沉积岩储藏系统小断层在油气田注水诱发地震中的作用——以四川盆地为例

雷兴林李霞颖李 琦马胜利付碧宏崔银祥

1）中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2）日本产业技术综合研究所，日本筑波305-8567

3）中国科学院武汉岩土力学研究所，岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071

4）中国科学院遥感与数字地球研究所，北京 100094

沉积岩储藏系统小断层在油气田注水诱发地震中的作用
——以四川盆地为例

雷兴林1，2）李霞颖3）李 琦3）马胜利1）付碧宏4）崔银祥3）

1）中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2）日本产业技术综合研究所，日本筑波305-8567

3）中国科学院武汉岩土力学研究所，岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071

4）中国科学院遥感与数字地球研究所，北京 100094

以四川盆地为例，通过分析沉积岩储藏系统中断层的发育特征和典型沉积岩断层形成前后岩石变形破坏过程的实验研究，探讨沉积岩层中小断层在油气田注水诱发地震中的作用及较大地震发生条件。首先，通过分析已有的有关四川盆地深部注水诱发地震活动情况的资料得到具有一定普遍性的认识：诱发地震的空间分布明显受已有断层或破裂的控制，有感地震尤其是可导致一定灾害的中强地震往往都是已有断层的重新活动所致。其次，结合石油地质资料及盆地边缘地区出露的一些未成熟小型断层的地质与构造特征观察分析，发现这些断层的存在具有普遍性而且是地下油气纵向运移的主要通道。进而，在实验室条件下对四川盆地几个典型沉积岩样本进行了三轴压缩破坏实验。采用多通道宽动态高速声发射观测技术与三维X射线CT成像技术分析断层形成过程及形成后的几何特征和摩擦系数的变化。最后，通过融合各方面研究结果分析注水诱发地震的发生机制和模型，探讨了较大地震发生条件，为提升注水诱发地震评估能力和建立安全注水操作管理指南提供理论基础。

该结果有助于理解为何四川盆地油气田注水诱发地震活动如此剧烈。主要的前三叠系沉积岩（包括白云岩、页岩及白云质灰岩）均具有较高的破坏强度和脆性变形破坏特征，使四川盆地油气储藏系统有条件保持较高的应力水平和在一定条件下导致地震性断层破坏。一般，一条尺度达到几km的断层便足以产生M 5级别的中强地震。这些条件使得该区具有发生破坏性注水诱发地震的可能。有必要在对注水孔周围的破裂及断层构造的空间分布、尺度大小及力学性质特征有基本了解的条件下，通过注水数值模拟和监测注水诱发地震的时空演化，建立适当的统计模型实现诱发地震的统计评估和预测，指导注水操作而达到减少灾害性地震发生的风险。

注水诱发地震 断层重新活动 油气田 四川盆地 岩石破坏实验 声发射

0 引言

在驱油驱气、废水回注、二氧化碳地质封存、酸气回注、地热资源及页岩气开发等与地下流体注入有关的产业领域，注水诱发地震往往是难以避免的问题（Li et al．，2006；Comm ittee on Induced Seism icity Potential in Energy Technologies，et al．，2012）。一方面，注水诱发的微震活动可以用来检测地下流体运移及破裂发育情况而在注水效果评估及管理上具有重要的应用价值。另一方面，注水诱发的有感地震的发生会引起很大的社会反响，尤其当灾害性地震发生时，所造成的损失往往比地震活动地区同样大小的地震更大，不仅会造成严重的经济损失，还可能导致事业的终止（Deichmann et al.，2009）。因此如何准确地评估可能发生的诱发地震的规模并尽可能地避免灾害性地震的发生就尤其重要。为了实现这一目标，必须从科学上探明灾害性诱发地震的发生条件和规律。四川盆地作为中国最重要的油气盆地之一，天然气年产量已超过120亿m3，伴随天然气生产而产出的污水／酸气也在逐年增加（刘学浩等，2012）。污水／酸气经过一定的处理后回注到枯竭油气田在目前而言是最经济安全的手段之一。四川盆地整体上，尤其是蜀南地区，由废水回注而诱发的地震活动十分强烈，已有几十年的历史，近年有明显的增强趋势，且已发生了数次5级以上的中强地震（Lei et al．，2013b；Lei et al．，2008；张致伟等，2012；张伯崇等，1993）并造成严重的经济损失（何玉林等，2010）。因此，有必要开展有关研究并尽快建立完善有效的监管体制。

研究发现，较大的诱发地震一般为已有断层的重新活动所致（Lei et al．，2013b；Lei et al．，2008），因此，系统地研究分析沉积岩储层断层的发育特征及其力学性质是探讨油气田注水诱发地震活动规律及较大地震发生条件的主要内容。本文以四川盆地为例，通过分析沉积岩储层小断层的发育特征以及典型沉积岩断层形成前后变形过程的实验研究，探讨沉积岩层小断层在油气田注水诱发地震中的作用及灾害性地震发生条件。

1 四川盆地油气田注水诱发地震特征

四川盆地尤其蜀南地区与天然气田废水回注及井盐注水开采有关的注水诱发地震活动已有相当长的历史，具有在时空上与注水活动对应良好、活动频度高、震级大的特点。到目前为止，4级以上的注水诱发地震就至少有50次。仅隆昌-荣昌天然气田（图1中A）自20世纪80年代末期开始，在螺4、螺2等深井注水以来，便已经观测到4级以上地震近20次（其中5级以上3次），作为蜀南地区典型诱发地震范例得到相对详细的研究（Lei et al．，2008；王小龙等，2012）。另外含4级以上地震的诱发地震序列还有1996年宜宾北MS5.4地震序列①杜方等，1996年2月28日四川省宜宾5.4级地震，www.csi.ac.cn。（图1中G）、2008年10月自贡自流井ML4.6地震序列（图1中C）、2009—2010自贡家33井ML4.4地震序列（图1中B），等等。其中家33井ML4.4地震序列发生在自贡小台网监测范围内，并因为适时架设了6台临时地震台而得到详细的研究（Lei et al．，2013b；何玉林等，2010；张致伟等，2012）。图2为自贡黄家场气田简易地质剖面和注水诱发地震的空间分布。

通过综合分析迄今为止对蜀南地区典型诱发地震序列的研究成果（张伯崇等，1993；Lei et al．，2008；王小龙等，2012；张致伟等，2012；Lei et al．，2013b），可以得到以下一些认识：

图1 四川盆地及其周边地形、活动断层、油气田、不同期间地震震中及油气田注水诱发地震群分布（活动断层分布据邓起东等，2007；地震数据源于地震数据共享中心）Fig.1 Geomorphic feature，active faults，gas／oil fields，earthquake epicenters occurring in different periods，and injection-induced earthquake swarms in the Sichuan Basin and surrounding region（Active fault data are from DENG Qi-dong et al．，2007；and seism ic data are from China Earthquake Data Center）.

图2 自贡黄家场气田简易地质剖面和注水诱发地震分布（改自Lei et al．，2013b）Fig.2 Hypocenter depth distribution superimposed on the simplified geological cross sections and stratigraphy of the Huangjiachang gas reservoir，Zigong（modified from Lei et al．，2013b）.

（1）一般重力自流时没有明显地震活动，加压注水时开始出现地震活动，当井口压力达到近1MPa以上时活动加剧。

（2）在一个序列中最大地震出现的时间具有多样性，但在加压注水初期一般都有一个或长或短的加速发展期，震级越来越大，频度越来越高，地震分布范围越来越广。

（3）统计分析表明，在一个注水诱发地震序列中外部因素（主要指注水引起的孔隙压增加和扩散）占支配作用，而地震自身触发的余震性活动总体只占20%～30%。反映在地震活动的传染模型（ETAS）上，表现为相对较高的随机成分和较低的a值（代表余震产生能力），多数情况下a＜1.5。而通常的构造地震（除了深部流体触发并驱动的震群性活动外）的一般a＞2，地震自身触发的余震占主要成分。正因如此，在多数情况下，停止注水后地震活动很快减弱并逐渐停止。

（4）诱发地震的空间分布明显受已有断层的控制。较大地震尤其是中强地震往往都是已有断层的重新活动所致。这些断层多数都是隐伏断层，有的通过物探及钻孔资料已知，有的是未知的。

（5）震源机制解比较散乱，一方面说明局部应力场的非均匀性，一方面说明孔隙压的重要性。

以上认识表明，灾害性诱发地震往往由已有断层的重新活动所致。这些断层（包括节理或层面）在现今区域应力场下并非都具有最易滑动的走向和倾角，其构造应力多为亚临界状态（背景地震活动很低），数百kPa以上的流体压力增加便可使其活动而产生地震，但注水停止后随着流体压力的降低地震活动很快结束。因此分析研究油气储层及其周围的断层构造的空间分布、尺度大小及力学性质特征便是研究灾害性诱发地震发生条件的关键。

2 沉积岩层小断层的特征

在四川盆地，发生过明显的注水诱发地震活动的气田主要都是构造性气藏，大多与沉积盖层中的背斜构造、裂隙及古岩溶有关。具有开采价值的规模气藏大多对应背斜核部的砂岩、灰岩、白云质灰岩等地层。气藏上部发育的页岩、泥岩及盐岩等蒸发岩层起到了良好的封闭作用。因为背斜核部及其两翼变形大，相对脆性的岩层（如砂岩、灰岩、白云质灰岩）容易形成各种规模的层内破裂（包括节理、层间滑脱及断层等）。脆性岩层中破裂往往在其上下相对塑性的地层中过渡为塑性变形而终止，这样的破裂容易成为良好气藏。当变形进一步加大时，位于翼部的破裂便发展成为剪切断层。当剪切断层的位移量达到一定程度后便可能切断其上下的塑性层而形成较大的跨层断层，这样的跨层断层往往成为流体纵向运移通道。如位于川中台拱的磨溪气田，物探、钻探及同位素等数据显示气田的气水边界多受规模不大的隐伏断层控制，隐伏断层是深源油气向上运移在储气层汇集或向地表泄漏的主要通道（贾国相等，2005）。

对于地下的隐伏断层只能从物探剖面及钻井岩心加以甄别。盆地中可以看到一些发育在较新地层的类似断层露头。图3为一发育在侏罗系遂宁组红色砂岩、粉砂岩地层的逆断层露头。断层上盘广泛分布氧化-还原带，系深部还原性流体沿断层向上运移并在上盘的砂质地层中横向运移使Fe3+还原为Fe2+所留下的痕迹。该断层位移量不大，没有新活动痕迹，与诸多发育在深部的隐伏断层具有一定程度的相似性。该露头还揭示，对于流体而言，此类断层在顺断层方向是运移通道，但在横向上可以成为运移障碍。与图2注水诱发地震空间分布所揭示的隐伏断层特征一致。

图3 发育在上侏罗统遂宁组红色砂岩、粉砂岩地层的逆断层露头Fig.3 A reverse fault developed in the fine-grained sandstone layers of the Upper Jurassic Suining Fm.（J3s）showing as reduction spots in the hanging wall.（Fault：S／38°，GPS：31°23′30.01″N，107°42′25.39″E）.断层上盘广泛发育红绿相间的氧化-还原带

蜀南地区几个典型的注水诱发地震序列都因为向二叠系茅口组灰岩储藏注水时发生，地震震源集中在三叠系以下的沉积岩地层中。早期关于结晶基底断层活动的认识（丁仁杰等，2004），可能是因为地震震源深度不准确（定得过大）所致而值得商榷。近期发生在自贡、荣昌等气田的诱发地震，包括几次4级以上的地震，由精确定位方法得到的震源深度都远未达到结晶基底深度。如果仅用区域台网数据进行常规定位的话，有不少地震被定到结晶基底深度。因此认为现有的数据尚不能证明基底断层因注水而活化。在盆地东部褶皱带广泛出露三叠系及二叠系地层并可观测到不同规模断层露头。图4为发育在早三叠纪白云质灰岩地层中的逆断层露头。断层位错约50cm，在其上覆的薄层碳质页岩层转化为顺层滑动而消失。沿断层发育方解石脉，厚度达10cm，证实该断层在地质历史上曾是热液流体的通道。图5为百里峡发育在早三叠纪白云质灰岩地层中的顺层逆断层露头。断层破碎带显示明显的剪切变形结构，有少量断层泥（含黏土矿物伊利石），揭示在背斜翼部发生过顺层滑动。

结合石油地质资料及野外地质考察结果，不难发现沉积岩储层断层多为尺度在几km量级以下的小型断层，具有总体剪切位移小的特征，既是储油气构造又是油气运移的主要通道。本文把这类总体剪切位移小、断层泥不发育的断层归为未成熟断层。与发育成熟的剪切断层相比，未成熟断层具有较复杂的几何形态和粗糙度。因此可能具有较大的剪切强度和摩擦系数，下节从室内实验对此加以论证。

3 典型沉积岩断层形成前后的声发射实验研究

上节的综述表明，注水诱发地震活动受已有断层控制。这些断层，具有相对位移量小，成熟度低，处于亚临界应力状态等特点。与地壳中成熟的地震断层具有明显不同的力学性质。为了揭示典型岩性中未成熟断层的力学特征，有必要针对性地开展系统的实验研究。从现场采集代表性的岩石标本，在三轴压缩变形及注水条件下，通过探测标本的波速及渗透率等物性和检测声发射活动，探讨断层形成过程及形成后力学特征。本节介绍初步实验结果及其在注水诱发地震研究中的意义。

图4 发育于下三叠统白云质灰岩中的逆断层露头。断层位错约50cm，在其上覆的薄层碳质页岩层转化为顺层滑动而消失Fig.4 A reverse fault developed in the Lower Triassic（T1）dolomitic limestone with a total displacement of 50cm. The fault ends at the upper shale layer（Occurrence：N45°W／27°，GPS：29°25′2.02″N，105°34′27.13″E）.

图5 发育在下三叠统白云质灰岩地层中的顺层逆断层露头，断层破碎带显示明显的剪切变形特征Fig.5 A reverse fault along the bedding plane of the dolomitic limestone of T1 showing as a fracture zone with shear deformation（Occurrence：N35°E／68°，GPS：31°46′29.4″N，108°29′4.1″E）.

3.1 实验标本及实验方法

实验用岩石标本从不同地方的采石场采集（图1s#）。本文用到的标本有震旦系的白云质灰岩和页岩（图1s1）、飞仙观组（T3f）的灰岩（图1 s5）、下沙溪庙组（J2s1）的细粒长石石英砂岩（图1 s2，s4）和蓬莱镇组（J3p）的中粒长石石英砂岩（图1 s3）。岩石标本按岩石力学实验标准加工为直径50mm、长度125mm的圆柱体，在其表面贴上6对十字形应变片和24个直径5mm、共振频率2MHz的压电陶瓷探头（PZT），在两端放上垫块（注水用或不注水用）然后涂上一层至少5mm厚的硅橡胶。表1为主要实验标本的基本信息及实验结果主要参数。

实验在围压容器内进行，围压介质为航空油，应变片的4芯信号线和声发射探头的高频同轴信号线通过特殊接口引出与应变仪及高频信号放大器相接。本研究采用固定应力速率（约2.5MPa／m）的加载条件进行三轴压缩实验。实验过程中围压保持为22.5或10MPa，最大孔隙压或注水压为11.5MPa。

在实验中采用了两台12通道16位模数转换器所组成的声发射波形数据采集系统和由本文作者开发的波形处理软件TSpro（http：∥staff.aist.go.jp／xinglin-lei／）记录处理声发射波形数据。该系统有单事件／多事件／连续记录3种模式，可通过软件实施瞬时切换。单事件模式在通常采样条件下（采样频率：25MHz，样长：4 096），每秒最多可采集大约10个声发射事件的波形数据，总数只受计算机硬盘可使用容量限制。多事件模式在相同采样条件下，每秒最多可采集大约5 000个声发射的波形数据，总数受A／D板内置内存容量（每个A／D板有4个模拟输入通道共1G字（Word））限制为65,000个。连续记录模式在相同采样条件下，能连续记录约10s。单事件模式时可以适时显示每个事件的波形和粗定位结果。在实验过程中，一般先采用单事件模式，当声发射活动开始频繁时切换到多事件模式，在必要时切换为连续记录模式。该系统比以前的高速32通道声发射波形数据采集与震源监视系统（Lei et al．，2000a）能记录更多的声发射波形数据，可以在各种加载条件下通过分析微破裂活动时空分布数据研究岩石内断层形成前后的详细过程。除波形记录外，还有2个通道的峰值振幅探测器（Peak detector），具有55dB的有效动态范围（相当于2.75级）。24个PZT的电压信号经40dB放大后接到波形采集系统，其中2个位于标本中部的PZT信号再经20dB放大后接到峰值振幅探测器。事件模式（单事件或多事件）波形记录的触发门槛设为100mV（合放大前1mV），峰值振幅探测器的下限（略高噪音水平）为45dB（合放大前0.45mV）。因此，峰值振幅探测器探测到的声发射事件数一般要远大于（10倍左右）从波形记录的事件数。有波形记录的事件大部分能够精确定位。但在发生频度超过每秒几千次时，大量声发射的P波初动被前面事件的尾波干扰而不能准确识别，许多事件不能定位。另外，当实验标本为孔隙度较大的砂岩时，由于衰减大，多数相对较小事件的P波初动不清晰，能够定位事件数目也会大大下降。

实验结束后，对所有岩石标本进行X射线3维CT扫描以准确再现标本的非均匀结构和破裂面的几何形态。

本文将重点阐述岩石破坏的宏观特征，断层形成前后的声发射活动特征及部分标本新生断层的摩擦滑动行为特征，其他详细结果拟在有关文章发表。

表1 主要实验标本的基本信息及实验结果基本参数Table 1 Basic information of specimens and parameters of experimental results

3.2 实验结果

3.2.1 长石石英砂岩

图6 砂岩（J2s1）标本断层形成及滑动过程阶段的声发射空间分布（a，b）；声发射累计数（2个探头的峰值检测数和波形记录数），作用在最终破裂面上的剪应力及断层摩擦系数μ随时间的变化；新生断层的初始摩擦系数约为1.0，其后随位移的增加而减小，实验结束时（位移量约3mm）降到0.7，但下降趋势仍未结束（c）Fig.6 AE hypocenter distribution（a，b），AE number（counted by two peak detectors and waveform recording），shear stress，and frictional coefficient acted on the final fracture plane during the periods of fault formation and post rupture in sandstone（J2s1）.The newly created shear fault shows a frictional coefficient decreased from 1.0 to 0.7 after a post slip of 3mm（c）.

下沙溪庙组（J2s1）的长石石英砂岩具有较小的孔隙率（6%）和渗透系数（渗透率＜0.1mD），被划为致密低渗储层（叶素娟等，2010）。图6为动态破坏前后断层形成及滑动过程的声发射空间分布、声发射累计数和作用在最终破裂面上的剪应力及断层摩擦系数随时间的变化。由此可见，动态破坏前后AE活动强烈，主要集中在样本中下部。实验过程中，蒸馏水从标本下端注入，伴随水的向上运移观测到声发射活动的向上迁移现象（详细将在后续论文发表）。当高压流体到达标本中部时，发生动态破坏形成断层，为快速应力降事件，应力降幅度为80MPa（轴向应力）。新生断层的摩擦系数1.0，其后随位移的增加而减小，实验结束时（位移量约3mm）降到0.7（但下降趋势仍未结束），与地壳中成熟断层的典型范围0.6～0.8（Byerlee，1978）一致。图7为岩石破坏后的三维X射线CT扫描的中心正交切片图像，图中CT值大小反映X射线的衰减大小，元素的原子序数越大，X射线的衰减越大，对应的CT值也就越大。岩石内部的不均匀结构及断层面几何形态得到精细再现。CT图像还显示剪断面纵向有轻微拐折，横向有较大起伏。

图7 砂岩（J2s1）岩石破坏实验后岩石样品三维X射线CT扫描中心正交切片图像；CT值大小反映X射线衰减系数。断层面几何形态被精细再现Fig.7 Images of X-ray CT scan of the fractured sandstone sample（J2s1）.The CT value reflects the attenuation coefficient of the X-ray.The 3D geometry of the fracture plane is precisely fingered out.

与下沙溪庙组长石石英砂岩形成鲜明对比，蓬莱镇组砂岩（J3p）具有较大的孔隙率（23%）和渗透系数（有效围压11MPa时的实测值为10mD）。相同实验条件下，下沙溪庙组的致密砂岩的破坏强度高达190MPa，而蓬莱镇组砂岩只有80MPa。对于蓬莱镇组砂岩，峰值检测器记录到的声发射数是波形记录系统记录的20倍，表示声发射活动频度本身不低但信号微弱。定位显示声发射呈水平带状展布（图8c），具压实带（Compaction Band）特征（Lei et al．，2011）。作用在最终破裂面上的剪应力及断层摩擦系数随时间的变化显示断层的摩擦系数维持在0.85左右（图8a），稍大于上述致密沙溪庙组砂岩的结果及地壳中成熟断层的典型范围。岩石破坏后的三维X射线CT扫描图像显示，形成的断层比较平直（图8b）。最终破裂本身为快速应力降事件，应力降幅度为25MPa。

图8 砂岩（J3p）变形破坏过程中平均轴向应变（εa），周向应变（εc）及体积应变（εv），轴向应变（Sa），作用在最终破裂面上的正应力和剪应力之比（σ／τ）及断层摩擦系数（μ），声发射累计数随时间的变化（a）；断层形成后的摩擦系数维持在0.85左右；岩石破坏实验后岩石样品三维X射线CT扫描中心垂直切片图像（b）与声发射震源分布（c）的对比Fig.8 Mean axial strain（εa），circum ferential strain（εc），and volumetric strain（εv），axial stress（Sa），ratio of normal stress to shear stress（σ／τ），and frictional coefficient acted on the final fracture plane，AE number during the periods of fault formation and post rupture of sand stone samp le（J3p）（a）.The newly created shear fault shows a frictional coefficient of 0.85，which is stable with increasing displacement.A comparison between the vertical section of X-ray CT scan image of the fractured sample（b）and AE hypocenters（c）.

3.2.2 震旦纪页岩

震旦纪页岩在干燥条件下动态破坏前后断层形成及滑动过程的声发射空间分布、声发射计数和作用在最终破裂面上的剪应力及断层摩擦系数随时间的变化示于图9。动态破坏前没有观测到明显的AE活动，AE主要发生在动态破坏瞬间及其后的断层初期滑动阶段，沿断层呈面状分布（图9a）。动态破坏表现为快速应力降事件，应力降幅度为140MPa。由于断层在上端部与垫块相遇，端部附近断层下盘继续受到压缩而碎裂，并伴生大量声发射（图9c）。随后观测到稳定的断层滑动，声发射活动逐渐减弱。由于断层面与端部垫块冲突，断层形成后轴向应力不完全由断层面承担，因此无法准确确定断层摩擦系数。岩石破坏后的三维X射线CT扫描结果显示岩石的层理面与最大主应力轴呈约15°，接近最大剪应力面方向，为较易滑动方向（Lei et al．，2013a）。产生剪断面沿页岩的层理面形成，断层面虽然整体上比较平直，但存在局部起伏。结合以往结果（Lei et al．，2013a）可以预见，当页岩的层理面呈更大或更小的角度时，将会观测到更多的破坏前的AE活动和更加复杂的断层面几何形状。

3.2.3 白云岩与灰岩

图9 页岩（Zd）标本破坏实验后岩石样品三维X射线CT扫描中心垂直切片图像（a）与不同阶段声发射震源分布的对比（b，c），轴向应力及声发射累计数随时间的变化（d）Fig.9 a-c）A comparison between the vertical section of X-ray CT scan image of the fractured shale sample（Zd）and AE hypocenters occurring in different periods.d）Axial stress and AE number against time.

震旦系白云岩在自然干燥条件下的变形破坏实验结果（图10）表明，在峰值应力前几乎没有明显的声发射活动，但在动态破坏前后AE活动剧烈，应力降过程开始相对比较缓慢后来越来越快，共持续了不到2s。主要受潜在非均匀构造影响，形成多个破裂且破裂面复杂。而三叠系飞仙关灰岩的动态破坏过程十分缓慢（图11），从峰值应力到完全破坏共持续了60s以上。在此过程中也观测到一些快速应力降事件且伴随一定的声发射活动。标本内存在一条总体水平展布的缝合线构造（碳酸盐岩储层普遍发育），为该标本的一级软弱构造。显然沿缝合线构造发生了初期破坏，最终破坏受其控制而形成了多条形状复杂的破裂。

上述实验结果可归纳如下：1）所有岩石在低应力阶段的声发射活动水平都很低，明显的声发射活动的起始应力接近峰值应力，这一点与典型结晶岩（Lei，2006）形成鲜明对比；2）低孔隙率低渗透率的侏罗系砂岩、震旦系的白云岩及页岩均具有脆性破坏特征，断层形成后，在其滑动过程中产生大量声发射事件；3）高孔隙率高渗透率的侏罗系砂岩和三叠系灰岩的声发射活动低且弱，总体表现为延性破坏，但在其破坏过程中仍然伴随一些快速应力降（地震性）事件；4）白云岩的白云化程度的差异、灰岩的缝合线构造、砂岩及页岩的层理为一级非均匀构造，对断层的位置及几何形态具有控制作用。这些构造的存在都具有使断层面变得复杂的机制；5）刚形成的断层面具有较高的摩擦系数，随滑动位移的增加而逐渐减小到0.6～0.8这一典型范围；6）致密砂岩的水压致裂实验表明，声发射的时空分布能很好地再现流体运移，断层形成前，流体运移受层理控制，断层形成后，受断层控制。

图10 白云岩（Zd）破坏阶段声发射震源分布（b，c）与实验后岩石样品三维X射线CT扫描中心垂直切片图像（b）；轴向应力及声发射累计数随时间的变化（d）Fig.10 A comparison between AE hypocenters（a，b）and a vertical section of X-ray CT scan image（c）of the fractured dolomite sample（Zd）.Axial stress and AE numbers against time（d）.

实验结果表明，四川盆地主要沉积岩储藏系统地层岩石具有不同程度的脆性破坏特征。成熟度很低的小断层具有较复杂的断层几何性质及粗糙度，这样的断层在进一步滑动时会产生动态破坏。这是该地区容易发生注水诱发地震的原因。下节从摩尔-库仑破坏准则出发，分析流体压力在断层活化中的作用。

4 断层活化分析

断层的应力通过区域构造运动而逐渐积累，其积累速度与断层所在地壳块体的相对运动速率成比例。与此同时，断层的强度也不是固定不变的，地下流体压力的增加可以使断层显著弱化。根据摩尔-库仑破坏准则，断层失稳的必要条件是作用于断层面上的库仑破坏应力（简称库仑应力，CFS）达到或超过其破坏强度（S）：

图11 灰岩（T2f）破坏阶段声发射震源分布与实验后岩石样品三维X射线CT扫描中心垂直切片图像，破裂面及缝合线构造清晰可见；轴向应力及声发射累计数随时间的变化Fig.11 Axial stress and AE numbers against time.The inner p lot shows a comparison between AE hypocenters and X-ray CT scan image of the fractured dolomite sample（T2f）where fractures and stylolite structures are visible.

式中，τ，σ，μ，Pf分别为剪应力、正应力（拉张为正）、摩擦系数、孔隙压。τ和σ是主应力大小和断层与最大主应力方向之间的角度（δ）的函数。四川盆地区域应力场的最大主应力（σ1）近似水平，最小主应力（σ3）近似垂直，为逆断层应力场。在这样的应力场条件下，垂直方向的主应力可用上覆地层的静岩压力近似，任意断层的剪切破坏强度成为深度或σ3、孔隙压Pf及δ（这里等同于倾角）的函数。为方便起见，用差应力（σ1-σ3）代替剪切破坏强度。

图12直观地显示在地下3km附近，不同倾角的断层的破坏强度，每条曲线的极小值对应最易活动断层的倾角（主要与摩擦系数有关）。四川盆地内部的天然地震活动很低，但如第一节所述，较小的流体压力增加便可触发明显的地震活动。因此可进一步假设作用在那些最易活动断层上的应力应该为亚临界状态或接近临界状态。在上述条件下，图12a表示在同一深度，初始孔隙压越高，相同的注水压力可能引起活化的断层的倾角范围就越大。图12b则表示在初始孔隙压为覆盖压的0.5倍（略高于静水压）时，深度越浅，相同的注水压力可能引起活化的断层的角度范围就越大。另外根据不同摩擦系数下断层强度与断层角度的关系（图13），不难发现在相同深度条件下，断层摩擦系数越小，相同的注水压力可能引起活化的断层的角度范围就越大。与此同时，摩擦系数越大，相同的注水压力对断层强度的弱化程度越明显。诱发地震的震源机制分析表明发震断层方向、倾角及滑动角散布在较大范围内（张致伟等，2012），与上述理论分析及假设吻合。

5 讨论与结论

本研究通过综合分析蜀南地区典型诱发地震序列的研究成果认识到，较大注水诱发地震基本点都是已存断层的活化所致。野外考察及石油地质资料揭示这些断层具有相对位移量小、成熟度低、处于亚临界应力状态等特点。尺度较小的断层往往多发育在相对脆性的白云岩、白

图12 断层重新活动条件图显示断层强度与断层角度（及断层面与最大主应力轴之间的角度，在逆断层应力条件下即断层倾角）的关系；表示在同一深度初始孔隙压越高，相同的注水压力可能引起活化的断层的角度范围就越大（a）；表示在初始孔隙压为覆盖压的0.5倍（略高于静水压）时，深度越浅，相同的注水压力可能引起活化的断层的角度范围就越大（b）Fig.12 Fault reactivation plots showing fault strengths against the angle between directions of maximum principal stress and fault plane，which are the dip angle in reverse fault stress regime.In conditions of shallower depth and higher pore pressure，injection pressure may reactivate faults of wider range of orientation.

云质灰岩及砂岩岩层，而在相对塑性的泥岩、页岩及膏岩地层较少。对现场采集的典型岩石标本进行了三轴压缩破坏实验，通过轴压连续加载或水压致裂到岩石破坏。对个别标本，在断层形成后，还持续了一定时间以观测断层滑动特征。四川盆地主要沉积岩储藏系统地层岩石具有不同程度的脆性破坏特征，尤其是白云岩、震旦系页岩、致密砂岩在破坏过程中产生大量声发射事件。新生的断层具有较复杂的断层几何及粗糙度，在进一步滑动过程中产生大量声发射事件。实验虽然是在相当于地下1km深处的温度压力条件下进行的，但在几km深度范围以内不会有本质性差异。孔隙率大、渗透率大、强度低的砂岩及灰岩总体呈延性破坏特征，另外泥岩类也普遍表现为延性破坏（Lei et al．，2000b）。这就从岩石力学的角度揭示了四川盆地的油气田容易发生注水诱发地震的条件。基于摩尔-库仑破坏准则的断层活化分析，几个MPa量级的流体压力的增加，足以导致处在亚临界应力状态的不同走向和倾角的断层活动。

图13 不同摩擦系数下断层强度与断层角度的关系；同一深度摩擦系数越小，相同的注水压力可能引起活化的断层的角度范围就越大；与此同时，摩擦系数越大，相同的注水压力对断层强度的弱化程度越明显Fig.13 Fault reactivation plots showing strength of faults against the angle between directions ofmaximum principal stress and fault plane with different frictional coefficients.

四川盆地油气储层具有软硬相间的地层结构，大多与沉积盖层中的背斜有关。油气藏内部多为相对脆性的岩层（如砂岩、白云岩、白云质灰岩），普遍发育不同规模的层内断层。油气藏边缘往往受尺度较大、贯穿不同地层的断层控制。实验结果表明，相对脆性岩层中的小断层在进一步滑动时有利于产生失稳，而那些跨越软硬相间地层的较大断层同样受脆性地层的控制也会显示一定的脆性破坏特征。一般情况下，一条几km尺度的断层便足以产生M 5级别的中强地震。另外，四川盆地东接稳定的华南地块，西邻构造运动强烈的青藏高原，区域应力水平相对较高（尽管构造加载速度很低）。这些条件使得该区具有易发注水诱发地震及破坏性中强地震的可能。有必要在对注水孔周围的破裂及断层构造的空间分布、尺度大小及力学性质上的特征有了基本了解的条件下，通过注水数值模拟（Li et al．，2006，2007）、监测注水诱发地震的时空演化及建立适当的统计模型，实现诱发地震的统计预测，指导注水操作而达到减少灾害性地震发生的风险。这些将是进一步研究的方向。

致谢 感谢评审人的建设性修改建议。费文斌和井淼参加了野外考察取样，致以谢意。

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ROLE OF IMMATURE FAULTS IN INJECTION-INDUCED SEISM ICITY IN O IL／GAS RESERVO IRS—A CASE STUDY
OF THE SICHUAN BASIN，CH INA

LEIXing-lin1，2）LIXia-ying3）LIQi3）MA Sheng-li1）FU Bi-hong4）CUIYin-xiang3）

1）State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2）Geological Survey of Japan，AIST，Tsukuba 305-8567，Japan
3）State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China
4）Institute of Remote Sensing and Digital Earth，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China

In order to understand the role of underdeveloped immature small faults and conditions of the occurrence ofmedium-size earthquakes induced by fluid injection into deep reservoirs，we carry out an integrated study involving geological survey of small faults，seismological investigation of typical cases of injection-induced seismicity，and rock fracture test in laboratory.At first，we briefly summarize the general features of several important cases of injection-induced seismicity in gas／oil reservoirs in the Sichuan Basin，China.It is suggested that major induced earthquakes，especially those of a moderate size，result from the reactivation of pre-existing faults.We also present some pieces of field and petrologic evidence showing such small faults exist widely in reservoirs and are important channels for fluid m igration.Then，we present experimental results with a focus on theformation and the after-slip of fault in typical sedimentary rocks under tri-axial compression.Finally，methodology for risk assessment and injection management is discussed based on insights gained from the integrated approaches.

Our results are helpful for understanding the question—why injection-induced seismicity is so significant in the Sichuan Basin.Major Pre-Triassic sedimentary rocks，including dolom ite，shale，and dolom itic limestone are strong and demonstrating brittle fracturing behaviors.Such properties are necessary conditions for maintaining high level of reservoir stress and leading to seism ic fracturing. Insights gained from this study may shed some lights to the general earthquake seismology and provide a better understanding of why damaging injection-induced earthquakes occur so that they can either be avoided or bemitigated.In general，existing of critically or sub-critically stressed faults of a dimension of a few kms is a necessary condition for M～5 level earthquakes.In addition，AE，or in other words，micro-seism icity monitoring is useful in risk assessment and injection management and should be fully utilized in injection app lications.

injection-induced seismicity，fault reactivation，oil／gas reservoir，Sichuan Basin，rock fracture experiment，acoustic em ission

P315.9

A

0253-4967（2014）03-0625-19

雷兴林，男，1963年出生，1983年毕业于武汉地质学院，1990年在国家地震局地质研究所获得大地构造物理专业博士学位，现为日本产业技术综合研究所上级研究员、地震动力学国家重点实验室客座研究员，主要从事多尺度多手段岩石力学及地震学相关研究，E-mail：xinglin-lei＠aist.go.jp。

10.3969／j.issn.0253-4967.2014.03.007

2014-06-13收稿，2014-08-19改回。

地震动力学国家重点实验室开放课题（LED2011B06）和国家自然科学基金（41274111）共同资助。