页岩压裂会引发地震吗？—— 访中国地质大学（北京）何登发教授

■王大锐

水力压裂是页岩气开采的关键技术，水力压裂是否会诱导地震已经成为公众热点话题与学者研究焦点。页岩气开采的紧迫性与地震的灾害性突显出研究这一问题之急需。为了使更多的读者对这一问题有深入的了解，我特意采访了我国著名的构造地质学家、中国地质大学（北京）的何登发教授。

问：何教授，近来在我国四川盆地长宁地区发生了一系列地震，请您介绍一下四川盆地的地震情况吧。

答：好的。中国南北地震带北起鄂尔多斯地块西缘，跨越秦岭，穿过龙门山，再沿着安宁河-小江断裂带向南延至缅甸境内，成为分割中国大陆东部相对稳定的鄂尔多斯高原、四川盆地和华南地块，与青藏高原东、南缘之间的边界活动构造带。川西南正处于南北地震带南段的东侧边缘。

根据国家地震科学数据共享中心提供的地震目录，可以看出四川盆地及其周缘在1970年1月到2010年12月的地震分布。这30年间先后发生了几次7.0级以上的大地震，如1974年永善地震，1976年松潘地震和2008年汶川地震。四川盆地的地震不局限于某一构造带、某几个构造带，揭示了控制川西南地区地震活动的构造变形具有分布式变形的特点。

在这一大背景下，沿几条活动断层带的地震分布具有集中优势。盆缘主要沿龙门山、鲜水河、三江带等发育。在盆地内部，沿龙门山山前隐伏断裂带、浦江—新津断裂、龙泉山断裂带、荥经—马边断裂与华蓥山西侧断裂带较为发育。但从盆地内部的地震剖面解析可知，上述断裂带均具有滑脱性质，多在下三叠统嘉陵江组或中三叠统雷口坡组膏盐岩地层中发生滑脱，并不是切到基底的深断裂带。

问：当地页岩气产层与长宁背斜构造的关系是什么？钻探会引发地震吗？

答：宁203和宁201井是当地钻探的两口页岩气勘探井，长宁背斜核部的宁2井钻遇厚达3300余米的寒武系和震旦系。其中，震旦系灯影组下段发育厚层的白色芒硝和盐岩层，厚度分别为52米和240米。寒武系筇竹寺组发育225米厚的黑色碳质页岩，高台组上部旋回性发育多套石膏层。宁203井和宁201井分别位于长宁背斜南翼斜坡部位和向斜转折部位；页岩气开采的主产气层为一套下志留统的稳定的深水陆棚相页岩沉积。

长宁页岩气田产层在1200～600米，埋深0～2600米，埋深较浅；主产区在长宁背斜南翼向斜区。在长宁背斜核部，主要为切割寒武系—奥陶系的断层，局限在背斜核部，表现为局部压扭性断层。这些显露型断层多在寒武系膏盐岩层中发生滑脱。从地震震源深度在剖面上的投影来看，这些断层并未复活。

由于长宁背斜主要是在燕山期形成的，为一“古”背斜，而且地层压力系数的测定显示，在未开展页岩水力压裂注入高压流体之前，龙马溪组的强度因赋存超压而较弱。龙马溪组超压的形成主要是地层中天然气的生成及聚集所致，即使是在晚白垩世以来强烈隆升的背景之下，仍然保持超压状态，在隆升过程中，虽然围限压力降低，但页岩中吸附气脱附部分成为游离气，使地层压力不断增大。

最近两年来，根据微地震监测、施工压力响应、邻井压力监测等情况，结合三维地震预测及地质模型，实时调整压裂方案，确保改造方案尽可能地适应地层特征，从而提高压裂改造效果。

对长宁背斜区志留系龙马溪组的地表露头及钻井岩心的观察表明，龙马溪组页岩的变形较为常见，滑动面清楚，可见镜面、擦痕、裂缝。综合地质学分析表明，地质历史时期龙马溪组页岩已反复发生破裂，目前进行的钻探和压裂作业不是产生这些变形的原因。

问：那么，长宁背斜地区地震机制是什么？页岩气水力压裂能引发当地中等以上地震吗？

答：2013年，有国外学者提出，注入的直接流体效应（流体压力扩散）和由于流体的注入或抽出引起的固态应力变化两种机制可以诱发地震的观点。

四川盆地长宁页岩气区块在2016年1月至2019年1月之间有 11次小地震。这些地震可能不是超压直接诱导型，因为志留系中或相邻层并不发育较大的“古老断层”，志留系本身仅仅发生平行下伏基底断层的滑动，在这一过程中发生层平行剪切，形成微裂缝系统。

长宁背斜向西北穿过珙县至高县地区，向东南达叙永地区。2011年之前长宁背斜区已多次发生地震，那时并没有压裂作业。虽然这并不能直接说明页岩压裂是否致震。

此外，页岩压裂引起龙马溪组内的流体增压是否可以向下传递，引起下伏断层弱化与再次活动？目前看这一可能性难以成立。主要是二者之间并不存在这样的流体通道。

页岩气的采出、水力压裂液的注入与排出引发的重力变化还有待进一步评估。但总体看，“入”与“出”之间可能是平衡的，对下伏断层（例如基底断层）引起的正应力变化可能并不显著。需要注意的一个现象是，长宁背斜区水平应力差比较大，这一现象引发的效果需要认真对待。

在美国俄亥俄州、俄克拉荷马州，加拿大英属哥伦比亚等大规模进行页岩气开采的地区，还没有报道过水力压裂作业本身直接导致震级超过3级的震例。美国联邦地质调查局在关于页岩气开采水力压裂与诱发地震的关系的解释中指出：石油和天然气开采过程中产生的废水，增压注入或直接注入废水井，是产生大部分诱发地震的主要原因，诱发地震可在注水点更深位置、更远距离（远达10英里以外）发生，但页岩气开采的水力压裂不是产生诱发地震的主要原因。此外，废水中含有的水力压裂液与产生诱发地震的关系，还有待进一步明确。

问：若不是超压诱发致震或重力负荷变化诱发地震，那该区的地震是什么原因引起的呢？

答：需要指出的是，地震是现今或最近几十年时间尺度上的构造活动，属于活动构造范畴；而长宁背斜属于燕山期—喜马拉雅期的“古构造”。目前页岩气产层分布区，产层内部无大中型断层，无大的地震活动。

页岩气是目前国内天然气勘探的重要领域，页岩气年产量已突破100亿方，进展较快。页岩气开采成功的另一个原因是水平井水力压裂技术，水力压裂在页岩中产生大量裂缝，形成网状裂缝系统，从而增加页岩气产能。

自页岩气开发以来，由于注入页岩地层中的高压流体改变了地层流体压力，引起地应力环境的改变，从而在某些方向产生破裂（裂缝系统），这是水力压裂的基本机理。但这些破裂是瞬时的，可能触发有感地震。在石油工业中，应用微地震监测来观察水力压裂的效果，微震产生的信号用于裂缝监测和开发管理，水力压裂引起的微震级别一般远小于0.5(ML)。

页岩压裂能引起中等强度以上的地震吗？目前仍是一个学术界争论的问题。一些国外学者认为压裂能引起米L3～5级的地震。在美国中部压裂作业较多的州，像俄亥俄州、俄克拉荷马州有一些地震被认为是压裂诱发地震；甚至开发管理中废水注入也被认为可能致震。北美学者认为在西加拿大盆地压裂致震较为普遍。但从地震学而言，目前对诱发地震是否能引起中等强度以上地震等仍不明朗。

长宁背斜自2011年以来开展页岩气勘探，2014年以来采取大规模页岩压裂作业。自有记录以来，该背斜区始终是一个地震多发区，2018年12月16日、2019年1月3日分别发生了米L 5.7和5.3级地震。那么，这些地震究竟是天然地震，还是压裂诱发地震？这对于稳定民心与该区页岩气开发都具有重要意义。我们的研究认为，长宁背斜区的地震为天然地震。