同性介质中的平面剪切断裂,但不稳定液体流,环状构造上的剪切破裂和张性断裂等过程可能产生与此机制不同的地震机制,在地热和火山环境中是特别容易出现的.本研究的局部区域存在人为造成的不稳定液体流,对相距20km的两区域中等地震震源机制P轴方向与区域应力场进行这种比较,目的在于尝试分析家33井加压注水对周边不同局部区域应力场的扰动影响.

利用2007年1月—2010年8月自贡地方数字测震台网和四川流动台站记录的地震波形资料,采用振幅比方法测定了该研究区域小震震源机制解. 其中区域A 的地震活动较弱,震级下限选为M_L1.5,区域B的地震活动较强,震级下限选为M_L2.5.最终获得了72次小震的震源机制,图 9给出了集中分布在区域A、B 的小震震源机制解及其局部应力场反演结果,在求得的震源机制解中,A 区绝大多数小震发生在2007和2008两年,而B 区小震则发生在2009年家33井容腔饱和后的加压注水阶段.

图 9

Fig. 9

图 9 区域A(a)、B(b)中小地震震源机制和应力场应力主轴的投影 Fig. 9 The projection of focal mechanism and stress axis of moderate-small earthquakes in region A (a) and region B (b)

基于大量小震震源机制解,我们按10°间隔进行统计并计算归一频数,分别给出了区域A、B 的小震震源机制解的节面和力轴参数玫瑰图(图 10) .因为小震无法区分断层面和辅助面,故在统计中同等看待,合在一起进行分析.

图 10

Fig. 10

图 10 区域A(a)、B(b)小震震源机制解的节面和力轴参数玫瑰图 Fig. 10 Rose diagrams of nodal plane and stress axis parameters of small earthquakes focal mechanism solutions in region A (a) and region B (b)

A 区参数统计结果显示(图 10a):小震节面(strike)主要集中在NW 和NEE 两个优势方向,其次为近NS走向,节面倾角(dip)近直立,主要分布在60°—90°范围内,其中80°—90°所占比例最大,根据滑动角(slip)分析震源力学作用方式,主要呈现为左旋和右旋走向滑动,其次为正倾型错动类型,逆冲型地震相对较少,但依然独立存在,震源机制解P 轴方位(paz)一致性较好,以近NWW-SEE 为优势方向,倾角(pdip)分布在0°—60°范围内,其中30°—60°所占比例较大,T轴的优势方向(taz)主要集中在NNE-SSW 向,倾角(tdip)在30°—50°范围内较多.用同样的方法统计得到B 区小震震源机制解的参数玫瑰图(见图 10b),节面走向分布比较分散,各个角度都有,小有优势的节面走向分别为NNE 和EW 向,节面倾角分布在50°—80°,主要呈现为走滑和逆冲型地震,正断型地震相对较少,小震震源机制P轴方位相对比较凌乱,但优势方位为NE 和NW 向,P轴倾角以近水平的低倾角(＜10°)占优势,T 轴优势方向为NW-SE 向,也表现出较低的倾角.从统计结果来看,B 区小震震源机制节面及P轴方位较A区结果相对比较离散,分析认为可能是由于家33井加压注水导致地下岩层节理、裂隙扩张所致.

本文采用FNSI方法^[34],基于A、B区域的小震震源机制解分别反演获得了各区应力场,结果如图 9所示,并将参数列于表 3.A 区应力场的结果显示:最大主压应力轴σ₁ 的方位为254°、倾角34°,σ₂ 的方位为157°、倾角10°,最小主压应力轴σ₃ 的方位为52°、倾角54°；然而B区应力场的最大主压应力轴σ₁ 的方位为27°、倾角55°,σ₂ 的方位为285°、倾角9°,最小主压应力轴σ₃ 的方位为189°、倾角34°.与川东南地区已有应力场研究结果^[32-33]相比,B 区应力场主压应力方位较A 区的扰动更大,表明在统一应力场的作用下,自贡—隆昌地区注水区域及邻区局部应力场的非一致性.

大区域板块或地块的应力场是基本稳定的,而且具有统一的应力场作用,但这并不排除地块内局部小区域应力场出现的扰动现象.Seeber^[35]认为地震可作为应力变化的标志,虽然小地震对总的变形贡献很小,但它们在空间、时间和运动上的分布对应力变化非常敏感.影响地壳力学状态的各种现象,包括诸如断层蠕动或岩浆注入的自然现象,水库蓄水或油田注水的大型工程活动.本研究区域介质因注水已发生了变化,震源力学机制同样也反映出了这种变化.

表 3(Table 3)

表 3 A、B区域应力场反演结果 Table 3 Inversion results of stress field of region A and B

表 3 A、B区域应力场反演结果 Table 3 Inversion results of stress field of region A and B

结合注水井的加压注水数据,分析了四川自贡—隆昌地区三个丛集区域地震活动与家33井注水压力及注水量的相关性,并且基于中小地震震源机制解,进一步探讨了加压注水对周边局部区域应力场的扰动影响.获得的主要认识如下:(1) 距家33井西侧约20km 的A 区地震活动增强主要受汶川8.0级地震的影响,与家33井加压注水无关；而家33 井注水压力却对B、C 区域的地震活动具有不同程度的调控作用,其中B 区小震震中靠近注水井,调控作用较为显著,注水井持续加压导致地下岩层节理、裂隙扩张,外加水的润滑作用,从而产生更多微破裂,致使小震增强；位于家33 井东南方向约15km 的C 区小震活动可能源于加压致使B、C 区域之间地下裂隙贯通,流体向C 区深部延伸产生微裂隙的结果.B 区地震活动在不同加压时段与注水量的关系表明:负压注水阶段,注水量对地震活动的影响不大,地震活动处于较弱状态；加压注水阶段,在压力持续升高的背景下,地震活动频次、强度与注水量呈现较好的相关性.

(2) 研究区三次4级地震震源较浅、且均为逆冲型,震源机制节面与各自震中附近断层走向一致.发生在A 区的地震事件a震源机制P轴方位与川东南地区已有应力场结果一致,而家33井所在区域的事件b、c震源机制解P轴方位却存在一定的偏差；基于大量小震震源机制解,统计获得B 区小震震源机制节面及P轴方位较A 区结果离散,可能源于家33井加压注水导致地下岩层节理、裂隙扩张所致,与川东南地区已有应力场结果相比,反演得到B 区应力场主压应力方位较A 区的扰动更大,表明在统一应力场的作用下,自贡—隆昌地区注水区域及邻区局部应力场的非一致性.

注水与地震的关系是相当复杂的,分析认为自贡—隆昌注水区小震活动增强及局部应力场扰动均与家33井的加压注水有关,加压注水是诱发地震的主要因素,同时除了受区域应力场作用以外,还与局部浅层构造、注水方式及注水量等因素有关.本文仅对自贡—隆昌地区地震活动与家33井注水压力及注水量的关系,震源机制及局部小区域应力场扰动特征做了初步探讨,在今后的研究中有必要从物理意义上开展更进一步的深入研究.

四川省地震局监测研究所、自贡市防震减灾局为本研究提供了地震观测资料；CAP 波形反演程序来源于美国圣路易斯大学的朱露培博士,振幅比方法采用河北省地震局刁桂苓研究员提供的程序；研究中还得到了四川省地震局杜方研究员、张永久副研究员等的大力支持和帮助；两位评审专家提出了非常中肯、有价值的修改意见.在此一并致谢！