利用小震震源機(jī)制解反演濮陽地區(qū)應(yīng)力場

孫　晴，李守勇

(河北省地震局邯鄲中心臺，河北 邯鄲　056001)

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利用小震震源機(jī)制解反演濮陽地區(qū)應(yīng)力場

孫晴，李守勇*

(河北省地震局邯鄲中心臺，河北 邯鄲056001)

摘要：利用雙差定位法測得河南濮陽地區(qū)的地震的平均深度為8.4 km，由于油田地震的深度一般在6 km以內(nèi)，推測該區(qū)的地震多為構(gòu)造地震，油田地震只占這里地震的一小部分。利用GEPHART的方法對該區(qū)域的42個震源機(jī)制進(jìn)行應(yīng)力張量反演，反演出的結(jié)果顯示有走滑斷層的特征，最大壓應(yīng)力軸σ1為32°、傾伏角為3°；中等壓應(yīng)力軸σ2為292°、傾伏角為71°；最小壓應(yīng)力軸σ3為124°、傾伏角為19°；應(yīng)力比R為0.6，取σ1的方向為該區(qū)的應(yīng)力場方向。

關(guān)鍵詞：震源機(jī)制；應(yīng)力張量；反演；油田；斷裂帶

0引言

河南濮陽地區(qū)為邯鄲地震臺網(wǎng)重點監(jiān)測的區(qū)域之一，位于聊考斷裂帶上，也是中原油田所在地，其地震活動性受聊考斷裂帶及油田采油的影響很大。由于該地區(qū)的地震相對較為集中，為人們所關(guān)注[1-3]。

聊考斷裂帶被第四系掩蓋，南起河南蘭考，北到聊城以北，與齊廣斷裂交匯，大致呈NNE向延伸，全長270 km，是地幔隆起區(qū)[4]。從該斷裂控制的地層來看，可能從晚侏羅世開始活動，白堊紀(jì)至早第三紀(jì)強(qiáng)烈活動，尤其在早第三紀(jì)時期最為活躍，從而成為控制華北平原下第三系沉積的邊界。據(jù)歷史文獻(xiàn)記載，從1502年到1948年，濮陽及臨近地區(qū)發(fā)生5級以上的地震5次，其中1937年8月1日在山東荷澤發(fā)生了7級地震。而中原油田屬于復(fù)雜斷塊油田，于1979年7月1日投入開發(fā)。在油氣儲量逐漸降低的情況下，為確保油氣產(chǎn)量，油田采取一系列加壓水措施，導(dǎo)致地層壓力增大，注水達(dá)到近4 000 m深度[5]。由于注水對其下方的地質(zhì)環(huán)境造成很大的影響，從而引發(fā)地震。油田地區(qū)的地震一般被稱為油田地震，是指人們在石油的開采過程中，由于注水、采油等活動引發(fā)局部地區(qū)的地震，普遍認(rèn)為油田地震為誘發(fā)地震[6]。加強(qiáng)該區(qū)地震活動的監(jiān)測分析對減少相關(guān)災(zāi)害有積極的意義。

Gephart和Forsyth[7]將一種改進(jìn)的由震源機(jī)制解反演應(yīng)力張量的方法(FMSI)用于San Fernando地震序列的震源機(jī)制解的資料，此后該方法得到了廣泛應(yīng)用[8-9]。在假定所研究地區(qū)的應(yīng)力場為均勻分布時，該方法通過對小震震源機(jī)制解資料的反演，可以了解這個地區(qū)的應(yīng)力場特征。本文采用2007—2013年邯鄲地震臺網(wǎng)記錄的河南濮陽地區(qū)的波形資料，在對該地區(qū)地震進(jìn)行雙差定位的基礎(chǔ)上，用該方法對求取的震源機(jī)制解資料反演河南濮陽地區(qū)的應(yīng)力場特征。

1原理與方法

地震是由于地下的巖石經(jīng)受不住周圍地應(yīng)力的作用而失穩(wěn)破裂、產(chǎn)生斷層釋放能量的過程；而震源機(jī)制解就是斷層面解，反過來通過對震源機(jī)制解的反演也能反映出地應(yīng)力的特征。一般認(rèn)為斷層的破裂方向在均勻介質(zhì)中是與沿主應(yīng)力方向大約45°夾角的方向，在不均勻介質(zhì)中新的破裂沿著舊斷層面破裂。

Gephart和Forsyth的方法通過利用震源機(jī)制解資料進(jìn)行反演，可較好地確定當(dāng)?shù)刂鲬?yīng)力方向與R(R=(σ2-σ1)/(σ3-σ1))，即6個獨(dú)立分量中的4個，該方法對區(qū)域斷層的分布不作限定。但該方法應(yīng)用于某區(qū)域時，必須假設(shè)：1)在一定時空范圍內(nèi)，研究區(qū)內(nèi)的應(yīng)力場是均勻的；2)斷層滑動方向與斷層面上最大剪應(yīng)力方向一致[7,10]。這里σ1、σ2、σ3分別表示最大、中間，最小主應(yīng)力值；R值的大小反映了中間主應(yīng)力的相對大小。這次分析中，我們進(jìn)行網(wǎng)格搜索來尋找所有斷層的最小旋轉(zhuǎn)使得到的滑動方向和震源機(jī)制相吻合，這種方法允許斷層面與滑動方向存在誤差。震源機(jī)制的2個可能的斷層面在該方法的使用中不存在節(jié)面的歧義問題。假設(shè)斷層面的滑動方向由切應(yīng)力所定，或者說，垂直于滑動方向的斷層面上的剪切應(yīng)力為零，可表達(dá)為下式：

σ12′=0=σ1β11β21+σ2β12β22+σ3β13β23

(1)

(2)

其中，βij是主坐標(biāo)系與輔坐標(biāo)系的夾角的余弦值，即觀測的斷層面與主應(yīng)力方向面的夾角。

2數(shù)據(jù)的選擇

濮陽地區(qū)為邯鄲地震臺網(wǎng)的監(jiān)測范圍之一，2007年邯鄲地震臺網(wǎng)進(jìn)行“十五”項目改造，通過虛擬臺網(wǎng)技術(shù)增加了河南省和山東省的一些數(shù)字化測震臺站，提高了臺網(wǎng)的監(jiān)測能力。本文選擇2007年10月到2013年4月邯鄲地震臺網(wǎng)記錄的河南濮陽地區(qū)的地震波形，主要分析了24個ML≥2.5的地震、18個震相記錄清晰的小于ML2.5級的地震。在分析中，我們只選取離震中位置比較近的9個臺站(圖1)。

注：FXT-肥鄉(xiāng)臺；CXT-磁縣臺；LZT-臨漳臺；HST-河順臺；XX-浚縣臺；QF-清豐臺；LIQ-臨清臺；LCH-聊城臺；LSH-梁山臺圖1　臺站及震中分布圖

3雙差定位

雙差定位方法在國內(nèi)外的廣泛應(yīng)用，被證實能有效地保證定位精度[11-14]。由于其定位的條件相對比較寬松，雙差定位方法可以對空間范圍相對比較大的地震同時進(jìn)行重新定位。它不需要設(shè)主地震事件，所有地震事件是相對于地震叢集的質(zhì)心位置來定位，不依賴于地震事件的初始位置，避免了主地震事件定位方法的限制條件，該方法在地震研究中被廣泛應(yīng)用。

由于本文注重分析濮陽地區(qū)地震深度分布情況，因此，利用雙差定位對地震深度的良好約束，對選取的39個記錄較清晰的地震進(jìn)行了重新定位。選用的速度模型見表1。

表1　華北地區(qū)P波速度模型

濮陽地區(qū)的地震經(jīng)過雙差定位后的深度分布如圖2所示，可以看出震源深度在3～14 km，7 km左右為地震發(fā)生較為集中的深度。東濮地區(qū)的凹陷內(nèi)新生界最大沉積厚度達(dá)7 600 m，其中下第三系厚達(dá)5 500 m，油氣資源豐富，由油田注水引發(fā)的地震其震源深度一般為2～6 km[1-2]。由此推斷6 km左右及更小深度的地震可能直接受注水的影響；7 km深度的地震受石油開采以及區(qū)域構(gòu)造的雙重影響，它發(fā)生地震的次數(shù)相對比較集中；而其下更深處的地震油田注水活動對地震的影響很小?？紤]到濮陽地區(qū)位于聊考斷裂帶附近(圖3)，認(rèn)為聊考斷裂帶對該地區(qū)的地震活動存在影響，推斷7 km深度以下的地震可能為構(gòu)造地震。綜上分析認(rèn)為，該區(qū)為油田地震與構(gòu)造地震共存區(qū)域。雙差定位的平均震源深度為8.4 km，與鄭建常等用雙差算法計算的該區(qū)的平均地震深度是一致的[2]。由此推斷該處的地震多為構(gòu)造地震，而油田地震只占一小部分。

圖2　雙差定位深度直方圖

圖3　聊考斷裂帶上的地震分布

4震源機(jī)制解的計算

震源機(jī)制是描述震源處地殼巖石破裂后的斷層面解，在構(gòu)造應(yīng)力場研究中得到了廣泛應(yīng)用[15-17]。在求震源機(jī)制解中，使用Pg波初動資料結(jié)合垂直向的Pg波與Sg波的最大振幅比資料[18]，這比僅用P波初動符號來求解震源機(jī)制解對斷層面有更好的約束，另外對臺站的分布要求相對寬松。

選取河南濮陽地區(qū)自2007年10月至2013年4月期間的42個地震的波形資料。其中，ML≥2.5地震有24個，求得的震源機(jī)制解如表2所示，其下半球極射投影圖如圖4所示。

表2　河南濮陽地震42個地震的震源機(jī)制解

續(xù)表2

圖4　河南濮陽地區(qū)的震源機(jī)制分布

5應(yīng)力張量的反演

研究區(qū)除中原油田的采油以外，無其他干擾活動，我們將因石油開采對該區(qū)地應(yīng)力場的影響忽略不計，假設(shè)該區(qū)的地應(yīng)力場是均勻的；另外假設(shè)斷層滑動方向與斷層面上最大剪應(yīng)力方向一致。用ZMAP6.0軟件[19]進(jìn)行應(yīng)力場反演，得出該地的應(yīng)力張量如圖5示，結(jié)果顯示，最大壓應(yīng)力軸σ1為32°、傾伏角為3°；中等壓應(yīng)力軸σ2為292°、傾伏角為71°；最小壓應(yīng)力軸σ3為124°、傾伏角為19°；誤差為9.8°，應(yīng)力比R值為0.6，取最大壓應(yīng)力軸方向(σ1)為該處的應(yīng)力場方向。

圖5　反演的應(yīng)力張量的特征

圖6　中國地應(yīng)力圖(出自MAPSIS)

6分析與討論

從震源機(jī)制中可以看出濮陽地區(qū)地震的錯動方式有走滑斷層的特征，并兼有擠壓的成分。莘海亮等[20]反演豫北及鄰區(qū)中小地震震源機(jī)制區(qū)域平均應(yīng)力場的結(jié)果也是以走滑型為主，兼有一定數(shù)量的正斷型和逆斷型，這與本文反演結(jié)果基本一致；而在本文研究中，河南濮陽地區(qū)的面積相對較小，加之受中原油田及聊考斷裂帶的雙重影響，這個地區(qū)的地應(yīng)力場具有很強(qiáng)的獨(dú)特性，該區(qū)域在孕震過程中地應(yīng)力場受局部地質(zhì)構(gòu)造的控制作用顯著[21]。

對雙差重定位結(jié)果分析，河南濮陽地區(qū)地震的平均震源深度為8.4 km，由于該深度為人工誘發(fā)地震所不能及的，以此推斷該區(qū)的地震多為構(gòu)造地震。通過對邯鄲地震臺網(wǎng)所記錄的42個地震的震源機(jī)制解進(jìn)行反演，求出該區(qū)的地應(yīng)力場為NNE向(最大主應(yīng)力方向σ1=32°)，與華北地殼應(yīng)力場的最大壓應(yīng)力軸的60°～80°存在差別[22]，也與MapSIS(基于GIS的地震分析預(yù)報軟件系統(tǒng))中的中國地應(yīng)力圖顯示的晉冀魯豫段地應(yīng)力有一些差別(圖6)，說明河南濮陽地區(qū)的地震區(qū)域性很強(qiáng)。筆者認(rèn)為油田的采油活動對該地區(qū)的地應(yīng)力場有一定的影響，使該地區(qū)的最大壓應(yīng)力軸方向與華北最大壓應(yīng)力軸方向存在一些差異，并且在一定程度上使該地區(qū)成為聊考斷裂帶上的地震活動相對密集區(qū)(2008-2012年)(圖3)，因此認(rèn)為該地區(qū)為采油活動促使斷裂帶上的地震發(fā)生，使斷裂帶上積累的地應(yīng)力得以釋放。

此研究反演的結(jié)果與前人的研究結(jié)果有一些不同。筆者認(rèn)為，因為前人研究結(jié)果是根據(jù)較大震級的地震進(jìn)行計算的，其反映的應(yīng)力場范圍較大，而受局部地區(qū)因素的影響很小，甚至可忽略不計；而局部地區(qū)的應(yīng)力場受局部因素的影響較大，有較獨(dú)特的區(qū)域特征，其受外界大范圍的影響反而很小。

7結(jié)論

濮陽地區(qū)在聊考斷裂帶上，面積相對較小，地震相對豐富、集中，在所分析的該地區(qū)的42個地震中，對其中的39個地震進(jìn)行了雙差定位計算，結(jié)果表明該地區(qū)的地震平均深度為8.4 km，由于采油活動受深度的限制，推斷該地區(qū)的地震大部分為構(gòu)造地震。在對42個地震進(jìn)行震源機(jī)制解計算的基礎(chǔ)上，反演得到的應(yīng)力張量：最大壓應(yīng)力軸σ1為32°、傾伏角為3°；中等壓應(yīng)力軸σ2為292°、傾伏角為71°；最小壓應(yīng)力軸σ3為124°、傾伏角為19°；應(yīng)力比R為0.6，該地區(qū)總體為走滑斷層的特性，并有一定擠壓作用，我們?nèi)∽畲笾鲬?yīng)力σ1的方向為該地區(qū)的應(yīng)力場方向。

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Stress Fileld Inversion in Puyang Area Using Focal Mechanism

Solutions of Small Earthquakes

SUN Qing, LI Shou-yong

(Handan Central Seismostation, Handan 056001，China)

Abstract:The average depth of earthquakes in Henan Puyang area calculated by the double difference location method is 8.4 km,it is distinctively deeper than the oil seismic depth which is generally within 6km, therefore, the earthquakes are mostly tectonic earthquakes. Using 42 focal mechanism solutions of the small earthquakes, we inversed the stress field of the area by the Gephart's method. The results show that the stress field is strike slip type with the R value of 0.6; the maximum horizontal compressive stress direction angle is about NE32°.

Key words:focal mechanism; stress tensor; inversion; oilfield; fracture zone

作者簡介：李冬圣(1982—)，女(漢族)，河北冀州人，工程師，主要從事地震監(jiān)測及分析工作.E-mail：LDS981112@163.com

基金項目：2014年度測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(20140302)；河北省科技支撐計劃項目“河北省重點地區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)及地震監(jiān)測預(yù)報關(guān)鍵技術(shù)研究”(13275407D)

收稿日期:2015-03-18

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2015.04.003

中圖分類號:P315.33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1003-1375(2015)04-0014-06