水库诱发地震活动特征及其预测方法研究

根据国内外水库诱发地震的观测与研究震例,分析研究了一些著名水库诱发序列的地震活动特征,并根据水库诱发地震随水库蓄水时间的变化,把水库诱发地震活动归纳为迅速响应型、延迟响应型和混合响应型三类,分析讨论了这三类水库诱发地震活动在时间和空间分布上的不同特点,并在此基础上综合分析了水库诱发地震预测方法研究的技术途径.     

基于遗传模糊层次分析法的水库诱发地震综合风险评价指标体系筛选模型

水库诱发地震综合风险评价指标体系反映了水库诱发地震风险因子与研究地区整个社会经济系统的复杂交互作用关系,建立该指标体系需要地震学、社会学、经济学、管理学和工程学的综合集成研究。根据水库诱发地震与所在地区社会经济系统交互作用的机理分析,提出了由危险性、易损性、减灾能力、灾情4个子系统组成水库诱发地震综合风险系统。由这些子系统及其二级评价指标组成水库诱发地震综合风险评价的初步指标体系,再利用专家咨询信息,采用遗传模糊层次分析法筛选该初步指标体系,从而建立了水库诱发地震综合风险评价指标体系。该指标体系可用于水库诱发地震综合风险评价,为构建水库诱发地震综合风险预警系统提供了重要的技术基础。     

对水库诱发地震研究的几点认识

回顾了过去半个多世纪水库诱发地震观测与研究的进展,分析了当前水库诱发地震研究面临的主要问题,认为进一步积累资料、确定水库诱发地震的关键影响因子、采用观测和实验手段研究水库诱发地震机理,并在此基础上研究有效的水库诱发地震预测技术,是今后水库诱发地震研究的重点.     

水库地震——人类工程活动诱发的灾害

本文综合叙述了水库地震诱发灾害的一般特征和水库地震预测的研究现状,并应用几种不同的预测方法对长江三峡水库诱发地震的可能性及可能发震水平进行了预测.     

全球油气开采诱发地震的研究现状与对策

人工诱发地震现象已经有很久的历史.水库蓄水、采矿、地热开发、从地下提取液体或气体,或将液体注入地球内部都可能诱发地震.大量地震监测数据与科学分析结果显示:美国俄克拉何马州的地震剧增主要与页岩油气开采的废水回注量相关;加拿大阿尔伯塔省的地震剧增主要与页岩油气开采水力压裂的工作量相关;而荷兰罗宁根天然气田的传统天然气开采也同样诱发了较强的地震活动.在中国四川盆地的页岩油气开发区域,地震活动近几年也大幅度增强,但目前监测与科研工作较少,对某些地震成因尚有争议.目前研究诱发地震问题已成为学术界与工业界的一门专业学科.推断诱发地震,除了分析时空分布与工业活动的相关性之外,本文综述了该领域基于地震学、地质动力学、构造地质学的多种分析方法.如何在油气开采过程中减少诱发地震的灾害影响成为当前相关各界极为关注的科研问题,本文介绍了多个国家或地区建立的控制诱发地震的管理系统、基于地震大数据的诱发地震概率预测方法,以及基于地球物理与地质信息的综合诱发地震风险评估方法,并对我国控制诱发地震问题提出建设性意见.     

全球干热岩资源开发诱发地震活动和灾害风险管控

干热岩地热资源作为一种绿色可再生的新型能源,其开发利用已成为当前世界各国尤其是发达国家能源战略的重要组成部分.但由于干热岩位于地壳浅部3～10 km,在采用增强型地热系统(EGS)等通用开发方式过程中,伴随着地壳应力状态的扰动,部分开采项目发生较大震级的诱发地震事件,甚至造成明显灾害、引起社会问题,亟待实现科学利用和风险管控.鉴于此问题在平衡能源开发战略和社会安全领域的重要性和关键性,本文梳理了全球干热岩开采诱发地震的总体情况、典型案例,整理了在成因和机理研究、地震灾害风险管控和缓解等方面的研究进展.综合分析结果表明,已有EGS项目案例中诱发地震震级超过3.0的达到31.2％、主要与断层活化有关,最大的诱发地震可发生在注水压裂、关井后、循环生产等各阶段.干热岩开采诱发地震有多种成因,已有案例多为多种成因共同作用,其中的关井后的尾随效应是目前重大难点.目前世界各国已开展了广泛的诱发地震机理研究并探索多种减灾措施,认为累积注水体积、注水速率与最大诱发震级之间不存在普适性的定标关系,前瞻性预测需要采用"一井一策"的方式.在缓解诱发地震灾害风险上,普遍采用科学的流体注入策略、对注采策略进行验证校准、持续开展地震活动监测等系列措施.此外,对储层的临界应力状态和应力时空演化的量化描述、地热储层内的先存断层与裂缝的探测识别、可有效管控地震发生的流体注入策略等,是当前干热岩资源开发减轻地震风险的主要技术难点,而利用地热储层实时感知信息技术、采用新的注入热交换载体、发展前瞻性的地震预测方法是该领域目前重点关注的技术方向.根据我国的干热岩资源开发和减轻地震灾害风险的实际情况,亟待建立开采场地安全性和灾害风险评价、多学科的地震监测网络和分析技术、地震灾害风险管控红绿灯系统等技术体系,并加强关井后的尾随现象、多场耦合等科学问题的基础研究.     

水库“规模”与水库地震震级的关系

水库诱发地震是水利工程建设的难题之一。水库本身不仅对于诱发地震起“触发器”的作用,而且水库的“规模”对于诱发地震震级也有重要影响。不同的作者用“库深”、“库容”或“水库面积”来表征水库的“规模”。根据30个震例资料对于上述三个表征水库“规模”的参数分别与最大诱震震级M进行相关分析,发现它们的相关系数都很低.因此作者提出联系上述三个参数并代替它们的“综合影响参数E”,并证明E—M之间相关系数较高.给出的E—M统计关系式证明水库地震的可能最大震级是7级左右。     

于多道包络能量叠加的微地震事件自动识别方法

地面监测的微地震数据主要包含两个部分:人工形成的射孔数据和压力诱发的微地震数据.从微地震监测理论出发,微地震事件准确识别直接影响微地震信号初至拾取的精度.针对常规微地震信号初至拾取方法存在漏检及误检的弊端,提出了多道包络能量叠加技术的微地震事件自动识别方法.针对存在射孔数据的情况,详细论述了多道包络能量叠加技术的微地震事件自动识别方法的过程,采用模拟数据证明了基于射孔信号的微地震事件自动识别方法的可靠性.其次,采用一系列微地震正演模拟数据进行大量实验,验证基于多道包络能量叠加技术的微地震事件自动识别方法的可靠性.最后,通过实际微震压裂数据验证了新方法的可行性与正确性.     

横渡水库诱发地震危险性分析

通过横渡水库所在区域地震构造背景、水库影响区及库区断裂活动性等方面的研究,采用构造类比法对横渡水库诱发地震的可能性进行讨论和分析,最终给出横渡水库诱发地震的可能性以及一旦诱发地震的最大震级,为水库建成后,可能出现的水库诱发地震问题提供科学依据.     

地震引发滚石灾害及其基本特征研究

通过对已有地震资料的搜集、整理和综合分析,研究了地震滚石灾害的致灾方式、诱发环境条件及发生模式,总结得出地震引发滚石灾害的基本特征,提出了解决地震滚石灾害的可行性方法和思路,以期能为相关研究工作提供参考.     

RELIABILITY BASED ANALYSIS ON RESERVOIR INDUCED EARTHQUAKES

Reservoir induced earthquakes (RIE) are caused by impoundment of reservoir,with the characteristics of small magnitude and shallow focal depth,but they can also lead to not only economic loss,but also many serious secondary disasters,such as dam destruction,landslide,producing greater damages far more than the damages directly produced by earthquakes.So study on RIE is quite significant in the field of dam construction,thus more attentions should be paid to RIE.There are many factors to induce reservoir earthquakes,such as geological condition,rock mass mechanical index,state of crustal stress,pore pressure distribution,all of which are extremely difficult to measure due to the presence of many randomness;even if applying most advanced methods to measure them,the values fluctuate in great range,without a certain value in time and space.The great variety of these parameters gives rise to troubles to analyze RIE by deterministic approaches.How to handle the randomness of these factors has become vital problem in the field of RIE research.In this study,based on probability theory,and taking the main influence factors as stochastic variables,a new method to analyze probability of RIE was proposed by applying reliability theory.Firstly,the factors inducing reservoir earthquakes were analyzed,of which pore pressure in fault caused by water impounding of reservoir plays a vital role in triggering earthquakes.Then,taking these factors,including attitude,friction coefficient,cohesion of fault plane,stress state of fault plane and pore pressure in fault,as stochastic variables,performance function of triggering earthquakes was established by applying Coulomb stress on the fault plane,and reliability theory was used to analyze probability of earthquake induced by main factors.A special case analysis showed that:(1) The probability of induced earthquakes dramatically increases as pore pressure in fault increases;under the condition of equal pore pressure at triggering earthquakes area,probability of induced earthquakes obviously rises with enlarging of variation of pore pressure;(2) those faults with strike approximately parallel to horizontal maximum principal stress direction or with steep dip angle about more than 60° are prone to inducing earthquake;(3) as horizontal minimum principal stress increases,which has greater effect on induced earthquakes than horizontal maximum principal stress,probability of induced earthquakes becomes lower and fault keeps in more stable condition;(4) probability of induced earthquakes gradually decreases with the increase of friction coefficient and cohesion of fault plane;However,the effect of friction coefficient on induced earthquakes is much greater than the cohesion of fault plane.     

Fault detection based on microseismic events

In unconventional reservoirs, small faults allow the flow of oil and gas as well as act as obstacles to exploration; for, (1) fracturing facilitates fluid migration, (2) reservoir flooding, and (3) triggering of small earthquakes. These small faults are not generally detected because of the low seismic resolution. However, such small faults are very active and release sufficient energy to initiate a large number of microseismic events (MEs) during hydraulic fracturing. In this study, we identified microfractures (MF) from hydraulic fracturing and natural small faults based on microseismicity characteristics, such as the time–space distribution, source mechanism, magnitude, amplitude, and frequency. First, I identified the mechanism of small faults and MF by reservoir stress analysis and calibrated the ME based on the microseismic magnitude. The dynamic characteristics (frequency and amplitude) of MEs triggered by natural faults and MF were analyzed; moreover, the geometry and activity types of natural fault and MF were grouped according to the source mechanism. Finally, the differences among time–space distribution, magnitude, source mechanism, amplitude, and frequency were used to differentiate natural faults and manmade fractures.     

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。     

南北地震带北部5次（1561~1920年）M≥7级地震触发关系研究

以南北地震带北部的青藏高原东北边缘与华北构造区过渡部位为例,通过建立地震构造模型,计算静态库仑破裂应力改变量（ΔCFS）,研究了该区1561~1920年360年间5次M≥7级地震之间的触发过程.结果表明,在1561年罗山东麓7¹/₄级地震之后,下一次地震无一例外地发生在前面地震产生的应力触发区（ΔCFS>0）.在4条被触发的发震断裂中,有3条发震断裂的平均ΔCFS>0.2×10⁵ Pa,最大可达0.62×10⁵ Pa,超出目前普遍认为触发应力阀值（0.1×10⁵ Pa）.根据断裂库仑破裂应力变化量（ΔCFS）和构造应力累计率（δτ）,计算获得了下一次地震发生的提前量（ΔT）,地震活动提前量最大可以达到160a.在一条重要活动构造带或地区上,一次地震发生对下一次地震的触发缩短了地震重复发生所需要的累积时间,使得地震可以提前发生,这一方面使得某一特定的发震断裂在时间尺度表现出准周期性,另一方面使得空间上不同发震断裂的地震活动表现出丛集发生的现象.此项研究有助于认识断裂间相互作用特点、揭示地震丛集发生规律以及预测未来地震危险区.     

Pore fluid pressure effects in anisotropic rocks: Mechanisms of induced seismicity and weak faults

Many observations and studies indicate that pore fluid pressure in the crustal rocks plays an important role in deformation, faulting, and earthquake processes. Conventional models of pore pressure effects often assume isotropic porous rocks and yield the nondeviatoric pressure effects which seem insufficient to explain diverse phenomena related to pore pressure variation, such as fluid-extraction induced seismicity and crustal weak faults. We derive the anisotropic effective stress law especially for transversely-isotropic and orthotropic rocks, and propose that the deviatoric effects of pore fluid pressure in anisotropic rocks not only affect rock effective strength but also cause variation of shear stresses. Such shear stress variations induced by either pore pressure buildup or pore pressure decline may lead to faulting instability and trigger earthquakes, and provide mechanisms for the failure of crustal weak faults with low level of shear stresses. We believe that the deviatoric effects of pore fluid pressure in anisotropic rocks are of wide application in studies of earthquake precursors and aftershocks, oil and gas reservoir characterization, enhanced oil recovery, and hydraulic fracturing.     

松潘-甘孜块体东北端强震间相互作用及地震危险性研究

松潘-甘孜块体位于中国大陆西南部、南北地震带的中段,其东段与扬子块体相接,拥有多条活动断裂带,是青藏高原北部的主要构造单元.该地区地震活动性强烈,历史上曾发生过多次灾难性地震.本文基于地震触发原理和黏弹松弛分层地壳模型,计算了松潘-甘孜块体东北端历史强震之间应力传输和相互作用的过程.模型结果显示,受之前地震导致的库仑应力场变化的影响,1879年武都地震和1976年8月23日松潘M7.2级地震震中库仑应力积累提升,将促进这些地震提前发生;1933年M7.5叠溪地震和1973年M6.5松潘地震震中库仑应力降低,前续地震的影响可能使得这两次地震的发震时间推迟;在研究历史地震对1960年漳腊M6.7级地震、1976年8月16日M7.2级和1976年8月22日M6.7级松潘地震的作用时,有效摩擦系数的取值十分重要,当有效摩擦系数取0.8时,前续地震导致的应力场变化将促进以上三次地震的发生.松潘-甘孜块体东北端的强震活动有效地增强了西秦岭北缘断裂、东昆仑断裂玛沁-玛曲段、鲜水河断裂康定-道孚段和岷江断裂中段上的库仑应力积累,将提升这些断裂今后发生地震的概率;有效降低了龙日坝断裂上库仑应力的积累,降低了该断层上发生地震的概率.松潘-甘孜块体的地震活动降低了汶川地震震中位置的库仑破裂应力,但提升了破裂面东北段的应力积累,有助于汶川地震向东北端破裂.     

华北地区震前断层水平异常活动特征

分析了首都圈及邻近地区跨断层基线测量资料, 研究了唐山、大同及张北地震前后断层水平异常活动特征。结果表明, 震前在震中外围存在显著的断层水平异常活动, 监测断层水平活动是地震预测的有效手段; 同一测点震前断层水平异常活动具有相似性特征; 唐山地震前在震中附近一定范围内出现的断层水平异常活动, 具有断层预位移性质。     

Fluid-induced seismicity: Pressure diffusion and hydraulic fracturing

Borehole fluid injections are common for the development of hydrocarbon and geothermic reservoirs. Often they induce numerous microearthquakes. Spatio-temporal dynamics of such induced microseismic clouds can be used to characterize reservoirs. However, a fluid-induced seismicity can be caused by a wide range of processes. Here we show that linear pore pressure relaxation and a hydraulic fracturing are two asymptotic end members of a set of non-linear diffusional phenomena responsible for seismicity triggering. To account for the whole range of processes we propose a rather general non-linear diffusional equation describing the pore pressure evolution. This equation takes into account a possibly strong enhancement of the medium permeability. Both linear pore pressure relaxation and hydraulic fracturing can be obtained as special limiting cases of this equation. From this equation we derive the triggering front of fluid induced seismicity, which is valid in the general case of non-linear pore pressure diffusion. We demonstrate corresponding seismicity signatures on different case studies.     

2017年MW6.5九寨沟地震激发的同震库仑应力变化及其对周边断层的影响

2017年8月8日21时19分在我国四川省北部阿坝州九寨沟县发生了M_W6.5左旋走滑型地震.该地震发生在青藏高原巴颜喀拉块体东北缘,东昆仑断裂南东段的塔藏断裂、岷江断裂和虎牙断裂的交汇地带.包括此次地震,近年来在巴颜喀拉块体周缘已发生了九次6级以上强震,表明巴颜喀拉块体周缘主要活动断裂上的应力水平仍处于不断调整之中.本文采用库仑应力模型研究2017年M_W6.5九寨沟地震激发的库仑应力变化、该地震与周边地震的应力触发关系以及强震对周边主要活动断裂的应力扰动.强震序列包括周边区域1536-1975年M≥6历史强震和1976-2017年的M_W≥ 6 gCMT地震目录中的强震,共计32个.研究结果表明：（1）2017年M_W6.5九寨沟地震激发的同震库仑应力变化仅在局部范围内超过0.1×10⁵Pa,且75%的余震（~12.7天）受到该地震明显的同震应力触发作用,而其余25%的余震落在应力影区,采用最优破裂面可以进一步提高同震库仑应力变化与余震分布的空间相关性;（2）2008年M_W7.9汶川地震对2017年M_W6.5九寨沟地震的发生有一定的促进作用,在后者震源处激发的同震库仑应力变化为（0.026~0.263）×10⁵Pa,震后黏弹性库仑应力变化为（0.010~0.032）×10⁵Pa.该库仑应力的变化范围取决于汶川地震源断层参数和九寨沟地震接收断层参数.2013年M_W6.6芦山地震对九寨沟地震的发生几乎没有影响（< 0.001×10⁵Pa）;（3）1654年M8.0甘肃天水南地震对九寨沟地震的发生有明显的促进作用,在九寨沟地震震源处激发的同震库仑应力变化为（0.410~1.266）×10⁵Pa,震后库仑应力变化为（0.147~0.490）×10⁵Pa.1879年M8.0甘肃武都地震可能有比1654年M8.0甘肃天水南地震更强的应力触发作用,但也有可能对九寨沟地震的发生起到抑制作用.在选取的8个九寨沟地震接收断层面上,其中6个接收断层面上该地震所激发的同震库仑应力变化为（0.913~2.364）×10⁵Pa,2个接收断层面上该地震所激发的同震库仑应力变化为（－1.326~－0.454 ）×10⁵Pa;在4个接收断层面上震后库仑应力变化为（0.094~1.072）×10⁵Pa,在另外4个接收断层面上震后库仑应力变化为（－1.593~－0.106）×10⁵Pa.1933年四川叠溪地震对九寨沟地震的发生影响较弱,其所激发的同震库仑应力变化为（0.015~0.080）×10⁵Pa,震后库仑应力变化为（－0.029~0.025）×10⁵Pa;（4）九寨沟地震仅在其附近的岷江断裂北段、塔藏断裂和虎牙断裂南段造成较明显的同震库仑应力变化,其分别为0.09×10⁵Pa、（0.14~2.03）×10⁵Pa和0.25×10⁵Pa.而进一步顾及其余31个强震的库仑应力作用则发现,同震库仑应力增加非常显著的主要活动断裂分段为：岷江断裂北段南侧和岷江断裂南段的库仑应力变化分别升高5.6×10⁵Pa和9.8×10⁵Pa.鲜水河断裂北段南侧库仑应力升高23.0×10⁵Pa,鲜水河断裂南段道孚-康定段的北侧库仑应力升高9.0×10⁵Pa,而最南端库仑应力升高3.0×10⁵Pa;龙门山断裂带中段的北侧库仑应力变化为（6.1~7.4）×10⁵Pa,中段库仑应力增加（2.1~11.5）×10⁵Pa;西秦岭北缘断裂东段库仑应力变化为4.4×10⁵Pa;龙日坝断裂北段最北侧的库仑应力变化为2.0×10⁵Pa;小金河断裂北段库仑应力变化为1.7×10⁵Pa;安宁河断裂北段库仑应力变化为1.6×10⁵Pa;（5）由于下地壳和上地幔的黏弹性松弛作用,所有强震在九寨沟地震震后20年造成的黏弹性库仑应力变化在鲜水河断裂、龙门山断裂中段、塔藏断裂以及秦岭南缘断裂西段比较显著,其分别为：（1.0~3.0）×10⁵Pa、2.8×10⁵Pa、（2.3~2.7）×10⁵Pa和0.9×10⁵Pa.但总体上黏弹性库仑应力变化没有改变各断裂上的同震库仑应力变化空间分布.总的库仑应力变化在鲜水河断裂北段南侧和南段的道孚至康定段北侧、龙门山断裂中段北侧、岷江断裂南段和北段南侧、虎牙断裂、塔藏断裂以及西秦岭北缘东段很显著（均超过4×10⁵Pa）.由于库仑应力明显升高可能预示着地震潜在危险性增强,因此这些断裂分段可能将来需要重点加以关注.