何登發(fā)，魯人齊，黃涵宇，王曉山，姜華，張偉康

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100045；3.河北省地震局，石家莊 050021；4.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)時(shí)，由于注入頁(yè)巖地層中的高壓流體改變了地層流體壓力，引起地應(yīng)力環(huán)境改變，從而在某些方向產(chǎn)生破裂（裂縫系統(tǒng)），這是水力壓裂的基本原理。這些破裂可能引發(fā)微震（地震震級(jí)小于 3.0），但是這類(lèi)微地震是瞬時(shí)的，不具有持續(xù)性，而且微地震的級(jí)別一般都很低。在石油工業(yè)中，常利用微地震監(jiān)測(cè)來(lái)判斷水力壓裂的效果，微震產(chǎn)生的信號(hào)被用于裂縫監(jiān)測(cè)和頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)，水力壓裂引起的微震級(jí)別一般遠(yuǎn)小于里氏（M）0.5級(jí)。

頁(yè)巖壓裂是否會(huì)引起中等強(qiáng)度（0.5≤M<7.0）以上的地震，目前對(duì)此存在很大爭(zhēng)議。Atkinson等[1]，Bao 和 Eaton[2]，Lei等[3-4]，Meng等[5]等學(xué)者認(rèn)為壓裂能引起3～5級(jí)的地震。在美國(guó)中部壓裂作業(yè)較多的州，如俄亥俄州、俄克拉荷馬州有一些地震被認(rèn)為是壓裂誘發(fā)地震[6-7]，甚至開(kāi)發(fā)管理中廢水注入也被認(rèn)為可能導(dǎo)致地震[3,8]。Bao和Eaton[2]認(rèn)為在西加拿大盆地壓裂致震較為普遍。但目前對(duì)誘發(fā)地震是否能引起中等強(qiáng)度以上地震等仍不太清楚。

四川盆地西南部的長(zhǎng)寧背斜既是天然地震多發(fā)區(qū)，也是頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)區(qū)，近年來(lái)發(fā)生多起中等強(qiáng)度的地震，目前對(duì)這幾次地震的成因爭(zhēng)議很大；本文以長(zhǎng)寧背斜為例分析頁(yè)巖壓裂是否會(huì)誘發(fā)中等強(qiáng)度以上地震。該背斜自2011年開(kāi)始開(kāi)展頁(yè)巖氣勘探，2014年以來(lái)采取大規(guī)模頁(yè)巖壓裂作業(yè)。自有地震記錄以來(lái)，該背斜區(qū)始終是一個(gè)地震多發(fā)區(qū)，2018年12月16日、2019年1月3日分別發(fā)生了5.7級(jí)和5.3級(jí)地震。那么，這些地震究竟是天然地震，還是壓裂誘發(fā)地震？這對(duì)該區(qū)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)具有重要意義。本文立足于該區(qū)地震分布特征，利用2018年12月16日興文和2019年1月 3日珙縣地震序列的震相報(bào)告，采用雙差定位方法對(duì)其進(jìn)行重新定位；應(yīng)用該區(qū)大量的鉆井與高分辨率反射地震勘探資料，開(kāi)展構(gòu)造解析，通過(guò)建立長(zhǎng)寧背斜的構(gòu)造幾何學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析該區(qū)斷裂的展布規(guī)律，試圖從構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的角度探討發(fā)震斷層的發(fā)育特征，對(duì)該區(qū)地震成因機(jī)制進(jìn)行探討。

1 區(qū)域地震活動(dòng)規(guī)律及長(zhǎng)寧背斜區(qū)地震定位

1.1 歷史地震分布特征

中國(guó)南北地震帶北起鄂爾多斯地塊西緣，跨越秦嶺，穿過(guò)龍門(mén)山，再沿著安寧河—小江斷裂帶向南延至緬甸境內(nèi)，成為分割中國(guó)大陸東部相對(duì)穩(wěn)定的鄂爾多斯高原、四川盆地和華南地塊等與青藏高原東、南緣之間的邊界活動(dòng)構(gòu)造帶[9-10]，而川西南地區(qū)正處于南北地震帶南段的東側(cè)邊緣（見(jiàn)圖1、表1）。

圖1 川西南及鄰區(qū)地震分布特征

四川盆地主要活動(dòng)斷裂帶主要分布在川北與川西的造山帶和盆山過(guò)渡帶，川西南地區(qū)斷裂活動(dòng)性并不強(qiáng)[11-15]（見(jiàn)圖1）。然而，在中國(guó)一些新構(gòu)造和現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)較弱的地區(qū)，晚第四紀(jì)斷裂活動(dòng)不甚明顯、但在第四紀(jì)仍弱活動(dòng)的斷裂，也可能發(fā)生中等強(qiáng)度的破壞性地震[14]。

表1 川西南地區(qū)1970年前有歷史記錄地震（M≥4.0）分布[16]

顧功敘搜集了公元前1831年至公元1969年間中國(guó)發(fā)生的地震（M≥4.0）記錄[16]，可以發(fā)現(xiàn)川西南地區(qū) 1970年前 4.0級(jí)以上的地震記錄多達(dá) 9次（見(jiàn)表1），最大震級(jí)為5.8級(jí)。

值得注意的是，表1中歷史文獻(xiàn)記錄的地震具體震級(jí)和深度不可能完全準(zhǔn)確，但震中位置通常為宏觀(guān)震中，有當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)的震級(jí)烈度調(diào)查和破壞記錄，范圍不會(huì)有太大偏差。

根據(jù)國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心提供的地震目錄，本文分析了四川盆地及其周緣1970年1月至2010年12月的地震（M≥3.0）分布（見(jiàn)圖2）。這30年期間該地區(qū)先后發(fā)生了幾次7.0級(jí)以上的大地震，如1974年永善地震，1976年松潘地震和2008年汶川地震。川西南地區(qū)3.0級(jí)以上地震也比較頻繁。

圖2 四川盆地及其周緣1970年1月—2010年12月地震（M≥3.0）分布

圖3給出了四川盆地及其周緣2011年1月到2019年5月的地震（M≥3.0）分布。這9年期間先后發(fā)生了兩次7.0級(jí)地震，分別為2013年的蘆山地震和2017年的九寨溝地震。

圖3 四川盆地及其周緣2011年1月—2019年5月地震（M≥3.0）分布

對(duì)川西南地區(qū)2011年1月至2019年5月24 922個(gè)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)圖4），2.0級(jí)以下的地震震源深度主要分布在5 km以淺，3.0級(jí)以上的地震共115個(gè)，震源深度主要分布在10 km以淺。四川盆地及其周緣3.0級(jí)以上地震主要分布在10～20 km深度范圍（見(jiàn)圖5）。

圖4 川西南地區(qū)2011年1月—2019年5月地震（M≥0.1）分布

圖5 龍門(mén)山南段—華鎣山沿L1剖面1970—2019年地震（M≥3.0）分布（剖面位置見(jiàn)圖3）

1.2 區(qū)域地震活動(dòng)規(guī)律

由圖1、圖2可見(jiàn)，川西南地區(qū)的地震分布具有面狀展布的特點(diǎn)，即地震不局限于某一、某幾個(gè)構(gòu)造帶，控制川西南地區(qū)地震活動(dòng)的構(gòu)造變形具有分布式變形的特點(diǎn)。在這一大背景下，沿幾條活動(dòng)斷層的地震帶分布具有集中優(yōu)勢(shì)：盆緣主要沿龍門(mén)山、鮮水河、三江帶等發(fā)育；在盆地內(nèi)部，沿龍門(mén)山山前隱伏斷裂帶、浦江—新津斷裂、龍泉山斷裂帶、滎經(jīng)—馬邊斷裂與華鎣山西側(cè)斷裂帶較為發(fā)育（見(jiàn)圖2）。但從盆地內(nèi)部的地震剖面解析可知，上述斷裂帶均具有滑脫性質(zhì)，多在下三疊統(tǒng)嘉陵江組或中三疊統(tǒng)雷口坡組膏鹽巖地層中發(fā)生滑脫，并不是下切到基底的深斷裂帶。

地震震源的分布統(tǒng)計(jì)表明，震源層深度主要為10～20 km（見(jiàn)圖5），這表明地震多發(fā)生在四川盆地的基底之中，20～30 km深度范圍也有相當(dāng)多的地震分布，而淺層（5 km以淺）的地震震級(jí)多在2.0以下，中級(jí)及以上地震很少。

1.3 長(zhǎng)寧背斜區(qū)地震深度重新定位

筆者由“地震編目系統(tǒng)”下載了四川長(zhǎng)寧地區(qū)2018年12月16日5.7級(jí)地震和2019年1月3日5.3級(jí)地震序列的震相報(bào)告，采用比較成熟的雙差定位方法對(duì)兩次主震及其余震序列進(jìn)行重新定位。目前，雙差定位方法是國(guó)際上比較通用的方法[17-18]，主要使用震相到時(shí)進(jìn)行定位，縱波到時(shí)權(quán)重為1.0，橫波權(quán)重為0.5。

速度模型分為淺層（5 km以淺）和深層（5 km以深）綜合模型。淺層速度模型依據(jù)四川盆地大量鉆井和石油勘探地震反射數(shù)據(jù)合成的縱波速度信息，對(duì)地層淺層速度刻畫(huà)非常精細(xì)[19]；深部速度模型則參考了四川盆地東部2018年12月16日至2019年3月31日期間的1 990次地震事件地殼上地幔平均速度模型[20]。對(duì)研究區(qū)進(jìn)行地震重新定位（見(jiàn)圖6）發(fā)現(xiàn)，重新定位后的殘差值減小，表明重定位后精度有所提高。

重定位結(jié)果顯示（見(jiàn)表2），2018年12月16日長(zhǎng)寧地區(qū)5.7級(jí)地震的震源深度為10.5 km，與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的結(jié)果12 km接近[21]（見(jiàn)圖7）；2019年1月3日5.3級(jí)地震的震源深度為15.1 km，與中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心的結(jié)果15 km基本一致。此外，GCMT（全球矩張量解）對(duì)兩次地震事件震源定位的深度分別是14 km和12 km[22]，這存在一定誤差，但總體上震源深度應(yīng)在10 km以深。地震重定位結(jié)果表明，較小的地震（M<4.0）震源深度為主要為5～10 km；而震級(jí)較大的地震（M≥4.0）震源深度主要分布在8 km以深的基底中（見(jiàn)圖7）。

圖6 長(zhǎng)寧地區(qū)地震重定位分布

表2 長(zhǎng)寧背斜區(qū)2018年12月16日—2019年1月20日4.0級(jí)以上地震重新定位結(jié)果

圖7 長(zhǎng)寧地區(qū)L3和L4剖面地震分布圖（剖面位置見(jiàn)圖6）

2 長(zhǎng)寧背斜構(gòu)造解析

2.1 長(zhǎng)寧背斜的大地構(gòu)造位置

研究區(qū)長(zhǎng)寧背斜位于川、滇、黔結(jié)合部，構(gòu)造部位為川南低緩褶皺帶與大涼山—大婁山斷褶帶之間的過(guò)渡區(qū)[23-25]，具有不同方向上的多期構(gòu)造變形疊加特征[25-27]。其東側(cè)受到了川東—湘鄂西構(gòu)造帶擠壓應(yīng)力影響，西側(cè)受來(lái)自龍門(mén)山方向的擠壓應(yīng)力遠(yuǎn)程傳遞影響，北部為四川盆地及華鎣山斷裂帶所限，南部又疊加了紫云—羅甸斷裂帶構(gòu)造轉(zhuǎn)換作用導(dǎo)致的擠壓、抬升作用，最終形成了現(xiàn)今構(gòu)造格局。

長(zhǎng)寧背斜向西北穿過(guò)珙縣至高縣地區(qū)，向東南達(dá)敘永地區(qū)（見(jiàn)圖8）。背斜東南部較寬，西北部較窄。背斜軸跡呈北西—南東走向，西北端向西南發(fā)生彎曲。背斜核部出露寒武系，外圍依次出露奧陶系、志留系、二疊系、三疊系和侏羅系等。長(zhǎng)寧背斜核部地區(qū)發(fā)育一系列逆沖斷層，斷層常切穿寒武系，背斜內(nèi)次級(jí)褶皺較為發(fā)育。

圖8 長(zhǎng)寧背斜及鄰區(qū)構(gòu)造綱要圖

長(zhǎng)寧背斜向北逐漸過(guò)渡到四川盆地，相間分布條帶狀展布的背斜和向斜，以近東西向展布為主，背斜核部以中、下侏羅統(tǒng)為主，向斜區(qū)往往發(fā)育厚層白堊系。長(zhǎng)寧背斜向西為一系列北東—南西向構(gòu)造帶所限，主要背斜帶有燈桿壩背斜和賈村溪背斜，其背斜核部出露地層主要為三疊系，呈長(zhǎng)條狀展布。長(zhǎng)寧背斜南部為一系列復(fù)雜構(gòu)造帶，往往具有多期疊加的特征，呈現(xiàn)出背斜、向斜相間分布、斷裂十分發(fā)育的特征。

2.2 長(zhǎng)寧背斜的地層系統(tǒng)與滑脫層分布

長(zhǎng)寧背斜地區(qū)地層發(fā)育較全，從下至上依次為震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系、侏羅系和白堊系等；缺失泥盆系、石炭系、古近系和新近系，地層厚度超過(guò)9 000 m[23-24]。通過(guò)寧201井—寧203井—寧2井地層剖面對(duì)比可知（見(jiàn)圖9），長(zhǎng)寧背斜核部的寧 2井鉆遇的寒武系和震旦系總厚達(dá)3 300 m。其中，震旦系燈影組下段發(fā)育厚層的白色芒硝和鹽巖層，厚度分別為52 m和240 m。寒武系筇竹寺組發(fā)育厚225 m的黑色炭質(zhì)頁(yè)巖，高臺(tái)組上部旋回性發(fā)育多套石膏層。寧203井和寧201井分別位于長(zhǎng)寧背斜南翼斜坡部位和向斜轉(zhuǎn)折部位，兩口井均鉆遇了三疊系、二疊系、志留系和部分奧陶系，具有相似的地層特征。其中上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M與中二疊統(tǒng)茅口組為不整合接觸，龍?zhí)督M為厚層玄武巖，茅口組以灰?guī)r為主。二疊系梁山組與志留系韓家店組呈不整合接觸，中間缺失泥盆系、石炭系和下二疊統(tǒng)。梁山組主要由薄層的炭質(zhì)頁(yè)巖、泥巖夾煤層組成。韓家店組主要為砂巖、泥巖互層，夾部分泥質(zhì)灰?guī)r。志留系龍馬溪組和石牛欄組主要由頁(yè)巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖組成。下志留統(tǒng)龍馬溪組—上奧陶統(tǒng)五峰組以富有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖和泥巖為主[26]，龍馬溪組底部黑色頁(yè)巖中富含筆石化石和黃鐵礦，是頁(yè)巖氣開(kāi)采的主產(chǎn)氣層。向下至奧陶系寶塔組以瘤狀灰?guī)r為特點(diǎn)，見(jiàn)龜裂紋構(gòu)造，為一套穩(wěn)定的淺海相碳酸鹽巖沉積。

頁(yè)巖、膏巖和鹽巖等軟弱層往往具有抗壓、抗剪強(qiáng)度小，楊氏模量小和泊松比較高等特點(diǎn)，這使得這些巖層在構(gòu)造變形過(guò)程中主要以塑性變形為主，起到了調(diào)節(jié)上、下巖層構(gòu)造形態(tài)和吸收變形位移量的作用，是研究區(qū)十分重要的滑脫層。長(zhǎng)寧背斜發(fā)育上震旦統(tǒng)燈影組底部、中寒武統(tǒng)高臺(tái)組 2套區(qū)域性膏鹽巖滑脫層；梁山組薄層的炭質(zhì)頁(yè)巖、泥巖及煤層，志留系龍馬溪組頁(yè)巖可作為局部的滑脫層，調(diào)節(jié)小范圍的構(gòu)造變形。此外，在前震旦系基底中存在韌性剪切層，也是重要的區(qū)域性滑脫層。

2.3 長(zhǎng)寧背斜的構(gòu)造模型

本文選擇過(guò)寧 203井的一條地震反射剖面進(jìn)行解析，該剖面自洛表鎮(zhèn)向東北過(guò)建武向斜，穿過(guò)2018年四川省興文縣5.7級(jí)地震震中進(jìn)入長(zhǎng)寧背斜（見(jiàn)圖8），向北東方向最終進(jìn)入四川盆地南緣向斜區(qū)（見(jiàn)圖10）。測(cè)線(xiàn)全長(zhǎng)67 km，地震反射深度可達(dá)13 km。該剖面的速度模型由該背斜區(qū)的多口探井測(cè)井資料約束，精度較高。在寧 203井合成地震記錄的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字高程數(shù)據(jù)與淺表地質(zhì)產(chǎn)狀投影信息，對(duì)地震層位進(jìn)行了識(shí)別與追蹤，并應(yīng)用斷層相關(guān)褶皺理論對(duì)剖面進(jìn)行了構(gòu)造解釋。

圖9 長(zhǎng)寧背斜區(qū)連井地層剖面對(duì)比圖

斷坡位置的準(zhǔn)確識(shí)別是斷層面解釋的關(guān)鍵。將過(guò)長(zhǎng)寧背斜地震反射剖面（見(jiàn)圖11）局部放大可以發(fā)現(xiàn)：①下盤(pán)斷坡（見(jiàn)圖11左欄）在深部基底斷層發(fā)生轉(zhuǎn)折向上傳播的斷坡位置，出現(xiàn)了明顯的切層現(xiàn)象，即：斷層上部地震反射波組延續(xù)了地表地層產(chǎn)狀特征，具有傾向西南，向東北方向逐漸抬高的趨勢(shì)，與斷層近于平行。而斷層下伏地層產(chǎn)狀近水平，略微向東北方向傾斜，其與上盤(pán)地層傾向相反，具有明顯的交切關(guān)系，這是典型的下盤(pán)斷坡部位的地震反射特點(diǎn)。②上盤(pán)斷坡（見(jiàn)圖11右欄）在長(zhǎng)寧背斜北翼，同樣可以觀(guān)察到褶皺前翼地層產(chǎn)狀自西南向東北發(fā)生了明顯變化，出現(xiàn)向斜反射特征，其中向斜西南翼地層傾向北東，向下為基底斷層所切，向北東方向過(guò)向斜軸面后地層變?yōu)榻剑c斷層下伏地層產(chǎn)狀一致，這是斷層轉(zhuǎn)折褶皺前翼地層的地震反射特征，北翼背斜軸面與向斜軸面和斷層相交點(diǎn)限定的這一段即為上盤(pán)斷坡（斷層面與上盤(pán)地層有交切關(guān)系）。③中斷坪。長(zhǎng)寧背斜南翼與北翼之間為一相對(duì)較窄的平頂部位，為發(fā)育雙背斜軸面的背斜，前翼、后翼背斜軸面與斷層面相交的一段為中斷坪的位置，斷面上、下波組在此近于平行（見(jiàn)圖12）。這樣，上盤(pán)斷坡、中斷坪與下盤(pán)斷坡限定了該斷層為簡(jiǎn)單臺(tái)階狀斷面，長(zhǎng)寧背斜為一斷層轉(zhuǎn)折褶皺背斜（見(jiàn)圖10）。

圖10 過(guò)興文5.7級(jí)地震震中地區(qū)地震反射剖面地質(zhì)構(gòu)造解釋

圖11 長(zhǎng)寧背斜南翼下盤(pán)斷坡（左欄）與北翼上盤(pán)斷坡（右欄）的幾何學(xué)特征

圖12 長(zhǎng)寧背斜的構(gòu)造演化過(guò)程

通過(guò)建立的構(gòu)造模型可以發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)寧背斜西南發(fā)育一寬緩向斜—建武向斜，其核部出露地層為中侏羅統(tǒng)沙溪廟組，地層產(chǎn)狀較為平緩，傾角為5°～10°。向兩翼出露地層逐漸變老，地層產(chǎn)狀漸陡。其中長(zhǎng)寧背斜西南翼出露的二疊系和志留系的地層傾角分別為15°和 10°，至核部出露奧陶系，地層產(chǎn)狀逐漸變緩至近水平。向北東方向在奧陶系和志留系內(nèi)部各發(fā)育一至兩條次級(jí)斷層，傾向北東，地表地層傾角可達(dá)48°。

長(zhǎng)寧背斜東北翼地層較陡，嘉陵江組和須家河組地表地層傾角分別可達(dá)60°和57°，中侏羅統(tǒng)的地層產(chǎn)狀急劇變緩，近向斜部位白堊系的地表地層傾角為17°，至向斜核部產(chǎn)狀逐漸變水平。通過(guò)地震剖面斷層的識(shí)別可以發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)圖11），長(zhǎng)寧背斜下伏基底內(nèi)發(fā)育有大型逆沖斷層。在背斜東北翼的寒武系滑脫層之上發(fā)育了 3條反沖斷層，斷層向上逐漸變陡，切穿了寒武系、奧陶系和志留系，向下逐漸收斂于寒武系滑脫層之上?；讛鄬泳哂形髂仙睢|北淺，呈坡-坪式展布的特征，斷層坡度約為13°（見(jiàn)圖10）。

圖10的構(gòu)造模型表明，長(zhǎng)寧背斜為一大型斷層轉(zhuǎn)折褶皺背斜，背斜的發(fā)展已處于頂部拓寬階段。斷層發(fā)育在前震旦系之中，呈臺(tái)階狀向盆地內(nèi)部延伸，后斷坪、下盤(pán)斷坡、上盤(pán)斷坡與前斷坪結(jié)構(gòu)由上覆地層予以約束，斷坡部位切層點(diǎn)反射較為明顯。形成該背斜的位移量為18.01 km，由南側(cè)傳遞而來(lái)；且經(jīng)過(guò)褶皺形成長(zhǎng)寧背斜后，向北側(cè)繼續(xù)傳遞的位移量為11.90 km，即自長(zhǎng)寧背斜北側(cè)還有11.90 km的位移量向四川盆地內(nèi)部傳遞，繼續(xù)形成背斜與向斜（見(jiàn)圖8）。長(zhǎng)寧背斜吸收了約 33%的位移量，主要依靠層平行剪切、小斷層、微裂縫系統(tǒng)來(lái)完成。

2.4 長(zhǎng)寧背斜的構(gòu)造演化

結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化史及低溫?zé)崮甏鷮W(xué)數(shù)據(jù)，在平衡剖面分析的基礎(chǔ)上，復(fù)原了長(zhǎng)寧背斜的形成演化過(guò)程（見(jiàn)圖12），可以發(fā)現(xiàn)：燕山期以前，研究區(qū)具有相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境，自下而上先后沉積了震旦系至侏羅系。燕山期初期，西南方向的擠壓應(yīng)力導(dǎo)致了未變形地層中形成了一個(gè)初始的沖斷層和兩個(gè)活動(dòng)軸面。早燕山期，斷層向東北方向滑動(dòng)導(dǎo)致了上盤(pán)地層沿活動(dòng)軸面發(fā)生褶皺，長(zhǎng)寧背斜出現(xiàn)了初始的隆升形態(tài)，并限定了白堊系的發(fā)育范圍僅局限于背斜前翼的坳陷區(qū)，上盤(pán)地層自西南向東北方向推覆，造成了斷層上盤(pán)地層的褶皺、抬升，從而形成了斷層轉(zhuǎn)折褶皺。長(zhǎng)寧背斜整體具有西南翼緩、東北翼陡的特點(diǎn)，早燕山期的地層縮短量約為5.6 km；晚燕山期，隨著地層沿上盤(pán)斷坡持續(xù)向前推進(jìn)，背斜逐漸被抬高。寒武系內(nèi)膏鹽巖及泥頁(yè)巖等軟弱層發(fā)生塑性變形，形成層內(nèi)的滑脫面，在背斜前翼形成了與基底斷層滑移方向相反的反沖斷層。反沖斷層向上切穿了奧陶系、志留系、二疊系、三疊系和侏羅系等地層，形成了次級(jí)的斷層傳播褶皺，該階段的地層整體縮短量約為8.0 km。早喜馬拉雅期，隨著上盤(pán)地層沿基底斷層的持續(xù)向北東方向擠壓推覆，背斜不斷拓寬，背斜前翼反沖斷層持續(xù)發(fā)育，使得上盤(pán)地層變形更加劇烈。隨著背斜西南翼新的構(gòu)造楔的形成，早期平整的地層發(fā)生褶皺，向上抬升，形成了較為對(duì)稱(chēng)的建武向斜；早喜馬拉雅期，地層縮短量達(dá)到了6.5 km?？傮w而言，長(zhǎng)寧背斜受控于基底斷層而形成，具有持續(xù)活動(dòng)的特點(diǎn)。進(jìn)入晚喜馬拉雅期，隨著地表風(fēng)化剝蝕作用，核部較老的志留系和奧陶系逐漸出露，形成了長(zhǎng)寧背斜現(xiàn)今面貌。

對(duì)比圖8與圖10，建武向斜南翼的背斜在形成過(guò)程中吸收掉一部分位移量，圖10剖面左端控制段（僅顯示背斜前翼）吸收的位移量為2 km，使上覆地層遭受褶皺縮短，志留系等發(fā)生彎滑褶皺作用與層平行剪切。

3 長(zhǎng)寧背斜五峰組—龍馬溪組頁(yè)巖氣產(chǎn)層變形機(jī)制

3.1 長(zhǎng)寧背斜區(qū)志留系龍馬溪組異常壓力與地應(yīng)力狀態(tài)

長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣田產(chǎn)層的海拔為-1 200～600 m，埋深較淺，為0～2 600 m；主產(chǎn)區(qū)在長(zhǎng)寧背斜南翼向斜區(qū)。長(zhǎng)寧地區(qū)龍馬溪組壓力系數(shù)主要為1.2～2.0，呈超壓或異常高壓狀態(tài)。即在未開(kāi)展頁(yè)巖水力壓裂注入高壓流體之前，龍馬溪組即賦存超壓。龍馬溪組超壓的形成主要是地層中天然氣的生成及聚集所致，即使是在晚白堊世以來(lái)強(qiáng)烈隆升的背景之下，仍然保持超壓狀態(tài)，在隆升過(guò)程中，雖圍限壓力降低，但頁(yè)巖中吸附氣脫附部分成為游離氣，使地層壓力不斷增大。

地應(yīng)力測(cè)試資料表明[28-29]，長(zhǎng)寧背斜區(qū)兩向應(yīng)力差為 21.4～22.3 MPa。據(jù)測(cè)井解釋?zhuān)瑢?01井區(qū)龍馬溪組最大水平主應(yīng)力為 57 MPa，最小水平主應(yīng)力為44.6 MPa，水平應(yīng)力差為12.4 MPa，比測(cè)得的值要小。該區(qū)實(shí)測(cè)的最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸逼珫| 100°～155°。很明顯，現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向與長(zhǎng)寧背斜軸跡斜交，這是由于長(zhǎng)寧背斜主要是在燕山期形成的，為一“古”背斜。

天然裂縫相對(duì)發(fā)育，裂縫走向與最大水平主應(yīng)力方向大體一致。壓裂施工時(shí)，地層凈壓力遠(yuǎn)大于水平應(yīng)力差12.4 MPa，可形成復(fù)雜縫網(wǎng)。長(zhǎng)寧背斜頁(yè)巖氣開(kāi)采初期壓裂施工套壓為70 MPa左右（如長(zhǎng)寧H3-4井）。最近2年來(lái)，根據(jù)微地震監(jiān)測(cè)、施工壓力響應(yīng)、鄰井壓力監(jiān)測(cè)等情況，結(jié)合三維地震預(yù)測(cè)及地質(zhì)模型，實(shí)時(shí)調(diào)整壓裂方案，確保改造方案盡可能地適應(yīng)地層特性，從而提高壓裂改造效果。施工壓力一般為 56～66 MPa，如長(zhǎng)寧H6-1井油壓為50～60 MPa，套壓為12 MPa；志留系龍馬溪組的地層流體壓力多小于 55 MPa，流體壓力可對(duì)地應(yīng)力產(chǎn)生較大程度的影響。

3.2 長(zhǎng)寧背斜區(qū)志留系龍馬溪組的變形機(jī)制

對(duì)長(zhǎng)寧背斜區(qū)志留系龍馬溪組的地表露頭及巖心的觀(guān)察表明（見(jiàn)圖13），龍馬溪組頁(yè)巖的變形較為常見(jiàn)，滑動(dòng)面清楚，可見(jiàn)鏡面、擦痕、裂縫。優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖層段層理發(fā)育（見(jiàn)圖13a），如寧201井2 515.79～2 515.89 m井段龍馬溪組水平層理，這是深水陸棚環(huán)境下形成的沉積構(gòu)造特征。巖心觀(guān)察表明天然裂縫類(lèi)型多樣（見(jiàn)圖13），寧201井2 521.00 m處見(jiàn)龍馬溪組構(gòu)造充填縫（見(jiàn)圖13b）既有垂直于層面、也有平行于層面或斜交的裂縫，表現(xiàn)為多期裂縫交切發(fā)育的特征；寧203井2 228.00 m處龍馬溪組見(jiàn)構(gòu)造開(kāi)啟縫（見(jiàn)圖13d），發(fā)育高角度斜交縫。同時(shí)，在高倍顯微鏡下，寧201井2 492.59 m處龍馬溪組可見(jiàn)生烴縫（見(jiàn)圖13c），這是生烴增壓引起微裂縫發(fā)育的直接證據(jù)。在野外清晰可見(jiàn)頁(yè)巖層與下伏奧陶系灰?guī)r底板之間的滑脫界面。

寧 201井志留系龍馬溪組硅質(zhì)、黏土和碳酸鹽礦物的含量分別為54.9%、21.0%和21.0%，脆性指數(shù)達(dá)61，表現(xiàn)出較大脆性特征。即這類(lèi)地層巖石脆性強(qiáng)，受力易生成裂縫。

基于聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，丁文龍等[30]得到了位于齊岳山斷裂東部的鍋廠(chǎng)壩背斜核部的渝頁(yè) 1井下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖受到的最大構(gòu)造應(yīng)力在燕山期為148.8 MPa，在喜馬拉雅期為122.5 MPa。范存輝等[31]得到了丁山地區(qū)丁頁(yè) 2井龍馬溪組頁(yè)巖樣品在燕山中—晚期經(jīng)受的最大構(gòu)造應(yīng)力為164.32 MPa，有限元模擬結(jié)果顯示區(qū)域性最大有效主應(yīng)力為97.06 MPa；燕山期末—喜馬拉雅期，樣品的最大構(gòu)造應(yīng)力為152.05 MPa，區(qū)域性最大有效主應(yīng)力為90.71 MPa。即龍馬溪組頁(yè)巖的最大古應(yīng)力為150～160 MPa，低于巖石的抗壓強(qiáng)度（一般為150～180 MPa），應(yīng)不會(huì)發(fā)生破裂。但在地質(zhì)歷史時(shí)期，龍馬溪組埋深曾達(dá)到6 000 m，由于生烴增壓，流體滯留深度在1 500～1 800 m，其下地層發(fā)育超壓[32]，壓力系數(shù)可達(dá)1.6及以上，從而減小有效應(yīng)力，頁(yè)巖層易于剪切破裂[33]。圖13是這種現(xiàn)象的直觀(guān)反映，這說(shuō)明地質(zhì)歷史時(shí)期龍馬溪組頁(yè)巖已反復(fù)發(fā)生破裂（見(jiàn)圖13b）。

圖13 長(zhǎng)寧背斜頁(yè)巖氣探井巖心裂縫發(fā)育特征

4 長(zhǎng)寧背斜區(qū)地震機(jī)制討論

4.1 長(zhǎng)寧背斜區(qū)震源深度分布

圖4、圖6給出了長(zhǎng)寧背斜及鄰區(qū)的地震震中分布圖，高縣、珙縣、興文縣、筠連縣、鹽津縣所圍區(qū)域，井研縣、榮縣、威遠(yuǎn)、永順、隆昌、榮昌一帶，出現(xiàn)了2個(gè)地震集中區(qū)域，這2個(gè)區(qū)域也是目前頁(yè)巖氣勘探集中區(qū)域。從目前給出的地震震源深度來(lái)看，M>3.0的地震震源深度主要在5 km以深（見(jiàn)圖7、表2），集中在5～15 km，這一深度區(qū)間恰好位于長(zhǎng)寧背斜區(qū)的前震旦系基底。而在2 km左右及以淺區(qū)域，地震主要是震級(jí)小于2.0級(jí)的地震。

4.2 頁(yè)巖水力壓裂與該區(qū)中等以上地震的關(guān)系

Ellsworth[34]提出了誘發(fā)地震的 2種機(jī)制：①注入的直接流體效應(yīng)（流體壓力擴(kuò)散）。滲透性?xún)?chǔ)集體/含水層與斷層直接相連，引起斷層帶孔隙壓力增加，從而斷層弱化，使處于臨界應(yīng)力狀態(tài)的斷層發(fā)生破裂，從而誘發(fā)地震，其前提是沿?cái)鄬影l(fā)育高滲透性流體運(yùn)移通道，可將這一模型稱(chēng)為（高壓流體）直接誘發(fā)模型。②由于流體的注入或抽出引起的固態(tài)應(yīng)力變化。由于滲透性?xún)?chǔ)集體/含水層的體積或質(zhì)量變化引起重力負(fù)荷的變化和孔隙-熱彈性效應(yīng)，引起下伏斷層再次活動(dòng)而誘發(fā)地震，這時(shí)斷層與上覆滲透性?xún)?chǔ)集體/含水層并不直接相連，是由于斷層的負(fù)荷條件變化及正應(yīng)力改變而誘發(fā)地震，可將這一模型稱(chēng)為間接誘發(fā)模型，下面對(duì)這兩種情況分別進(jìn)行討論。

4.2.1 超壓直接誘發(fā)型

長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣區(qū)塊在2016年1月至2019年1月間發(fā)生了11次M≥4.0、3個(gè)M≥5.0的地震，這些地震可能并非是超壓直接誘導(dǎo)型，理由如下。

①志留系中或相鄰層發(fā)育較大的“先存斷層”，從目前的高分辨率二維、三維地震資料看，地震資料（分辨率在30 m以?xún)?nèi)）識(shí)別頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)（向斜區(qū)）不存在大斷層（見(jiàn)圖8、圖10）。前文分析表明，長(zhǎng)寧背斜為基底斷層轉(zhuǎn)折形成的大型背斜，志留系褶皺為沿基底斷層活動(dòng)的反映。志留系本身僅僅發(fā)生平行斷層的滑動(dòng)，在這一過(guò)程中，發(fā)生層平行剪切，形成微裂縫系統(tǒng)，并沒(méi)有大—中型斷層在志留系中發(fā)育（見(jiàn)圖8、圖10）。長(zhǎng)寧背斜核部的顯露型斷層以中寒武統(tǒng)膏鹽巖為滑脫層，向上切穿奧陶系及以上地層（見(jiàn)圖8、圖10），但這些斷層目前并沒(méi)有活動(dòng)（見(jiàn)圖6、圖8）。

②重新定位的上述地震震源（見(jiàn)表2）發(fā)現(xiàn)，震源主要位于前震旦系基底中，并不在志留系頁(yè)巖層中。

③構(gòu)造變形機(jī)制不同。龍馬溪組的變形僅為層平行剪切過(guò)程中微裂縫的反復(fù)發(fā)育（見(jiàn)圖13），而地震多是剪切破壞，龍馬溪組內(nèi)部并無(wú)大斷層，不能積累起大地震需要的應(yīng)力，微地震監(jiān)測(cè)到的震級(jí)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.5。超壓導(dǎo)致庫(kù)倫破壞應(yīng)力的變化量一般很小，難以達(dá)到中等規(guī)模地震級(jí)別。

④2011年之前長(zhǎng)寧背斜區(qū)已多次發(fā)生地震（見(jiàn)圖3、圖4），那時(shí)并沒(méi)有壓裂作業(yè)。

4.2.2 重力負(fù)荷變化間接誘發(fā)型

若斷層發(fā)育在基底或下伏脆性層中（見(jiàn)圖10），頁(yè)巖壓裂引起龍馬溪組內(nèi)的流體增壓是否可以向下傳遞，引起下伏斷層弱化與再次活動(dòng)呢？目前看這一可能性難以成立，主要是兩者之間并不存在這樣的流體通道。

頁(yè)巖氣的采出、水力壓裂液的注入與排除引發(fā)的重力變化還有待進(jìn)一步評(píng)估。但總體看，“入”與“出”之間可能是平衡的，對(duì)下伏斷層（例如基底斷層）引起的正應(yīng)力變化可能并不顯著（這有待于數(shù)值模擬進(jìn)一步佐證）。

在美國(guó)俄亥俄州、俄克拉荷馬州、加拿大英屬哥倫比亞等大規(guī)模進(jìn)行頁(yè)巖氣開(kāi)采的地區(qū)，還沒(méi)有報(bào)道過(guò)水力壓裂作業(yè)本身直接導(dǎo)致過(guò)震級(jí)超過(guò) 3級(jí)的例子[8,35-36]。美國(guó)聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局在關(guān)于頁(yè)巖氣開(kāi)采水力壓裂與誘發(fā)地震關(guān)系的解釋中指出：石油和天然氣開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的廢水，增壓注入或直接注入廢水井，是產(chǎn)生大部分誘發(fā)地震的主要原因，誘發(fā)地震可在注水點(diǎn)更深位置、更遠(yuǎn)距離（超過(guò)3 km）發(fā)生，但頁(yè)巖氣開(kāi)采的水力壓裂則不是產(chǎn)生誘發(fā)地震的主要原因、廢水中含有的水力壓裂液也與誘發(fā)地震關(guān)系并不明確[8,35-37]。

4.3 長(zhǎng)寧地區(qū)地震的構(gòu)造模型

若不是超壓誘發(fā)致震或重力負(fù)荷變化誘發(fā)地震，那該區(qū)的地震是什么原因引起的？

需要指出的是，地震是現(xiàn)今或最近幾十年時(shí)間尺度上的構(gòu)造活動(dòng)，屬于活動(dòng)構(gòu)造范疇；而長(zhǎng)寧背斜屬于燕山期—喜馬拉雅期的“古構(gòu)造”，這一古構(gòu)造在現(xiàn)今有什么表現(xiàn)？要回答這一問(wèn)題有相當(dāng)難度，對(duì)上述地震剖面附近 30 km范圍內(nèi)，將經(jīng)重新地震定位的1 990個(gè)地震事件投影到深度地震剖面上（見(jiàn)圖14），可以對(duì)震源深度與分布特征有較為直觀(guān)的認(rèn)識(shí)。由圖15可知，宜賓興文5.7級(jí)地震震源投影于基底斷層的斷坡上，珙縣地區(qū)的5.3級(jí)地震投影于斷層轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近的下方，而其他小于5.0級(jí)地震的投影則主要分布在基底斷層附近，且大多數(shù)分布于震旦系之下，尤其是在斷層的兩處轉(zhuǎn)折端地震分布較為密集?；字系恼鸬┫导耙陨系貙与m有地震分布，但主要以小規(guī)模地震為主。其中，寒武系/震旦系界面附近有 1次3.0～4.0級(jí)地震，下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組內(nèi)有1次3.0～4.0級(jí)地震；志留系內(nèi)有較多的小于2.0級(jí)地震分布，整體上呈現(xiàn)出向上地震震級(jí)逐漸減小、地震數(shù)量逐漸減少的趨勢(shì)。在背斜北翼鮮有地震發(fā)生。

圖14的構(gòu)造模型提供了長(zhǎng)寧背斜區(qū)地震發(fā)生的構(gòu)造背景。首先沿基底斷層斷坡部位（及其上下），地震較為集中，表現(xiàn)為沿?cái)嗥碌募羟衅茐?；其次，在建武向斜轉(zhuǎn)折端和長(zhǎng)寧背斜轉(zhuǎn)折端部位（膝折帶發(fā)育區(qū)），受滑動(dòng)方向沿?cái)鄬幼兓挠绊懀霈F(xiàn)2個(gè)較為集中的地震區(qū)域，很明顯這是 2個(gè)發(fā)生層平行剪切作用的區(qū)域，地震震級(jí)小于5.0，且沿膝折帶向上震級(jí)愈?。荒壳绊?yè)巖氣產(chǎn)層分布區(qū)，產(chǎn)層內(nèi)部（至少是目前三維地震分辨率之內(nèi)）無(wú)大—中型斷層，無(wú)大的地震活動(dòng)。據(jù)圖14推測(cè)，形成長(zhǎng)寧背斜的基底斷層發(fā)生了復(fù)活，且目前主要發(fā)生在下盤(pán)斷坡部位，還未傳遞到北側(cè)的上盤(pán)斷坡部位，背斜北翼相對(duì)“平靜”?，F(xiàn)今GPS觀(guān)測(cè)結(jié)果顯示[38]，川西南地區(qū)地殼存在近北西-南東方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。關(guān)于這一復(fù)活的構(gòu)造背景，可能與現(xiàn)今青藏高原向東南緣擠出有關(guān)。具體是什么因素或邊界條件驅(qū)動(dòng)構(gòu)造活動(dòng)的，還有待繼續(xù)深入研究。

圖14 長(zhǎng)寧背斜區(qū)天然地震的投影及其構(gòu)造地質(zhì)背景

4.4 亟待深入研究的問(wèn)題

對(duì)已提取的2.0級(jí)以上地震的波形數(shù)據(jù)，利用長(zhǎng)寧背斜區(qū)及川西南地區(qū)多口井的測(cè)井資料約束的速度模型，對(duì)重新定位的結(jié)果進(jìn)行再次檢驗(yàn)，精確定位結(jié)果可以約束小震的空間分布，它是在龍馬溪組，還是在震旦—奧陶系或前震旦系中？它們的分布概率如何？

對(duì)長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)—榮縣區(qū)塊過(guò)震中的地震剖面進(jìn)行精細(xì)解釋?zhuān)鋵?shí)老斷層/閉鎖斷層的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，建立斷層的初始模型[39-45]，分析先存斷層的空間分布與運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律。

統(tǒng)計(jì)流體壓力、工程力學(xué)資料，建立構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)模型，進(jìn)行流體壓力（包括注入壓力）、應(yīng)力差、庫(kù)倫破裂應(yīng)力等的定量計(jì)算，模擬發(fā)震的主要邊界條件，弄清超壓與地震震級(jí)之間的可能關(guān)系。

系統(tǒng)研究川西南地區(qū)分布式地震的構(gòu)造地質(zhì)背景，對(duì)活動(dòng)斷裂破裂的可能性進(jìn)行評(píng)估[46-50]；開(kāi)展頁(yè)巖氣開(kāi)采區(qū)地震活動(dòng)的長(zhǎng)期科學(xué)檢測(cè)，分析流體注入壓力、頻次、注入量等與微地震之間的關(guān)系及誘發(fā)地震的可能性。

5 結(jié)論

長(zhǎng)寧背斜為一大型基底斷層轉(zhuǎn)折褶皺背斜，基底斷層呈臺(tái)階狀向四川盆地內(nèi)部抬升，形成背斜的斷層位移量為18 km，向北側(cè)傳遞的位移量為11.9 km，長(zhǎng)寧背斜吸收了斷層33%的滑移量。

長(zhǎng)寧背斜、建武向斜的志留系龍馬溪組頁(yè)巖發(fā)生沿下伏基底斷層滑動(dòng)的層平行剪切，形成微裂縫系統(tǒng)，受生烴影響發(fā)育流體超壓，導(dǎo)致裂縫反復(fù)發(fā)生。

長(zhǎng)寧背斜區(qū)的地震為天然地震。由于下伏“老”基底斷層下盤(pán)斷坡段復(fù)活，地震沿基底斷層下盤(pán)斷坡及其上、下發(fā)生，表現(xiàn)為斷層的剪切破壞，背斜與向斜轉(zhuǎn)折端也出現(xiàn)地震集中區(qū)，但沿膝折帶向上淺層地震震級(jí)減小，志留系龍馬溪組中多為2.0級(jí)以下小震。長(zhǎng)寧背斜區(qū)的地震活動(dòng)需要長(zhǎng)期科學(xué)監(jiān)測(cè)并分析其發(fā)震規(guī)律。

致謝：中國(guó)石油西南油氣田公司提供了長(zhǎng)寧背斜及鄰區(qū)的鉆井與地震勘探資料；中國(guó)地震局地質(zhì)研究所“活動(dòng)斷層探測(cè)數(shù)據(jù)匯交與共享管理中心”為本研究提供了斷層數(shù)據(jù)；國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心提供了地震目錄和數(shù)據(jù)；在成文過(guò)程中還得到李德生院士、賈承造院士、馬永生院士、張國(guó)偉院士的指導(dǎo)，與蔡勛育、徐旭輝、張健、劉波、劉樹(shù)根、楊洪志等教授多次討論，受益匪淺；趙文智院士、鄒才能院士、許懷先教授對(duì)本文也有一定貢獻(xiàn)，在此一并表示感謝。