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青藏高原所发现注水诱发地震受控于区域结构构造

诱发地震是由于人类活动造成的自然灾害,目前已经成为地震学研究的热点之一,常见的诱发地震包括水库诱发地震,页岩气开采注水压裂诱发地震,石油开采中的废水回灌诱发地震。诱发地震虽然与资源能源开采利用息息相关,但容易造成自然环境的改变,形成一定的灾害。研究诱发地震的形成原因对在资源能源开采过程中尽可能避免产生自然灾害具有非常重要的意义。

东方网·纵相新闻记者 叶承琪

惊鸿一瞥,成都就是这样让人惊艳,不经意间留给历史浓墨重彩的一笔。2300多年来,历史名城成都“城名未改、城址未变、中心未移”,古老而灿烂的天府文化在此发源孕育。

近日,中国科学院青藏高原研究所高原抬升与大陆碰撞实验室研究员裴顺平及其合作者以奥克拉荷马州诱发地震为例,研究了诱发地震产生的根本原因。结果显示,近年来在该区发生的多次5级以上地震,与盆地基底结构密切相关。高分辨率地震波速度和各向异性联合层析成像结果表明,盆地基底存在多条隐伏大断裂或地质边界,大地震甚至4级以上中强地震都发生在该断裂带。注水只是诱发因素,能否发生大地震,主要由地下结构构造起控制作用,并不是注水多的地方一定产生大地震。研究结果建议在注水前调查清楚地下结构构造,尽可能地避开地下大断裂。

2019年2月24日清晨5时38分,四川省自贡市荣县居民被一阵强烈震感震醒,两小时后,四川地震局通报出炉:荣县发生4.7级地震,震源深度5千米。

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研究结果以Locations of Injection-Induced Earthquakes in Oklahoma
Controlled by Crustal Structures
为题发表于Journal of Geophysical
Research: Solid Earth
(Pei, S., Peng, Z., & Chen, X. . .
org/10.1002/2017JB014983),并选为当期的封面文章。

这只是“地震波”的序曲:第二天早上8时40分,荣县又发生了4.3级地震,同天下午13时15分,该地遭遇了一次4.9级地震,至少造成了2人死亡,两次震源深度都达到了5千米。

原来的成都市包括龙门山小部分和狭义的成都平原,面积12098平方千米。但由于简阳归入成都市,成都已经跨过龙泉山向东发展,突破了成都平原东界龙泉山的限制,大于狭义上的成都平原。

论文链接

四川地震局随即通过研判表示,近期荣县还会有5级左右的地震。

狭义的成都平原是以都江堰为顶点,以成都市区为中心的岷江、沱江冲击形成的冲积扇平原,仅指都江堰、绵竹、罗江、金堂、新津、邛崃为边界的岷江、沱江冲积平原,面积约8000平方千米。

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JGR期刊封面:地下结构、地震和注水的分布关系

几乎是在同时,“荣县页岩气开采才导致地震频发”的说法,迅速在社交媒体上蔓延了起来:多位家住荣县或附近城市(内江市、威远市等等)的网友称,该地区的地震是在页岩气开采之后才频繁发生,在此之前,自贡等地几乎没有发生过震感明显的地震。

受青藏高原东缘川青块体持续向南南东方向蠕散和四川盆地西缘加载的影响,盆地内部沿沉积盖层中的软弱层也发生了由西向东方向的滑脱,于一些特殊的构造部位形成逆断层—褶皱构造山体,形成成都西北的龙门山和东边的龙泉山。龙门山既是成都平原的西界也是四川盆地的西界,而龙泉山也是成都盆地的西界、川中和川西的分界线,在构造上龙泉山也是分区界线。

页岩气,这个对中国人还尚属陌生的字眼,近些年已经变成了全球能源开发领域的“宠儿”,是中国和欧美地区对之寄予厚望的资源勘探项目。但开采页岩气的主流方法——水力压裂法,会增加地区的地震风险,这也是国际学界基本达成的共识。

龙门山断裂由龙门山后山断裂(汶川—茂县—平武—青川)、龙门山主中央断裂(映秀—北川—关庄,属于逆—走滑断裂)、龙门山主边界断裂(都江堰—汉旺—安县,属于逆冲断裂)三条断裂带组成。这是一条地震多发带,汶川大地震就发生在映秀—北川主中央断裂带上。青藏高原东缘地区的最新构造变形组合样式,对地震的发生具有重要的控制和制约作用。7级以上大地震通常发生在切割深度较大的龙门山构造带内,震源位于深部水平拆离带向上转折的断坡翘起处。盆地内部的逆断层—褶皱构造,由于断裂切割深度较小,不可能积累更大的应变能,发震能力通常在5~6级左右,震源亦位于水平滑脱层向上翘起的逆断层断坡处。这就是青藏高原东缘地区最新构造变形与地震活动总貌。

然而,此次震级颇高、频率颇大的荣县地震,是否真的与页岩气开采有直接关联,目前仍是各方争论的焦点。

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龙泉山断裂由西坡断裂和东坡断裂组成。龙泉山西坡断层由北而南有草山断层、金鸡寺断层、龙泉驿断层、四方山断层、三星场断层、观音堂断层和新桥断层,呈雁列展布。断层总体走向北20°~30°东,局部弯曲,断层多倾向南东,倾角20°~70°,为逆断层。龙泉山东坡断层由北而南有合兴乡断层、大梁子断层、红花塘断层、久隆场断层、尖尖山断层、马鞍山断层、文公场断层、仁寿断层,共同组成多字型雁列。走向北10°~30°,断面多倾向北西,倾角28°~82°,平面上呈舒缓波状弯曲,呈压性。龙泉山断裂带属一条早更新世有明显活动,中、晚更新世有活动的断层,具有明显的分段特征。

荣县附近的县市分布

四川省地质矿产勘查开发局物探队1991年完成的《成都市城市物探工作报告》,推断了6条隐伏断裂。1985年该队完成的《成都平原水文物探工作报告》,主要是引岷江水入沱江后对成都平原地下水的调查,几乎覆盖整个狭义上的成都平原。最重要的是,该调查获取了经过成都市的都江堰—郫县—成都—龙泉堆积物厚度变化剖面,奠定了整个成都市的整体框架,为以后的各种工作提供了理论指导。

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1.
页岩气是一种十分宝贵的非常规能源,中国已将其列入重要的清洁能源基础产业。我国页岩气的矿储量十分丰富,其中,荣县所在的川南地区更是页岩气开发的重点区域。

可以看出,成都平原基底的主体部分为成都拗陷,其基底构造可分为西部边缘构造带、中央洼陷及东部边缘构造带三部分。

2.
但用水力压裂法开采页岩气会增加地震风险,这种观点已经基本得到了学界认可,其主要原理为,开采页岩气的生产用水废弃后回注地层深处,会引发地震活动。在其他国家就曾发生过类似情况,当地政府采取了暂停进行水力压裂,或控制生产用水排出量的方法,有效缓解了地震频发问题

燕山运动形成了成都拗陷及以此拗陷为基础的成都平原的雏形。喜山早期运动,成型了成都平原的基底断陷盆地。强烈的喜山晚期运动,特别是北东向至北东东向构造的继承性活动,在成都拗陷的基底上加强了一系列次一级的北东至北东东向凹陷带及其间的隆起带,大幅度地改造了平原的基底形态。

3.
对于荣县地震,四川地震局给出的官方说法是,这很可能是由于自然原因导致的构造地震,因为人工开采页岩气活动到不了5千米的震源深度。但对于造成荣县地震的准确原因,地震局称“需要更多研究才能确定”。

由于蒲江—新津—成都—德阳断裂带的存在和作用,可将平原沿北北东向相对划分为两个沉积分区。断裂带以西为中央洼陷区,主要分布沉积了厚度大、层序全的第四系各地层;断裂带东为成都东部台地等为相对隆起区。

页岩气是什么?

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页岩气(shale
gas),顾名思义,是一种蕴藏于页岩地层之中的非常规天然气(unconventional
gas)资源。

上世纪中期时,由于页岩气的开采技术尚不成熟,这片具有巨大潜力的资源宝藏一直被严重低估,页岩气的商业开采一直被认为是“无法实现的”。

直到上世纪八十年代,全球环境和能源危机初露苗头之际,面对着传统天然气储量下滑,美国想起了这个潜在的宝库,开始发展相关水力压裂、水平钻井的技术。