流体对断层带地震活动性的影响 ——川滇地区若干实例研究

来源 :中国地震局地质研究所 | 被引量 : 2次 | 上传用户:f372286882
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地壳中广泛分布的断层系统为流体扩散提供了良好的通道,流体扩散会导致断层带孔隙压力增大、有效应力减小,从而使得断层强度降低并易于活动。与注水相关的人类活动通常会诱发/触发地震活动,天然流体活动活跃的区域地震活动对应力场响应敏感,都与流体扩散造成断层应力状态与运动状态变化密切相关。因此,研究人工注入和天然流体对断层带地震活动性的影响,对于深入理解断层带应力状态与地震发生机理、判定地震危险性等具有重要的理论和实际意义。本文以人工注水活动活跃的四川盆地和天然流体活动显著的滇西北地区为研究区,采用多种地震活动性分析方法包括微地震检测与定位、地震活动时空分布与统计参数分析、应力场反演以及断层稳定性分析等,研究流体对断层带地震活动特征的影响。其中关于人工注水的影响,重点分析了四川盆地荣昌长期废水注入诱发地震、长宁M6.0级地震序列的发震机理和地质力学条件;关于天然流体的影响,重点分析了红河断裂带北段维西-乔后断层的地震活动特征和远程强震对滇西地区地震活动的触发作用及其机理。获得的主要结果和认识如下。1.荣昌地区是一个长期废水处理场,间断性注水接近30年,引发的最大震级地震为M5.2级。2013年周围废水处理井都停运后,2016年年底仍发生了两次M4级以上的地震。本文对荣昌气田注水停止前后的地震活动进行了综合研究。ETAS模型的统计分析表明,地震活动受外界因素(注水)的影响显著,外部触发地震活动的比例超过70%。最大水平主应力轴的方向几乎水平(视倾伏角为2.6°±1.7°),其方位角为134°。引起上述M≥3.5级地震所需的流体超压范围为2.2至16.4 MPa。2013年周围注水井停止之后,在2016年12月再次发生了两次M4级以上地震,所需的流体超压分别为2.3和2.4 MPa。从触发前沿的r-t图可知,地震活动中存在良好的水力压力扩散现象,这可能是因为枯竭的储气库具有良好的密封性,所以压力可以长期保存。通过分析震源的迁移模式、计算较大地震所需的流体超压以及多种统计参数特征,表明注水停止后的地震活动与注水过程中的地震活动相同,是由于枯竭气藏内部及其周围预先存在的断层延迟破裂引起的。2.长宁地区在2019年6月17日发生了M6.0级地震,截至2019年8月底,已观测到400次M≥3级地震,包括40次M≥4和5次M≥5级地震。长宁M6.0地震序列中的M≥4级地震的震源矩张量结果表明,矩心深度在1.3~7.6km之间。2018年12月17日兴文M 5.7地震后,长宁双河镇盐井地区的地震活动明显增加。兴文地震可能导致北北西方向的单向破裂,其终点靠近双河北西向断层。因此,长宁地震的发震断层可能终止了兴文地震的断层破裂,而兴文地震可能促进了长宁M 6.0地震的发生。通过对比分析长宁盐矿区和邻近的页岩气区的注水与地震活动之间潜在的联系,包括地震活动的时空分布特征、统计参数特征、应力场反演结果以及计算断层活化所需流体超压力,表明长宁地区的地震活动是由于流体注入引起的断层活化而发生的构造地震,与工业开采盐矿或页岩气存在关联。3.基于滇西北地区临时加密台站和区域固定台站地震观测资料,利用波形相关方法对2018年2月25日~2019年7月31日记录的连续波形进行高分辨率地震检测和高精度地震定位。研究表明,目前维西-乔后断层除了一些特殊的断层部位(交汇区、阶区等)外,地震活动微弱,但在其西侧可能存在一条隐伏的陡倾角右旋走滑断层,沿该断层小震活动活跃。地震频度、能量释放率、b值等统计参数及其随时间的变化表明,维西-乔后断层及其附近地区地震活动相对稳定,区域应力增强不明显;空间上大部分区域b值较高,低b值区主要分布在一些特殊的断层部位(如阶区、交汇区等),但尺度一般较小。ETAS模型统计结果表明,超过40%的地震活动可能受深层流体扰动和远程强地震触发等外部因素影响。由此认为,维西-乔后主断层目前活动性不强,但其西侧的隐伏分支断层小震活动丛集且有增强趋势,需要关注其发生中强地震的可能性。4.分析了2006年以来13次远程地震对滇西北地区地震活动的触发作用,重点分析了2019年6月17日长宁M 6.0地震的影响及其触发机制。研究表明,2006年~2018年2月25日期间周边地区发生的12次强震对滇西北地区的影响显著,地震活动明显增强,与此同时地下流体同震响应灵敏,表现为水井水温上升、水位上升、流量加速以及水氡含量显著变化。利用ETAS模型统计表明18%的地震活动由外部触发产生。利用30个流动地震台观测资料,采用波形匹配方法对2018年2月25日~2019年7月31日的微地震进行了检测和定位,表明地震成丛分布在渗透性非常高的断层末端、断层弯曲、断层阶区以及断层交汇部位等区域;ETAS模型统计揭示了15次外部触发地震活动增强阶段,均对应于地下流体流动加速。2019年6月17日M 6.0级长宁发生后,地下流体同震响应显著,触发地震活动逐渐增加并在震后第五天显著增加,应用β统计发现触发地震仍然丛集分布在上述断层发生反复破裂而受到严重破坏的区域。这表明,滇西北地区由于热流体分布广泛,远程强震极易引起流体流动加速并触发地震活动,而地下流体自身也存在加速活动导致触发地震活动增强的现象;断层系统的一些特殊构造部位渗透性非常高,流体易于活动并形成较高孔隙压,这可能是远程强震易于触发地震活动的原因。
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