注水诱发地震的研究进展

研究注水诱发地震的特征、发生机理和最大可能震级等对开展诱发地震的预防、危险性评价、减灾策略制定等方面的工作具有重要意义。文章系统地梳理了国内外关于注水诱发地震研究的主要认识和分歧。结果表明：(1)诱发地震的最大可能震级由断层大小和应力状态等地质条件决定,受注水压力和累积注水量等参数的影响;(2)识别诱发地震的可靠方法取决于地震和注水之间的时空相关性,统计模型的参数以及断层活化分析等一系列证据链条;(3)当断层与流体储层之间存在水力连接时,孔隙压力扰动是诱发地震的主要发生机制,反之岩石基质体积变形引起的孔隙弹性应力变化主导了诱发地震的过程。此外,注水诱发的稳定滑动传播到断层的孕震部分、流体的化学作用和小地震级联触发效应也可能在注水诱发地震中发挥重要的作用。研究结果将为注水诱发地震机理研究和减轻破坏性诱发地震灾害提供一定的科学参考。     

福建仙游震群的孔隙压扩散特征

2010年8月至2015年12月,福建仙游地区发生了一系列小震群活动。基于孔隙压力扩散机制对精定位的小震数据进行分析,结果显示仙游震群序列在空间上呈丛集分布,且具有明显的分区现象,发震时间受金钟水库水位变化的调制作用较为明显。5个分区（A—E）的流体孔隙压力扩散系数分别为0.04,0.08,0.07,0.12和0.05 m2/s,伴随着地震活动性由强至弱,孔隙压扩散系数呈先增后减的变化规律。仙游震群位于断裂构造发育区内,震中分布优势方向与石苍断裂一致,沿着断裂走向的孔隙压扩散系数最大,说明地下流体沿狭长的石苍断裂由NW向NE活动。各分区的流体孔隙压系数与扩散最大距离、最大诱发地震震级及地震释放能量均有较好的相关性。此外,当金钟水库水位下降时,各分区的扩散距离r呈现减小趋势,震群范围收缩,地震频次增加,并伴有较大震级的地震,说明水位下降时,流体孔隙压力的扩散作用在同一地点反复作用,使得触发源附近区域的应力水平更容易达到饱和或临界状态,进而触发较大震级的地震,这也解释了水位下降过程中地震更为强烈的原因。      

孔隙压力扩散触发2000年Vogtland地震群的证据

因孔隙中注入流体而诱发的地震通常有某些特定的典型时空特征。当孔隙压力扩散是主要的触发机制时,这些特征在某种程度上被认为是地震前的信号。由人工地震的典型扩散特征出发,我们在中欧的德国和捷克边疆的Vogtland/NW Bohem ia(VB)地区寻找相似的地震模式。VB地区的特点在于在其内部重复发生震级达ML4.5级的地震群。强有力的地球物理学证据表明,在地壳内部的地震事件与流体相关的过程有联系。此项工作的主要目的在于研究,流体在VB地区所担当的可能角色。通过孔隙压力扩散机制,我们检验了上升的岩浆流体触发地震事件这样的假定。触发过程主要由两个物理量来控制,水压扩散率和地震临界值(也就是,临界孔隙压力导致地震;稳定的场地有高临界压力的特点),二者以完全不同的形式存在于岩石当中。VB地区2000年地震群的数据分析结果支持了这种观点。我们能够识别扩散信号,并获得了在地震活跃区域水压扩散率的估计值在0.3到10 m2/s之间。应用考虑了与空间相关的扩散率和criticalitypatches的数字模型,我们成功地模拟了2000年地震群的普遍地震模式,包括地震事件的时空分簇和地震活动性的运移。     

湖南东江水库地震的预测研究

1986年8月2日湖南东江水库截流蓄水,10个月后发生水库诱发地震。蓄水初期,地震活动频度与库水位有较明显的相关关系,但1993年至今,地震活动的频度与库水位之间的这种相关性已逐步消失。诱发地震空间分布有一定的规律性,受水体、构造、岩性的控制。依据地震构造背景、水库规模、水库蓄水后诱发最大震级的最大概率时间等预测东江水库诱发地震最大震级不会大于4．99级．1991年发生的3．2级地震应为最大震级的概率是80％。今后仍可能发生3级左右地震。     

注水引起的局部构造活动及其与地震的关系

文本研究了玉门老君庙油田近年来形变隆起的成因,认为,油田注水量超过开采量而引起形变隆起和套管错断,形变隆起幅度和套管错断位置与注水量大小、构造部位有关。进而论证了超采注水造成的局部构造活动与诱发地震的关系,认为注水诱发地震需具备一定的构造条件,而老君庙油田不具备此构造条件,虽注水压力很大也不会诱发地震,乃以蠕滑形式释放了能量。     

龙滩水库库区地震活动与水位的互相关分析及孔隙压力扩散系数估算

对广西壮族自治区龙滩水库库区2013年3月1日至2019年10月31日的地震数目与水位进行互相关计算，得到了地震活动对库区蓄水响应的延迟时间为37天，并通过替代数据检验确认了其可靠性。37天的延迟时间说明在水位达到峰值后地震活动开始快速增强，可能暗示着现阶段库水流体作用的影响主要局限在库区内。根据延迟时间和地震深度分布，以及周期性边界条件下孔隙压力扩散方程的解，在不考虑孔隙压力扩散与应力耦合时得到孔隙压力扩散系数D=(8.66±4.11) m²/s；在考虑孔隙压力扩散与应力耦合时得到扩散系数D=(1.72±0.82) m²/s。后者在物理上更为合理，说明现阶段孔隙压力扩散与应力耦合可能是诱发龙滩库区水库地震的主要因素。     

若干原地复发强震震源区的震级—频度关系

为了检验属于板内构造环境的中国大陆是否存在“特征地震”的复发行为,本文研究了10个原地复发强震震源区的震级—频度关系,其中,各震级档的地震频度均按主震之间的时间间隔归一化。结果主要表明:在单一震源或发震断裂段的震级—(对数)累积频度关系图上,中—小地震部分仍然服从于G—R(古登堡—李克特)关系(指数分布);而主要大小的(特征)地震部分明显地离开中—小地震部分的G—R关系曲线,亦即不服从于指数分布或b值模型;在这两个不连续部分之间存在1—2个震级单位的频次“空档”;而代表一个震源区主要大小地震的特征事件,其震级波动大多在0.5个震级单位左右。这些结果与Schwartz和Coppersmith(1984)提出的特征地震震级—频度模式一致。     

注水诱发微破裂的观察

大庆油田投入开发已达25年之久。由于采用高压注水驱油,近年来地层孔隙压力普遍高于原始孔隙压力0.5～1.0MP.,从而导致断层复活,直接影响了油田的高产稳产。为寻找高压注水与断层复活的关系,大庆油田与国家地震局地球物理研究所合作进行了注水诱发微破裂的观察。 1984年7月对位于大庆油田萨尔图一号断层区的10口注水井提高注水压力,加大注水量,并在约一公里远处用井下地震仪作微破裂观察。结果发现,注水量的增加与微破裂的发生有着极好的对应关系。从而进一步证实了高压注水是断层复活的直接原因。对于诱发与控制地震而言,这是一次十分重要的现场实验。     

注水诱发地震的成因及影响因素探讨

根据胜利油田东营凹陷深井注水所监测到的破裂信号特征分析,结合位于同一凹陷内的角7井注水诱发地震特征,对注水诱发地震的成因进行了探讨.注水过程中地层有无先存破裂面对所诱发的地震产生较大影响,认为诱发地震的震级与注采比和注水井的构造位置密切相关.     

龙滩水库诱发地震三维孔隙弹性有限元数值模拟

本文以龙滩水库为例,根据库区地质构造、深部速度结构及数字地面高程,建立了库区三维有限元模型,基于孔隙弹性理论计算了水库蓄水过程中库底断层和围岩体孔隙压力、有效附加正应力、剪应力和库伦应力的动态变化,并结合水库蓄水后库区地震活动时空分布的特征,讨论了RIS时空演化与库水加卸载及渗透过程的动态响应关系及其可能的成因机制.结果表明：（1） 龙滩水库蓄水后地震活动呈现出明显的丛集性,主要分布在罗妥（丛Ⅰ）、八茂（丛Ⅱ）、拉浪（丛Ⅲ）、坝首（丛Ⅳ）和布柳河（丛Ⅴ）5个水库蓄水后淹没的深水区,这些区域也恰恰是库水加卸载及渗透过程中ΔCFS增加最明显的区域,而ΔCFS的影区几乎没有地震发生,表明水库蓄水后库区地震活动与ΔCFS的变化密切相关.（2） 在水库蓄水过程中,与水库有直接水力联系且渗透性较好的断裂成为地表水体附加水头压力向深部扩散的优势通道,沿此通道附加水头压力扩散的最大深度达13 km左右,震旦系-古生界以碳酸盐岩为主的地层成为附加水头压力扩散的主体层位,这与蓄水后库区中、小地震震源深度均小于13 km,且优势分布在5~10 km的特征相吻合,表明由于孔隙压力的存在降低了岩石的抗剪强度,同时部分抵消了围压的影响,致使该层位的岩体易于产生脆性破坏从而诱发地震活动.（3） 无论是深部还是浅部,各丛地震密集发生的时段绝大部分与相应深度ΔCFS加速升高或阶段性高值时段相重叠,可能说明在库水位快速抬升或阶段性高值时段,受外部荷载加载速率快速升高的影响,库底岩体和断层、裂隙等结构面更容易实现失稳扩展;深、浅部地震响应时间、活动频度和强度的差异可能与不同层位岩体力学性质及渗透性能的不均匀性有关.（4） 各丛地震诱发的物理力学机制有所不同.丛Ⅰ、丛Ⅱ、丛Ⅲ地震的诱发可能与库体重力荷载、孔隙压力扩散和库水浸润弱化3种作用都有关;丛Ⅳ地震的诱发主要受控于库体重力荷载作用,孔隙压力扩散和库水浸润弱化不起主导作用;丛Ⅴ地震的诱发主要受孔隙压力扩散和库水浸润弱化作用的影响,库体重力荷载作用一定程度上抑制了地震的发生.     

中国大陆东部中-弱活动断层潜在地震最大震级评估的震级-频度关系模型

中国大陆东部中-弱活动断层小区的震级-频度关系符合特征地震模式,其指数函数部分(即G-R关系)的最大截距震级a/b明显偏小于当地的特征震级MC。为了能利用参数a/b间接估计断层小区潜在地震的最大震级,文中发展了综合历史与现代地震资料建立断层小区长期震级-频度关系的方法,计算出130个断层小区按t=500a归算的G-R关系参数at/b值。分析表明,断层小区已发生的最大地震震级Mmax与at/b值呈正相关,且随着at/b值的增大,最大地震震级Mmax的上限呈现较平整、单调上升的特点。已基于这种特点分别建立起华北、华东—华中、华南与东南沿海三大区域的最大地震震级上限Mmu-at/b值关系的3个经验公式,作为利用at/b值估算断层小区潜在地震最大震级的经验模型。文中应用新发展的方法与模型估计了若干断层小区的潜在地震最大震级。研究还揭示出中-小震群、余震和触发型地震序列、人为诱发地震等现代异常地震活动以及最小完整性震级的确定等均对断层小区的at/b值计算有影响     

川东南地区地震视应力时空分布特征

利用四川数字地震台网记录资料,计算2008年汶川地震后,川东南地区ML 3.0以上地震的震源动力学参数特征,分别得到视应力、应力降与震级之间、震级和地震矩之间,以及地震矩和视应力之间的定标关系。通过扣除震级影响,计算归准化视应力值的时空变化特征。得到结果如下:1从时间分布图来看,研究区4级以上地震频发时段刚好对应视应力涨落较明显时段,而该时段当地工业采矿注水活动强烈,故该区域视应力水平或许反映了工业活动对区域应力场的影响;2从空间分布图来看,自贡隆昌一带震级偏大,视应力反而偏小的现象可能与该区域应力释放不充分、构造应力水平偏低有关,未来要关注该区域发生中强地震的可能。     

内蒙古西部地区震源参数反演

基于遗传算法,采用Atkinson方法,选取2009-2017年内蒙古数字地震台网记录的内蒙古西部地区M_L ≥ 2.7地震事件波形资料,反演得到83个地震的震源参数。分析结果表明：该地区的拐角频率、地震矩、零频振幅与震级之间的相关性较好,而地震矩与应力降以及应力降与震级之间呈弱相关性,地震矩与拐角频率呈良好负相关性。其中,应力降集中分布在0.7-20 MPa,当M_L > 3.6时,随着震级增大,应力降呈现较为离散的特征。     

重庆地区小地震目录完整性分析

根据重庆台网建设的时间阶段性,在对不同震级下限地震频度时间特征分析的基础上,研究了重庆地区不同时段的G-R关系和震级分布特征,并运用z检验方法对不同时段地震目录差异的显著性进行了分析,进而评估了重庆地区1970年以来不同时段的地震目录完整性,为区域地震活动性研究中地震目录的合理运用提供参考依据。     

一种注水诱发事件及其研究的地震学意义

近年来,在我国的部分油田普遍发生了一种井孔套管的变形和断错现象,因为它与注水特别是注水压力直接相关,所以称之为注水诱发事件。观察表明,变形套管伴有明显的轴线偏移,严重者完全错断,说明岩体发生了近水平的剪切位移。套变现象与注水压力的相关性为有效应力定律提供了一种新的野外证据,对诱发地震及流体在地震过程中的作用的研究也具有一定参考价值。     

任邱油田注水地震的初步研究

任邱地区历史上地震少而弱。1976年12月油田开始注水,注水前无微震记录,注水后三个月即有地震发生,随注水量增加,地震活动增强,地震活动特点是:注水量二阶差分Δ~2y_i(正值)较高后一至三个月有地震发生;Δ~2y_i大小与地震强度相关;震中分布受注水井位置控制;地震序例b位为0.65;单台初动符号及振幅比比较一致。初步研究认为:本区岩石为多孔隙岩石,断裂较多,注水使孔隙压力增大,降低了断层面上的摩擦阻力,积累的应力便以地震形式释放。     

华北地区Benioff应变释放趋势拟合分析及预测

基于地震活动稳态发展的假设,利用华北地区各构造(地震)带1970年以来的Benioff应变累积释放序列,采用多种非线性函数对各带的应变累积释放趋势进行拟合,根据最佳拟合模型对各带未来1~3年的应变释放量进行预测,并根据各带的线性震级频度关系,计算预测的应变释放量所对应的最大震级。     

鲜水河断裂带上特征地震的初步研究

特征地震是大地震原地重复的重要表现形式.现有资料的初步研究表明,鲜水河断裂带上大地震属特征地震模式,其地震破裂长度、同震位错量以及断层错动方式,在原地保持较长时间的一致性.由于大地震屡屡在原地重复发生,沿断裂特定地段累积位错分布与一次地震的位错相一致,从而导致断层滑动速率的同步变化.本文以1973年炉霍地震为例,研究了鲜水河断裂的特征地震现象.该段的地震活动属特征地震模式,不服从古登堡-里克特的线性震级频度关系.特征地震不仅对断错地貌、滑动速率有重要的影响,由于这种地震模式是以特定震级的大地震为主导,几乎没有中等震级地震发生,这对地震活动性研究也具有重要的意义.      

孔隙压力扩散与水库诱发地震活动性的初步研究

水库诱发地震活动与水的渗透有密切关系,本文认为水库诱发地震中,前震活动主要是由于水的渗透引起孔隙压力扩散,岩石强度弱化所致。由于水库区地下岩石渗透性质的复杂性,将库区岩石介质分为均匀、非均匀渗透的两种情况,利用两相(固、液)多孔介质中孔隙压力扩散理论,分别对水库蓄水所引起的孔隙压力场进行了数值模拟计算,计算结果表明,非均匀渗透模型中水渗透所形成的孔隙压力分布与水库地震发生的空间位置对应得较好,孔隙压力峰值扩散到水库诱发地震的前震震源处的时间(1.8天～45天)与水库蓄水后引起前震活动的滞后时间大体一致。     

不同注水方式下断层动力学响应数值模拟研究

工业开采注水能导致现存断层活化,从而诱发大量的破坏型地震。因此,研究注水作用下断层的动力学响应对探索诱发地震的力学机理具有重要的意义。本文基于孔弹性弹簧-滑块模型,采用多孔介质弹性耦合数值模拟,计算分析了三类典型注水方式（上升型、迅速上升/下降型和间歇型）对断层稳定性的影响。研究结果表明:随着流体的不断注入,断层内部流体压力会经过缓慢上升、迅速上升和稳定上升三个阶段。针对于不同的注水方式,这三个阶段并不完全相同,体现形式存在差异;在注水方式相同的条件下,储层的渗透率越小,井口附近流体压力越大,断层处流体压力越小,两者间的流体压力差值越大;注水过程中断层临界刚度的变化与是否发生滑移并引发地震密切相关,数值越大越易诱发地震,其数值与注入储层流体的流体压力呈负相关,与流体压力变化率呈正相关;临界刚度由于流体压力变化率的增加在前期呈现快速增长趋势,后期则是由于流体压力的影响开始减小。迅速上升/下降型注水方式极大增加了注水前期诱发地震的可能性,间歇性注水方式在注水后期引起的临界刚度变化值较大,增大了诱发地震的可能性。该研究可以为注水诱发地震的危险性评价提供定量的科学依据。