長寧頁巖氣開發(fā)區(qū)地震的構(gòu)造地質(zhì)背景

何登發(fā)，魯人齊，黃涵宇，王曉山，姜華，張偉康

（1.中國地質(zhì)大學（北京）能源學院，北京 100083；2.中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100045；3.河北省地震局，石家莊 050021；4.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

頁巖氣開發(fā)時，由于注入頁巖地層中的高壓流體改變了地層流體壓力，引起地應力環(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（地震震級小于 3.0），但是這類微地震是瞬時的，不具有持續(xù)性，而且微地震的級別一般都很低。在石油工業(yè)中，常利用微地震監(jiān)測來判斷水力壓裂的效果，微震產(chǎn)生的信號被用于裂縫監(jiān)測和頁巖氣開發(fā)，水力壓裂引起的微震級別一般遠小于里氏（M）0.5級。

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

四川盆地西南部的長寧背斜既是天然地震多發(fā)區(qū)，也是頁巖氣開發(fā)區(qū)，近年來發(fā)生多起中等強度的地震，目前對這幾次地震的成因爭議很大；本文以長寧背斜為例分析頁巖壓裂是否會誘發(fā)中等強度以上地震。該背斜自2011年開始開展頁巖氣勘探，2014年以來采取大規(guī)模頁巖壓裂作業(yè)。自有地震記錄以來，該背斜區(qū)始終是一個地震多發(fā)區(qū)，2018年12月16日、2019年1月3日分別發(fā)生了5.7級和5.3級地震。那么，這些地震究竟是天然地震，還是壓裂誘發(fā)地震？這對該區(qū)頁巖氣開發(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告，采用雙差定位方法對其進行重新定位；應用該區(qū)大量的鉆井與高分辨率反射地震勘探資料，開展構(gòu)造解析，通過建立長寧背斜的構(gòu)造幾何學與運動學模型，分析該區(qū)斷裂的展布規(guī)律，試圖從構(gòu)造地質(zhì)學的角度探討發(fā)震斷層的發(fā)育特征，對該區(qū)地震成因機制進行探討。

1 區(qū)域地震活動規(guī)律及長寧背斜區(qū)地震定位

1.1 歷史地震分布特征

中國南北地震帶北起鄂爾多斯地塊西緣，跨越秦嶺，穿過龍門山，再沿著安寧河—小江斷裂帶向南延至緬甸境內(nèi)，成為分割中國大陸東部相對穩(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

四川盆地主要活動斷裂帶主要分布在川北與川西的造山帶和盆山過渡帶，川西南地區(qū)斷裂活動性并不強[11-15]（見圖1）。然而，在中國一些新構(gòu)造和現(xiàn)代構(gòu)造活動較弱的地區(qū)，晚第四紀斷裂活動不甚明顯、但在第四紀仍弱活動的斷裂，也可能發(fā)生中等強度的破壞性地震[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級以上的地震記錄多達 9次（見表1），最大震級為5.8級。

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

根據(jù)國家地震科學數(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（見圖2）。這30年期間該地區(qū)先后發(fā)生了幾次7.0級以上的大地震，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

對川西南地區(qū)2011年1月至2019年5月24 922個地震數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)（見圖4），2.0級以下的地震震源深度主要分布在5 km以淺，3.0級以上的地震共115個，震源深度主要分布在10 km以淺。四川盆地及其周緣3.0級以上地震主要分布在10～20 km深度范圍（見圖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（剖面位置見圖3）

1.2 區(qū)域地震活動規(guī)律

由圖1、圖2可見，川西南地區(qū)的地震分布具有面狀展布的特點，即地震不局限于某一、某幾個構(gòu)造帶，控制川西南地區(qū)地震活動的構(gòu)造變形具有分布式變形的特點。在這一大背景下，沿幾條活動斷層的地震帶分布具有集中優(yōu)勢：盆緣主要沿龍門山、鮮水河、三江帶等發(fā)育；在盆地內(nèi)部，沿龍門山山前隱伏斷裂帶、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)計表明，震源層深度主要為10～20 km（見圖5），這表明地震多發(fā)生在四川盆地的基底之中，20～30 km深度范圍也有相當多的地震分布，而淺層（5 km以淺）的地震震級多在2.0以下，中級及以上地震很少。

1.3 長寧背斜區(qū)地震深度重新定位

筆者由“地震編目系統(tǒng)”下載了四川長寧地區(qū)2018年12月16日5.7級地震和2019年1月3日5.3級地震序列的震相報告，采用比較成熟的雙差定位方法對兩次主震及其余震序列進行重新定位。目前，雙差定位方法是國際上比較通用的方法[17-18]，主要使用震相到時進行定位，縱波到時權(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，對地層淺層速度刻畫非常精細[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]。對研究區(qū)進行地震重新定位（見圖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（見表2），2018年12月16日長寧地區(qū)5.7級地震的震源深度為10.5 km，與中國地震臺網(wǎng)中心的結(jié)果12 km接近[21]（見圖7）；2019年1月3日5.3級地震的震源深度為15.1 km，與中國地震臺網(wǎng)中心的結(jié)果15 km基本一致。此外，GCMT（全球矩張量解）對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（見圖7）。

圖6 長寧地區(qū)地震重定位分布

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

圖7 長寧地區(qū)L3和L4剖面地震分布圖（剖面位置見圖6）

2 長寧背斜構(gòu)造解析

2.1 長寧背斜的大地構(gòu)造位置

研究區(qū)長寧背斜位于川、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)造帶擠壓應力影響，西側(cè)受來自龍門山方向的擠壓應力遠程傳遞影響，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)換作用導致的擠壓、抬升作用，最終形成了現(xiàn)今構(gòu)造格局。

長寧背斜向西北穿過珙縣至高縣地區(qū)，向東南達敘永地區(qū)（見圖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)次級褶皺較為發(fā)育。

圖8 長寧背斜及鄰區(qū)構(gòu)造綱要圖

長寧背斜向北逐漸過渡到四川盆地，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，呈長條狀展布。長寧背斜南部為一系列復雜構(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 長寧背斜的地層系統(tǒng)與滑脫層分布

長寧背斜地區(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9 000 m[23-24]。通過寧201井—寧203井—寧2井地層剖面對比可知（見圖9），長寧背斜核部的寧 2井鉆遇的寒武系和震旦系總厚達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)頁巖，高臺組上部旋回性發(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)五峰組以富有機質(zhì)的頁巖和泥巖為主[26]，龍馬溪組底部黑色頁巖中富含筆石化石和黃鐵礦，是頁巖氣開采的主產(chǎn)氣層。向下至奧陶系寶塔組以瘤狀灰?guī)r為特點，見龜裂紋構(gòu)造，為一套穩(wěn)定的淺海相碳酸鹽巖沉積。

頁巖、膏巖和鹽巖等軟弱層往往具有抗壓、抗剪強度小，楊氏模量小和泊松比較高等特點，這使得這些巖層在構(gòu)造變形過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。長寧背斜發(fā)育上震旦統(tǒng)燈影組底部、中寒武統(tǒng)高臺組 2套區(qū)域性膏鹽巖滑脫層；梁山組薄層的炭質(zhì)頁巖、泥巖及煤層，志留系龍馬溪組頁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 長寧背斜的構(gòu)造模型

本文選擇過寧 203井的一條地震反射剖面進行解析，該剖面自洛表鎮(zhèn)向東北過建武向斜，穿過2018年四川省興文縣5.7級地震震中進入長寧背斜（見圖8），向北東方向最終進入四川盆地南緣向斜區(qū)（見圖10）。測線全長67 km，地震反射深度可達13 km。該剖面的速度模型由該背斜區(qū)的多口探井測井資料約束，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，對地震層位進行了識別與追蹤，并應用斷層相關(guān)褶皺理論對剖面進行了構(gòu)造解釋。

圖9 長寧背斜區(qū)連井地層剖面對比圖

斷坡位置的準確識別是斷層面解釋的關(guān)鍵。將過長寧背斜地震反射剖面（見圖11）局部放大可以發(fā)現(xiàn)：①下盤斷坡（見圖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，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，其與上盤地層傾向相反，具有明顯的交切關(guān)系，這是典型的下盤斷坡部位的地震反射特點。②上盤斷坡（見圖11右欄）在長寧背斜北翼，同樣可以觀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限定的這一段即為上盤斷坡（斷層面與上盤地層有交切關(guān)系）。③中斷坪。長寧背斜南翼與北翼之間為一相對較窄的平頂部位，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（見圖12）。這樣，上盤斷坡、中斷坪與下盤斷坡限定了該斷層為簡單臺階狀斷面，長寧背斜為一斷層轉(zhuǎn)折褶皺背斜（見圖10）。

圖10 過興文5.7級地震震中地區(qū)地震反射剖面地質(zhì)構(gòu)造解釋

圖11 長寧背斜南翼下盤斷坡（左欄）與北翼上盤斷坡（右欄）的幾何學特征

圖12 長寧背斜的構(gòu)造演化過程

通過建立的構(gòu)造模型可以發(fā)現(xiàn)，長寧背斜西南發(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)育一至兩條次級斷層，傾向北東，地表地層傾角可達48°。

長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。通過地震剖面斷層的識別可以發(fā)現(xiàn)（見圖11），長寧背斜下伏基底內(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°（見圖10）。

圖10的構(gòu)造模型表明，長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，呈臺階狀向盆地內(nèi)部延伸，后斷坪、下盤斷坡、上盤斷坡與前斷坪結(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；且經(jīng)過褶皺形成長寧背斜后，向北側(cè)繼續(xù)傳遞的位移量為11.90 km，即自長寧背斜北側(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（見圖8）。長寧背斜吸收了約 33%的位移量，主要依靠層平行剪切、小斷層、微裂縫系統(tǒng)來完成。

2.4 長寧背斜的構(gòu)造演化

結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化史及低溫熱年代學數(shù)據(jù)，在平衡剖面分析的基礎(chǔ)上，復原了長寧背斜的形成演化過程（見圖12），可以發(fā)現(xiàn)：燕山期以前，研究區(qū)具有相對穩(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，西南方向的擠壓應力導致了未變形地層中形成了一個初始的沖斷層和兩個活動軸面。早燕山期，斷層向東北方向滑動導致了上盤地層沿活動軸面發(fā)生褶皺，長寧背斜出現(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)，上盤地層自西南向東北方向推覆，造成了斷層上盤地層的褶皺、抬升，從而形成了斷層轉(zhuǎn)折褶皺。長寧背斜整體具有西南翼緩、東北翼陡的特點，早燕山期的地層縮短量約為5.6 km；晚燕山期，隨著地層沿上盤斷坡持續(xù)向前推進，背斜逐漸被抬高。寒武系內(nèi)膏鹽巖及泥頁巖等軟弱層發(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，形成了較為對稱的建武向斜；早喜馬拉雅期，地層縮短量達到了6.5 km。總體而言，長寧背斜受控于基底斷層而形成，具有持續(xù)活動的特點。進入晚喜馬拉雅期，隨著地表風化剝蝕作用，核部較老的志留系和奧陶系逐漸出露，形成了長寧背斜現(xiàn)今面貌。

對比圖8與圖10，建武向斜南翼的背斜在形成過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 長寧背斜五峰組—龍馬溪組頁巖氣產(chǎn)層變形機制

3.1 長寧背斜區(qū)志留系龍馬溪組異常壓力與地應力狀態(tài)

長寧頁巖氣田產(chǎn)層的海拔為-1 200～600 m，埋深較淺，為0～2 600 m；主產(chǎn)區(qū)在長寧背斜南翼向斜區(qū)。長寧地區(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)。即在未開展頁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強烈隆升的背景之下，仍然保持超壓狀態(tài)，在隆升過程中，雖圍限壓力降低，但頁巖中吸附氣脫附部分成為游離氣，使地層壓力不斷增大。

地應力測試資料表明[28-29]，長寧背斜區(qū)兩向應力差為 21.4～22.3 MPa。據(jù)測井解釋，寧201井區(qū)龍馬溪組最大水平主應力為 57 MPa，最小水平主應力為44.6 MPa，水平應力差為12.4 MPa，比測得的值要小。該區(qū)實測的最大水平主應力方向為北偏東 100°～155°。很明顯，現(xiàn)今最大主應力方向與長寧背斜軸跡斜交，這是由于長寧背斜主要是在燕山期形成的，為一“古”背斜。

天然裂縫相對發(fā)育，裂縫走向與最大水平主應力方向大體一致。壓裂施工時，地層凈壓力遠大于水平應力差12.4 MPa，可形成復雜縫網(wǎng)。長寧背斜頁巖氣開采初期壓裂施工套壓為70 MPa左右（如長寧H3-4井）。最近2年來，根據(jù)微地震監(jiān)測、施工壓力響應、鄰井壓力監(jiān)測等情況，結(jié)合三維地震預測及地質(zhì)模型，實時調(diào)整壓裂方案，確保改造方案盡可能地適應地層特性，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，流體壓力可對地應力產(chǎn)生較大程度的影響。

3.2 長寧背斜區(qū)志留系龍馬溪組的變形機制

對長寧背斜區(qū)志留系龍馬溪組的地表露頭及巖心的觀察表明（見圖13），龍馬溪組頁巖的變形較為常見，滑動面清楚，可見鏡面、擦痕、裂縫。優(yōu)質(zhì)頁巖層段層理發(fā)育（見圖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。巖心觀察表明天然裂縫類型多樣（見圖13），寧201井2 521.00 m處見龍馬溪組構(gòu)造充填縫（見圖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處龍馬溪組見構(gòu)造開啟縫（見圖13d），發(fā)育高角度斜交縫。同時，在高倍顯微鏡下，寧201井2 492.59 m處龍馬溪組可見生烴縫（見圖13c），這是生烴增壓引起微裂縫發(fā)育的直接證據(jù)。在野外清晰可見頁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61，表現(xiàn)出較大脆性特征。即這類地層巖石脆性強，受力易生成裂縫。

基于聲發(fā)射實驗，丁文龍等[30]得到了位于齊岳山斷裂東部的鍋廠壩背斜核部的渝頁 1井下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖受到的最大構(gòu)造應力在燕山期為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 2井龍馬溪組頁巖樣品在燕山中—晚期經(jīng)受的最大構(gòu)造應力為164.32 MPa，有限元模擬結(jié)果顯示區(qū)域性最大有效主應力為97.06 MPa；燕山期末—喜馬拉雅期，樣品的最大構(gòu)造應力為152.05 MPa，區(qū)域性最大有效主應力為90.71 MPa。即龍馬溪組頁巖的最大古應力為150～160 MPa，低于巖石的抗壓強度（一般為150～180 MPa），應不會發(fā)生破裂。但在地質(zhì)歷史時期，龍馬溪組埋深曾達到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1.6及以上，從而減小有效應力，頁巖層易于剪切破裂[33]。圖13是這種現(xiàn)象的直觀反映，這說明地質(zhì)歷史時期龍馬溪組頁巖已反復發(fā)生破裂（見圖13b）。

圖13 長寧背斜頁巖氣探井巖心裂縫發(fā)育特征

4 長寧背斜區(qū)地震機制討論

4.1 長寧背斜區(qū)震源深度分布

圖4、圖6給出了長寧背斜及鄰區(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、永順、隆昌、榮昌一帶，出現(xiàn)了2個地震集中區(qū)域，這2個區(qū)域也是目前頁巖氣勘探集中區(qū)域。從目前給出的地震震源深度來看，M>3.0的地震震源深度主要在5 km以深（見圖7、表2），集中在5～15 km，這一深度區(qū)間恰好位于長寧背斜區(qū)的前震旦系基底。而在2 km左右及以淺區(qū)域，地震主要是震級小于2.0級的地震。

4.2 頁巖水力壓裂與該區(qū)中等以上地震的關(guān)系

Ellsworth[34]提出了誘發(fā)地震的 2種機制：①注入的直接流體效應（流體壓力擴散）。滲透性儲集體/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，使處于臨界應力狀態(tài)的斷層發(fā)生破裂，從而誘發(fā)地震，其前提是沿斷層發(fā)育高滲透性流體運移通道，可將這一模型稱為（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)應力變化。由于滲透性儲集體/含水層的體積或質(zhì)量變化引起重力負荷的變化和孔隙-熱彈性效應，引起下伏斷層再次活動而誘發(fā)地震，這時斷層與上覆滲透性儲集體/含水層并不直接相連，是由于斷層的負荷條件變化及正應力改變而誘發(fā)地震，可將這一模型稱為間接誘發(fā)模型，下面對這兩種情況分別進行討論。

4.2.1 超壓直接誘發(fā)型

長寧頁巖氣區(qū)塊在2016年1月至2019年1月間發(fā)生了11次M≥4.0、3個M≥5.0的地震，這些地震可能并非是超壓直接誘導型，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以內(nèi)）識別頁巖氣產(chǎn)區(qū)（向斜區(qū)）不存在大斷層（見圖8、圖10）。前文分析表明，長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的反映。志留系本身僅僅發(fā)生平行斷層的滑動，在這一過程中，發(fā)生層平行剪切，形成微裂縫系統(tǒng)，并沒有大—中型斷層在志留系中發(fā)育（見圖8、圖10）。長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（見圖8、圖10），但這些斷層目前并沒有活動（見圖6、圖8）。

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

③構(gòu)造變形機制不同。龍馬溪組的變形僅為層平行剪切過程中微裂縫的反復發(fā)育（見圖13），而地震多是剪切破壞，龍馬溪組內(nèi)部并無大斷層，不能積累起大地震需要的應力，微地震監(jiān)測到的震級都遠遠小于0.5。超壓導致庫倫破壞應力的變化量一般很小，難以達到中等規(guī)模地震級別。

④2011年之前長寧背斜區(qū)已多次發(fā)生地震（見圖3、圖4），那時并沒有壓裂作業(yè)。

4.2.2 重力負荷變化間接誘發(fā)型

若斷層發(fā)育在基底或下伏脆性層中（見圖10），頁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一步評估。但總體看，“入”與“出”之間可能是平衡的，對下伏斷層（例如基底斷層）引起的正應力變化可能并不顯著（這有待于數(shù)值模擬進一步佐證）。

在美國俄亥俄州、俄克拉荷馬州、加拿大英屬哥倫比亞等大規(guī)模進行頁巖氣開采的地區(qū)，還沒有報道過水力壓裂作業(yè)本身直接導致過震級超過 3級的例子[8,35-36]。美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局在關(guān)于頁巖氣開采水力壓裂與誘發(fā)地震關(guān)系的解釋中指出：石油和天然氣開采過程中產(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)地震可在注水點更深位置、更遠距離（超過3 km）發(fā)生，但頁巖氣開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)今或最近幾十年時間尺度上的構(gòu)造活動，屬于活動構(gòu)造范疇；而長寧背斜屬于燕山期—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)？要回答這一問題有相當難度，對上述地震剖面附近 30 km范圍內(nèi)，將經(jīng)重新地震定位的1 990個地震事件投影到深度地震剖面上（見圖14），可以對震源深度與分布特征有較為直觀的認識。由圖15可知，宜賓興文5.7級地震震源投影于基底斷層的斷坡上，珙縣地區(qū)的5.3級地震投影于斷層轉(zhuǎn)折點附近的下方，而其他小于5.0級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。基底之上的震旦系及以上地層雖有地震分布，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級地震，下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組內(nèi)有1次3.0～4.0級地震；志留系內(nèi)有較多的小于2.0級地震分布，整體上呈現(xiàn)出向上地震震級逐漸減小、地震數(shù)量逐漸減少的趨勢。在背斜北翼鮮有地震發(fā)生。

圖14的構(gòu)造模型提供了長寧背斜區(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)為沿斷坡的剪切破壞；其次，在建武向斜轉(zhuǎn)折端和長寧背斜轉(zhuǎn)折端部位（膝折帶發(fā)育區(qū)），受滑動方向沿斷層變化的影響，出現(xiàn)2個較為集中的地震區(qū)域，很明顯這是 2個發(fā)生層平行剪切作用的區(qū)域，地震震級小于5.0，且沿膝折帶向上震級愈小；目前頁巖氣產(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)）無大—中型斷層，無大的地震活動。據(jù)圖14推測，形成長寧背斜的基底斷層發(fā)生了復活，且目前主要發(fā)生在下盤斷坡部位，還未傳遞到北側(cè)的上盤斷坡部位，背斜北翼相對“平靜”?，F(xiàn)今GPS觀測結(jié)果顯示[38]，川西南地區(qū)地殼存在近北西-南東方向的運動趨勢。關(guān)于這一復活的構(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)動構(gòu)造活動的，還有待繼續(xù)深入研究。

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

4.4 亟待深入研究的問題

對已提取的2.0級以上地震的波形數(shù)據(jù)，利用長寧背斜區(qū)及川西南地區(qū)多口井的測井資料約束的速度模型，對重新定位的結(jié)果進行再次檢驗，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？

對長寧、威遠—榮縣區(qū)塊過震中的地震剖面進行精細解釋，落實老斷層/閉鎖斷層的幾何學、運動學特征，建立斷層的初始模型[39-45]，分析先存斷層的空間分布與運動學規(guī)律。

統(tǒng)計流體壓力、工程力學資料，建立構(gòu)造應力場模型，進行流體壓力（包括注入壓力）、應力差、庫倫破裂應力等的定量計算，模擬發(fā)震的主要邊界條件，弄清超壓與地震震級之間的可能關(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，對活動斷裂破裂的可能性進行評估[46-50]；開展頁巖氣開采區(qū)地震活動的長期科學檢測，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

長寧背斜為一大型基底斷層轉(zhuǎn)折褶皺背斜，基底斷層呈臺階狀向四川盆地內(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，長寧背斜吸收了斷層33%的滑移量。

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

長寧背斜區(qū)的地震為天然地震。由于下伏“老”基底斷層下盤斷坡段復活，地震沿基底斷層下盤斷坡及其上、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減小，志留系龍馬溪組中多為2.0級以下小震。長寧背斜區(qū)的地震活動需要長期科學監(jiān)測并分析其發(fā)震規(guī)律。

致謝：中國石油西南油氣田公司提供了長寧背斜及鄰區(qū)的鉆井與地震勘探資料；中國地震局地質(zhì)研究所“活動斷層探測數(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)；國家地震科學數(shù)據(jù)共享中心提供了地震目錄和數(shù)據(jù)；在成文過程中還得到李德生院士、賈承造院士、馬永生院士、張國偉院士的指導，與蔡勛育、徐旭輝、張健、劉波、劉樹根、楊洪志等教授多次討論，受益匪淺；趙文智院士、鄒才能院士、許懷先教授對本文也有一定貢獻，在此一并表示感謝。