四川长宁页岩气开采区上地壳各向异性及其变化特征

刘莎， 郑钰

中国地震局地球物理研究所， 北京 100081

0 引言

近年来，随着地球深部能源和空间的开发利用，特别是页岩气的大规模开采，诱发地震已经被越来越多的公众和科研人员所关注和高度重视.美国地质调查局的研究发现在美国中部，水力压裂过程中由于废水回注地下诱发的有感地震不断增多(Rubinstein and Mahani, 2015).在加拿大西部诱发地震主要由水力压裂引起(Bao and Eaton, 2016).在我国四川盆地，无论是长期的废水回注地下处理还是短期的页岩气开采水力压裂都可能诱发地震活动(Lei et al., 2013; Meng et al., 2019).应力作用下的裂隙(或孔隙)结构介质及其应力变化导致介质物性的变化在深部结构研究中，尤其是在油气勘探开发领域越来越受到重视(Crampin and Gao, 2018).Atkinson等(2020)系统地分析了水力压裂诱发地震的诱发机理，指出其与构造地震之间的不同.由于诱发地震通常发生的深度较天然地震浅，造成的地壳应力释放存在一定差异.Pei等(2018)采用地震波速度和各向异性联合层析成像探讨了注水对诱发地震的影响.诱发地震虽然与资源能源开采利用息息相关，但是容易造成自然环境的改变，形成一定的灾害.特别是在页岩气开采区，反复发生的小到中强地震有可能对历史上地震活动性较弱的地区造成严重的破坏.因此，研究页岩气开采区域地壳应力场的特征有助于理解异常活跃的地震孕育的应力环境，对判断潜在的地震发展趋势具有重要的意义，进而为页岩气开采区开展防震减灾工作提供科学依据.

四川盆地有多个页岩气开采区域，长宁页岩气开采区的地震活动性自2014年底水力压裂施工以来明显增强(Hu et al., 2018; Lei et al., 2019a; Yang et al., 2021).已有的研究结果表明，该区多数的地震活动可能与页岩气开采水力压裂或深井采盐注水有关(Lei et al., 2013,2019b; Tan et al., 2020).2018年12月16日兴文发生ML5.7地震，2019年1月3日珙县发生ML5.3地震(Long et al., 2020).这两次ML5地震给当地人民的生命和财产造成了极大损失，而且引起了大规模的滑坡和岩体坍塌等次生灾害.ML5.7和ML5.3地震都发生在距离水力压裂井段非常近的位置，地震发生时，都正在进行水力压裂作业.已有的研究结果表明两次ML5地震的相继发生可能与水力压裂诱发地震密切相关(Lei et al., 2019a).

长宁地区是我国主要的页岩气产区之一，且水力压裂施工诱发地震是近年来国内外研究的热点.因此长宁地区的地震活动性以及地震孕育的应力环境等方面的研究有一定的实际意义.长宁地区位于四川盆地南缘，扬子板块西缘，处于四川盆地南部边界的褶皱区(图1).此区域的长宁背斜既是天然地震多发区，也是页岩气开采区.长宁背斜位于川、滇、黔结合区域，具有不同方向上的多期构造变形叠加特征.东侧受到了川东—湘鄂西构造带挤压应力影响，西侧受来自龙门山方向的挤压应力远程传递影响，北部为四川盆地及华蓥山断裂带所限，南部又叠加了紫云—罗甸断裂构造转换作用导致的挤压和抬升作用(何登发等，2011, 2019).长宁背斜西北穿过珙县至高县地区，东南达叙永地区，东南部较宽，西北部较窄，背斜轴迹呈北西—南东走向.自有地震记录以来，长宁背斜始终是一个地震多发区.川西南地区的地震统计结果表明，长宁背斜在2011年水力压裂作业之前已发生多次中小地震.长宁背斜及邻区自2011年以来的地震分布具有面状展布的特点，地震集中区域靠近页岩气勘探集中区域，震源深度也主要集中在5～15 km(何登发等，2019).2018年12月16日、2019年1月3日分别发生了ML5.7和ML5.3地震(图1).水力压裂对这两次中强地震的发生起到怎样的作用？这对该地区页岩气开采工作具有重要的实际意义.本文立足于该区域地壳应力场的变化特征以及地壳各向异性的空间分布，利用2018年12月16日兴文和2019年1月3日珙县两次ML5.0地震发生前后研究区的地震波形数据，采用剪切波分裂方法开展地壳各向异性特征的分析，试图从各向异性的角度探讨地震孕育的应力环境，对地震成因进行初步探讨.

图1 研究区地质背景与地震台站分布三角代表研究区地震台站位置；圆点表示2018年11月—2019年2月期间的地震震中位置；大五角星表示ML5.7地震震中位置，小五角星为ML5.3地震震中位置；地震目录资料由中国地震台网中心提供.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 地震数据与剪切波分裂计算

1.1 地震数据

为了探讨2018年12月16日ML5.7和2019年1月3日ML5.3地震发生前后地壳应力场的变化特征，本文采用的地震数据时间段为2018年11月—2019年2月(图2)，地震在空间上的分布如图1所示.根据实地调查，研究区页岩气开采水力压裂从2018年10月开始.图2显示2018年11月地震活动性较强，进入12月地震活动性进一步增强，多数地震震级集中在ML2.0以下.12月16日ML5.7地震发生，研究区域地震活动性依然保持较高的水平，一直持续到ML5.3地震发生，地震震级依然以ML2.0以下为主.2019年1月底地震活动性稍有降低，2月份地震活动性仍保持在较高水平.已有的研究表明，该区域地震震源深度主要集中在5～10 km，而且页岩气开采水力压裂与该地区地震活动之间存在密切的时空相关性(Lei et al., 2019a).

图2 长宁地区2018年11月—2019年2月地震序列时序图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

剪切波分裂研究是获得地壳各向异性特征最直接有效的方法之一(Crampin et al., 2015; Gao et al., 2011,2012).慢剪切波的延迟时间与介质的各向异性程度有关，可以反映地壳应力场的特征性变化.快剪切波偏振方向则反映了地壳应力场方向.因此，获取剪切波分裂参数可以为讨论页岩气开采区高孔隙流体压力下地壳应力场的时空演化提供重要信息，为密切监视区域内介质的各向异性特征及应力场的动态变化提供可能.

本文利用研究区域内14个数字地震台站记录的地震波形数据进行剪切波分裂计算(图1).地震台站CJW，MET，XIC采用CMG-3ESPC-60地震仪，台站CMZ，CNI，GXA，LFY，QGT，SZP，WJZ，XWJ采用FSS-3M地震仪，台站LQS，SJK，SHB采用CMG-40T地震仪.这些台站均为三分向地震计，采样率为100个采样点/s.本研究使用2018年11月—2019年2月期间的地震数据资料，进行剪切波分裂计算.为了防止地表剪切波全反射的影响，泊松比0.25的介质剪切波窗口一般选择为35°，考虑到地表低速层的影响，剪切波窗口可适当放宽(Crampin and Peacock, 2008).根据长宁地区地下一维速度结构模型(表1)(易桂喜等，2019)，本文选取剪切波窗口为50°进行剪切波分裂分析.在此基础上，挑选剪切波波形信噪比较高的地震数据.利用剪切波分裂偏振分析法，根据剪切波质点偏振图的变化特征获得剪切波分裂参数快波偏振方向和慢波延迟时间(图3)(刘莎等，2014).

表1 长宁地区一维速度模型Table 1 1-D velocity model of the Changning area

2 剪切波分裂参数结果

经过对研究区域2018年11月—2019年2月地震数据的筛选(图1)，对14个地震台站记录的剪切波窗口内的数据进行剪切波分裂计算，共获得了1385对剪切波分裂参数(表2).GXA，LFY，LQS，MET，QGT，SJK台站有3条及以下的有效事件数，除此之外其余台站均获得了多对剪切波分裂参数结果，特别是位于震群中的CJW，CNI，XIC，XWJ台站获得了百条以上的有效结果.虽然有6个台站只有3条以下有效结果，但是这些台站获得的快波偏振方向明显，并且和其他台站表现出较为一致的快波偏振方向，体现了该台站下方地壳各向异性的特征(图4).GXA，LQS台站快波优势偏振方向显示为北东东和北东向，CMZ，LFY，MET，QGT，SJK，WJZ台站为南东向，SHB台站快波偏振方向表现为近似南北向.CJW，CNI，SZP，XIC，XWJ台站快波偏振方向有两个优势方向，北东向和南东向.

图4 台站下方快波偏振方向的下半球等面积投影玫瑰图虚线以上为两个快波优势偏振方向的台站；虚线以下为单个快波优势偏振方向的台站.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.

中上地壳各向异性离散现象普遍较为显著，研究区内慢波延迟时间差异较大.由于慢波延迟时间受到地壳介质各向异性强弱程度的影响，而且剪切波在地壳介质中的传播路径也会影响到慢波延迟时间结果.为了便于分析比较，慢波延迟时间用震源距进行归一化(或称标准化)处理(表2).本文得到归一化慢波延迟时间的范围为(3.75～9.53)ms·km-1，整个区域均值为6.16 ms·km-1.慢波延迟时间最大值来源于XIC台站，最小值源于CMZ台站.

表2 长宁地区台站下方地壳剪切波分裂结果Table 2 Shear wave splitting parameters at stations in Changning area

3 地壳各向异性特征

3.1 快波偏振方向空间分布特征

为了更清晰地显示研究区域快波偏振方向的空间分布特点，本文用统计平均的方法获得了这些台站的快波优势偏振方向(表2)，探讨长宁地区地壳各向异性的空间分布特征，以及与构造背景之间的关系(图5).

图5 长宁地区快波偏振方向空间分布图F1瓦房头断层, F2 大地湾断层, F3 大佛崖断层, F4 珙县断层, F5 阴阳背断层, F6 新街断层, F7 兴文断层, F8 扎子拗断层, F9 猪槽井断层.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台站刚好位于ML5.3和ML5.7两次地震震中位置之间，快波偏振方向显示有两个：北东和北西向.ML5.7地震所推断的地下隐伏断层性质为北西向的走滑断层(易桂喜等，2019)，这与XIC台站快波偏振方向一致.该现象也显示出活动走滑断裂的作用通常会造成断裂上及附近地区地震台站的快波偏振方向与断裂的走向一致.ML5.3地震发震断层为北西西向的逆断层(易桂喜等，2019)，XIC台站快波偏振方向与之斜交.地震震源机制解结果反映出区域构造应力的最大主压应力方向为北西向(易桂喜等，2019)，这与XIC台站北西向的快波偏振方向一致.

CNI台站处于瓦房头断层、大地湾断层、大佛崖断层以及双河背斜南段的交汇处，该台站快波优势偏振方向为北东和北西向，与断层的走向基本一致.位于白象岩狮子滩背斜附近的台站SJK和LQS，虽然剪切波分裂结果数量非常有限，但是快波偏振方向与断裂的走向较为一致.位于珙县断层以南的GXA台站快波偏振方向显示为北东向，与LQS台站的快波偏振方向一致.CJW台站和MET台站分别位于长宁大背斜北端的两侧，CJW台站位于北东走向的新街断层和长宁大背斜附近，该台站北西方向的快波偏振方向与断裂走向一致，北东方向的快波偏振方向与断裂斜交.MET台站更靠近于北东走向的大地湾断层和长宁大背斜的北端，表现为北西向的快波偏振方向.长宁大背斜附近发育有多条断层分布，构造环境复杂.在复杂的构造应力影响下，断层两侧的地震台站得到的快波偏振方向存在明显差异.

位于ML5.3和ML5.7两次地震以南的区域，在构造上主要分布有近东西向的建武向斜，和近南北向的扎子拗断层.在两构造交汇处的WJZ台站快波偏振方向为北西向，与区域主压应力的方向一致.CMZ台站快波偏振方向与WJZ台站一致，为北西向.台站SZP和XWJ分布在建武向斜两侧，有两个快波偏振方向北东和北西向，均与断裂走向斜交.

QGT台站更靠近于ML5.3地震震中位置，快波偏振方向显示为北西向，与断裂走向斜交.SHB台站快波偏振方向结果为近南北向.LFY台站快波偏振方向为北西向，与区域主压应力的方向一致.快波偏振方向的结果显示了该区域地壳各向异性的复杂性.

高原等(2018)利用区域地震台网资料研究青藏高原东缘地震各向异性分区特点结果显示，长宁地区快波偏振方向有两个优势方向：北东向和北西向.该区域主压应力方向为北西方向，北东向的快波偏振方向则受区域内北东走向的隐伏断裂影响.石玉涛等(2013)在对四川盆地地壳剪切波分裂研究中获得的本研究区域内台站快波偏振方向为北东—南西向.地应力测试的结果表明，长宁大背斜地区最大水平主压应力方向为南东向(北偏东100°～155°)(Huang et al., 2018; 王玉满等，2016).由于长宁大背斜主要是在燕山期形成的，为一“古”背斜，现今测得的最大主应力方向多与长宁背斜轴迹斜交.长宁地区天然裂缝相对发育，裂缝走向与最大水平主压应力方向大体一致.文中所得到的北西向的快波偏振方向与区域最大主压应力的方向是一致的，但是北东向的快波偏振方向与区域主压应力方向以及断裂的走向斜交.

快剪切波偏振方向一般平行于地壳微裂隙的走向，是剪切波在地壳介质中传播时在射线路径上的综合结果.研究区域内多个地震台站表现出两个快波优势偏振方向，反映了长宁地区上地壳各向异性的复杂性.通常情况下，近场剪切波分裂得到的各向异性结果比利用远震剪切波分裂得到的上地幔各向异性结果表现出更为复杂的特征(张中杰，2002；张晖等，2020).造成上地壳各向异性复杂的原因有多种.已有的研究表明，断裂分布、区域应力和局部构造都会影响到快波偏振方向，但主要的因素是区域主压应力和局部断裂共同作用的结果(鲍子文和高原，2017).长宁地区位于四川盆地南缘盆山结合地带，断裂分布错综复杂，而且隐伏断层发育.该地区处于构造变形模式转换区域，其所处构造环境的变化导致构造变形特征具有复杂性(张岳桥等，2011).通常在构造环境复杂的区域，台站的快波偏振方向具有一定的离散性(Gao et al., 2011；吴晶等，2010；钱旗伟等，2017).

图6 XIC台站快波偏振方向在时间上的分布Fig.6 The temporal distribution of polarization directions of fast waves at XIC station

由于研究区域快波偏振方向表现出较高的离散性，为了探讨快波偏振方向的离散性在时间上是否具有特殊的变化，文中选取剪切波分裂参数数量最多的台站XIC来分析快波偏振方向的变化(图6).该台站位于ML5.7和ML5.3两次地震震中位置之间，快波偏振方向表现为北东和北西向.从时间上看，快波偏振方向在两次地震前后没有显著变化，两个方向的快波偏振方向在观测时间段内始终存在.长宁地区压裂施工是从2018年10月开始，高压流体注入地层中，可能引起局部应力场的变化.剪切波分裂参数离散现象的另一个因素是快剪切波方向的90°翻转现象(Crampin et al., 2002, 2004).该现象表明快波偏振方向和慢波方向发生了互换，可能是由于地震活动和断层导致的孔隙流体压力突然增大，随着孔隙压力增加到接近最大水平压力值时，快剪切波的极化方向从平行最大水平应力变为与之垂直，导致地壳中各向异性微裂隙局部重新定向排列(Crampin et al., 2002).所以，本文推断造成长宁地区快波偏振方向复杂的因素有多种，北西向的区域主压应力，错综复杂的断裂分布以及水力压裂作用.

3.2 区域地壳应力变化

针对中上地壳剪切波分裂结果离散性这一特点，对具有一定数量的剪切波分裂结果的台站进行地壳应力的讨论才能降低结果的随机性影响.本文挑选出慢波延迟时间结果数量大于100且地震台站位置较为典型的台站加以分析，探讨长宁地区地壳应力场的特征性变化.根据地壳中微裂隙不同参数对慢波延迟时间的影响，按照区域主压应力方向将数据进行分类，分为1角区和2角区(Crampin et al.,2002；Gao and Crampin,2008).2角区的慢波延迟时间对地壳中裂隙的密度较为敏感，由于2角区的数据较少，文中暂不做讨论.1角区的慢波延迟时间对地壳应力作用下的微裂隙几何形态较为敏感，反映了地壳应力的变化特征(Crampin et al.,2002).下面将讨论1角区的慢波延迟时间变化.由于慢波延迟时间的离散型，本文采用7点滑动平均结果来显示慢波延迟时间的变化趋势(图7).

图7 典型台站慢波延迟时间的变化图(a,b,c) 分别为台站CNI, XIC和XWJ慢波延迟时间变化；黑色圆点为归一化的慢波延迟时间结果，红色实线为7点滑动平均曲线；红色虚线标示了ML5.7和ML5.3地震的发震时刻.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.

本文选择位于ML5.7和ML5.3两次地震震中位置之间的XIC台站，该台站共获得了812个慢波延迟时间结果，更客观地反映了慢波延迟时间的变化.另外选择了位于地震簇以南的XWJ台站和北部的CNI台站进行分析.页岩气开采初期压裂施工，页岩地层中被注入高压流体，流体压力可对地应力产生较大程度的影响.长宁地区水力压裂施工从2018年10月开始，在2019年1月13日结束.从慢波延迟时间的变化来看，2018年11月和12月上旬，XIC和CNI台站慢波延迟时间表现为无规律的波动，没有显示出明显的变化趋势.由于数据有限，XWJ台站没有观测到慢波延迟时间的变化.在ML5.7地震发生之前的五天左右时间，CNI和XWJ台站均观测到慢波延迟时间的增大，XIC台站的变化并不明显.通常情况下，慢波延迟时间在大地震发生前会显著增加，又在临震前的短时间内突然降低(Crampin and Peacock, 2008; 刘莎等，2014).但是，在ML5.7地震之前短时间内三个台站均没有观测到慢波延迟时间的下降，而且ML5.7地震之后，即使水力压裂活动暂停了几天，但是慢波延迟时间仍旧持续增大，可以推断地壳应力场一直处于增加的状态，直到2019年1月3日ML5.3地震发生.ML5.3地震发生之后，CNI和XWJ台站均观测到慢波延迟时间降低的趋势.特别是XIC台站，在ML5.3地震发生之前的三天左右时间，慢波延迟时间突然持续降低，直到ML5.3地震发生.整体而言，三个台站在慢波延迟时间的变化上表现地较为一致，两次中强地震发生前后均观测到慢波延迟时间的变化，体现了地壳应力的积累和释放.

4 讨论与结论

本文利用四川长宁页岩气开采区14个台站2018年11月至2019年2月期间记录的地震波形资料，得到了该地区剪切波分裂参数快波偏振方向和慢波延迟时间的时空分布特征.结果显示，研究区内多数台站的快波偏振方向表现为两个优势方向：北东向和北西向.长宁地区区域主压应力方向为北西向.理论上，快波偏振方向平行于地壳中微裂隙的排列方向，与区域主压应力的方向一致(Gao et al., 2011,2019; 高原等，2018，2020；石玉涛等，2013).然而，位于地质构造复杂的区域，快波偏振方向会较为复杂.地震台站所在位置的局部构造或邻近地区的活动断裂特性等构造因素对快波偏振方向会造成一定的影响，从而导致地壳各向异性表现出复杂的特征(高原等，2010；高原和吴晶，2008).本文的研究区域刚好位于四川盆地南缘盆山结合地带，处于构造变形模式转换区域，构造环境复杂.位于断裂带附近的台站多受到活动断裂的影响，快波偏振方向与断层走向一致，但是部分台站快波偏振方向与主压应力的方向表现为垂直关系.

位于ML5.7和ML5.3两次地震震中之间的台站XIC快波偏振方向表现为北东向和北西向.从时间上看，快波偏振方向在两次中强地震发生前后没有显著变化，离散性较高.文中多数台站表现出两个近似正交的快波偏振方向，类似于快剪切波方向的90°翻转现象.而且在长宁地区，本文获得的慢波延迟时间平均值达到了6.16 ms·km-1，比其他地区的慢波延迟时间结果偏高，表现出了较高的各向异性强度(高原等，2018；石玉涛等，2013；刘莎等，2014；吴鹏等，2020).高原等(2018)剪切波分裂结果显示，四川盆地西缘(包括长宁地区)是汶川地震后唯一的应力没有(被汶川地震)释放反而增加的地区，表明长宁地区地壳应力场的区域性特征明显.长宁地区页岩气开采时，水力压裂施工.页岩地层中被注入高压流体，裂隙内被临界的高孔隙流体压力所渗透，引起岩体裂隙充水饱和，导致深部断裂中孔隙水压力升高和有效应力降低，从而改变了岩体和断裂带的应力状态，引起地应力环境改变.地壳中微裂隙重新定向排列，孔隙压力的变化也导致了充满流体的微裂隙重新组织其几何形态.因此快波偏振方向呈现出近似正交的特征，慢波延迟时间也表现出较高的各向异性强度，体现了长宁地区地壳各向异性的复杂性和区域性特征.

根据应力预测地震的理论，即将发生的地震的震级与岩石破裂临界状态到达之前的应力积累的时间和速度有一定的函数关系(Crampin,1998; Crampin and Gao,2015; Gao et al., 2011).一个M5.5天然地震应力积累的持续时间在6～7个月.本文所观测到的慢波延迟时间在ML5.7地震发生之前增大的时间尺度在几天之内，应变积累的速度相对较高.通常情况下，应变积累速度较高的地区，诱发地震的可能性较高.长宁页岩气开采区所处的川西南地区，正位于南北地震带南段的东侧边缘，该地区的断裂活动性并不强(王椿镛等，2015；邓起东等，2003).接连两次中强地震的发生可能与水力压裂作用有关，这与Lei等(2019a)研究的结果一致.综上所述，本文所得到的快波偏振方向的空间分布和慢波延迟时间的变化所表现出的离散性和较高的各向异性强度，可能是由于该研究区域复杂的构造环境、北西向的区域主压应力以及水力压裂作用综合因素引起的.

致谢感谢四川省地震局提供了地震波形数据.感谢审稿专家对本文提出了非常有益的修改意见.