郭穎星,朱濤
中國地震局地球物理研究所,北京 100081
四川威遠(yuǎn)—榮縣工業(yè)開采區(qū)位于青藏高原東緣的四川盆地川中構(gòu)造區(qū)(四川省地質(zhì)局,1980),其基底由前震旦紀(jì)深變質(zhì)巖系和淺變質(zhì)巖系組成,沉積蓋層由震旦系至白堊系組成(谷志東等,2012).在開采區(qū)的北部,由于加里東期及印支期等疊合古隆起在燕山—喜山期進(jìn)一步加強(qiáng)與改造,形成現(xiàn)今威遠(yuǎn)大型穹隆背斜構(gòu)造(張?zhí)觳俸屯鯉r,2017).該背斜定型于喜馬拉雅期(包茨等,1985),為斷層傳播背斜(劉順,2001).其長度約100 km,軸向NE-NEE,軸面的走向NE,北西翼較緩,地層傾角1~5°,南東翼略陡,地層傾角8~12°(劉順,2001;劉樹根等,2008;許海龍,2012;李英強(qiáng),2018;易桂喜等,2020)(圖1).工業(yè)開采區(qū)內(nèi)主要出露有砂巖、灰?guī)r、泥巖等強(qiáng)度較弱的巖石(馬麗芳,2002),其含氣頁巖層中含有石英、長石、云母等碎屑礦物以及黏土礦物和碳酸鹽礦物(張?zhí)觳俸屯鯉r, 2017).開采區(qū)內(nèi)天然裂隙較發(fā)育,且以微細(xì)裂隙為主(馬新華等,2020;歐陽明華等,2020).區(qū)內(nèi)主要發(fā)育了早中更新世活動(dòng)的長山鎮(zhèn)斷層、東興場斷層、墨林場斷層、牛頸垇斷層、黃桷坡斷層、長巖斷層等以逆沖型為主的斷層(全國活動(dòng)斷層展示系統(tǒng),http:∥www.neotectonics.cn/arcgis/apps/webappviewer/index.html?id=3c0d 8234c1dc43eaa0bec3ea03bb00bc;四川省地質(zhì)局,1980;圖1).
由于背斜構(gòu)造容易形成巨型背斜油氣圈閉(Hennings et al., 2000),所以在威遠(yuǎn)—榮縣一帶發(fā)育了四川盆地第二大氣田——威遠(yuǎn)氣田,氣藏儲(chǔ)集區(qū)可能以威遠(yuǎn)背斜褶皺構(gòu)造及其相伴生的破裂及裂隙為主.威遠(yuǎn)—榮縣地區(qū)屬于歷史弱震區(qū)(易桂喜等,2020).然而,近幾年來,該地區(qū)的地震活動(dòng)顯著增強(qiáng)(圖2),且2010—2020年之間發(fā)生的1.0級及以上的地震中,約80%的地震的震源深度不超過5 km(據(jù)中國臺網(wǎng)正式地震目錄:https:∥data.earthquake.cn/datashare/report.shtml?PAGEID=earthquake_zhengshi).研究區(qū)內(nèi)的頁巖氣埋深一般小于5 km(王治平等,2021),且存在多個(gè)生產(chǎn)注水壓裂井(圖1).壓裂作業(yè)可能會(huì)產(chǎn)生微裂縫,導(dǎo)致微小地震發(fā)生(Ellsworth, 2013).如果壓裂井附近存在斷層,還可能誘發(fā)較大的地震(王向騰等,2016;Rubinstein and Mahani, 2015;Yang et al.,2020),并對震源附近的基礎(chǔ)設(shè)施造成一定的破壞(Atkinson et al., 2015).
圖1 威遠(yuǎn)—榮縣開采區(qū)MT測點(diǎn)、井位及斷層分布圖井位數(shù)據(jù)來自Yang等(2020).F1:大興場斷層,F(xiàn)2: 牛頸垇斷層,F(xiàn)3:高橋斷層,F(xiàn)4:資中斷層,F(xiàn)5: 長山鎮(zhèn)斷層,F(xiàn)6: 墨林場斷層,F(xiàn)7:東興場斷層,F(xiàn)8: 長巖斷層,F(xiàn)9: 黃桷坡斷層.斷層數(shù)據(jù)選自全國活動(dòng)斷層展示系統(tǒng)(http:∥www.neotectonics.cn/arcgis/apps/webappviewer/index.html?id=3c0d8234c1dc43eaa0bec3ea03bb00bc)以及區(qū)域地質(zhì)報(bào)告(四川省地質(zhì)局,1980);L1—L3為剖面.Fig.1 MT sites, well and faults in the Weiyuan-Rongxian industrial mining areaWell location data are from Yang et al. (2020); Fault data is from national activity fault display system (http:∥www.neotectonics.cn/arcgis/apps/webappviewer/index.html?id=3c0d8234c1dc43eaa0bec3ea03bb00bc) and Regional Geological Survey Report (Sichuan Geological Bureau, 1980). F1: Daxingchang fault, F2: Niujingao fault, F3: Gaoqiao fault, F4: Zizhong fault, F5: Changshanzhen fault, F6: Molinchang fault, F7: Dongxingchang fault, F8: Changyan fault, F9: Huangjuepo fault.
關(guān)于這一區(qū)域的地震成因,前人做過一些研究工作.陳朝偉等(2019)對長寧—威遠(yuǎn)地區(qū)水力壓裂引起的斷層滑移進(jìn)行了研究,得出了斷層滑動(dòng)可能優(yōu)先于水力壓裂發(fā)生的可能性.易桂喜等(2020)獲得了該區(qū)域26個(gè)MS≥3.0地震的震源機(jī)制解以及發(fā)震構(gòu)造的幾何結(jié)構(gòu)特征和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場特征,認(rèn)為該區(qū)域的地震活動(dòng)可能由一系列傾向SE、走向NNE-NE的緩傾角逆斷層的活動(dòng)所導(dǎo)致.曾求等(2020)利用地震背景噪聲成像方法獲得了威遠(yuǎn)地區(qū)三維S波速度模型,認(rèn)為2016年1月7日威遠(yuǎn)ML3.9地震與頁巖氣田鉆井有一定聯(lián)系.通過對發(fā)生在威遠(yuǎn)氣田墨林場斷層附近的2019年2月25日ML4.9地震序列的研究,Yang等(2020)認(rèn)為這些地震的發(fā)生可能是水力壓裂活動(dòng)通過孔隙彈性應(yīng)力傳遞機(jī)制重新激活了斷層活動(dòng)所致.杜廣寶等(2021)認(rèn)為威遠(yuǎn)及鄰區(qū)的地震活動(dòng)與斷層分布無明顯關(guān)聯(lián),但與速度結(jié)構(gòu)變化具有相關(guān)性:在5 km以淺,地震主要分布在S波高速異常區(qū);在7~10 km深度,地震主要發(fā)生在P和S波的高、低速異常轉(zhuǎn)換帶.這些研究對于認(rèn)識威遠(yuǎn)—榮縣一帶地震活動(dòng)及其成因具有重要的幫助,為研究區(qū)油氣資源的開發(fā)提供了一定的指導(dǎo)依據(jù).
圖2 2010—2020年之間在開采區(qū)發(fā)生的1.0級及以上的地震數(shù)目(據(jù)中國地震臺網(wǎng)正式地震目錄:https:∥data.earthquake.cn/datashare/report.shtml?PAGEID=earthquake_zhengshi)Fig.2 Number of earthquakes with magnitude ≥1.0 in the mining area from 2010 to 2020 (according to the official earthquake catalog of China Network: https:∥data.earthquake.cn/datashare/report.shtml?PAGEID=earthquake_zhengshi)
MT是探測地球深部結(jié)構(gòu)的一種重要的地球物理方法.它對巖體電導(dǎo)率反映非常敏感(孫翔宇等,2020),尤其對于具有低阻高導(dǎo)特征的流體或熔融區(qū)域.在開采區(qū),由于水力壓裂作業(yè),會(huì)導(dǎo)致舊裂隙的開裂和新裂隙的產(chǎn)生,且這些裂隙中可能充滿了流體,因此MT可發(fā)揮重要作用.同時(shí),多個(gè)地震發(fā)生區(qū)域的MT探測結(jié)果揭示出地震及余震分布與電阻率結(jié)構(gòu)密切相關(guān)(如,Zhan et al., 2013; Aizawa et al., 2017;Sun et al.,2019;崔騰發(fā)等,2020;孫翔宇等,2020;李大虎等,2021;詹艷等,2021).到目前為止,對威遠(yuǎn)—榮縣工業(yè)開采區(qū)電性結(jié)構(gòu)的探測和研究很少.鑒于此,我們在開采區(qū)內(nèi)布設(shè)了3條MT測線,利用二維反演方法獲得了它們的電阻率分布,據(jù)此分析了開采區(qū)的電性結(jié)構(gòu)特征,推斷了主要斷裂帶的位置和形態(tài),探討了地震活動(dòng)的成因.
如引言所述,本文的探測區(qū)位于四川盆地中部的威遠(yuǎn)大型穹隆背斜構(gòu)造區(qū),發(fā)育著四川盆地第二大的威遠(yuǎn)氣田,同時(shí)也發(fā)育了多條早中更新世活動(dòng)的、地表長度不超過30 km的壓性/壓扭性逆斷裂(圖1):大興場斷層(F1)、牛頸垇斷層(F2)、長山鎮(zhèn)斷層(F5)、墨林場斷層(F6)、東興場斷層(F7)、長巖斷層(F8)和黃桷坡斷層(F9)(全國活動(dòng)斷層展示系統(tǒng),http:∥www.neotectonics.cn/arcgis/apps/webappviewer/index.html?id=3c0d8234c1dc43eaa0bec3ea03bb00bc;四川省地質(zhì)局,1980).其中,大興場斷裂(F1)呈近NS走向,傾向E,傾角陡立,地表總長度約7 km;牛頸垇斷層(F2)位于威遠(yuǎn)背斜北翼,近SN走向,傾向E,傾角20~40°,地表長度約17 km;高橋斷層(F3)和資中斷層(F4)不是第四紀(jì)活動(dòng)斷裂,但都是壓扭性逆斷層.前者(F3)為N10°E走向,傾向W,傾角16~40°,地表長度約10 km;后者(F4)為N10°E走向,傾向E,傾角10~30°,地表長度約14 km;長山鎮(zhèn)斷層(F5)位于威遠(yuǎn)背斜西南端部的北側(cè),近NE走向,傾向SE,傾角30~50°,地表長度約30 km.與大興場斷裂(F1)一樣,長山鎮(zhèn)斷層與威遠(yuǎn)背斜構(gòu)造在成因上密切相關(guān);墨林場斷層(F6)靠近威遠(yuǎn)背斜西南端的南側(cè),走向N30°W,傾向SW,傾角40~45°,地表長度約19 km;東興場斷層(F7)位于F2的南側(cè),近EW走向,傾向S,傾角50~60°,地表長度約16 km;長巖斷層(F8)及黃桷坡斷層(F9)位于研究區(qū)東南部,前者(F8)走向N50°E,傾向NW,傾角30~80°,地表長度約9 km,后者(F9)走向N60°W,傾向SW,傾角20~35°,地表長度約13 km.
在研究區(qū)內(nèi)布設(shè)了3條MT剖面(圖1),其中L1、L2剖面位于威遠(yuǎn)背斜北側(cè),呈EW向展布.L1主要經(jīng)過了近NS走向的大興場斷層(F1)和牛頸垇斷層(F2),共10個(gè)測點(diǎn),點(diǎn)距約10 km,長度約88 km;L2主要經(jīng)過了近NS走向的大興場斷層(F1)、牛頸垇斷層(F2)、高橋斷層(F3)和資中斷層(F4),共14個(gè)測點(diǎn),點(diǎn)距約5~10 km,長度約88 km.L3剖面為NW-SE走向,經(jīng)過了軸面走向NE的威遠(yuǎn)背斜和大興場斷層F1,共11個(gè)測點(diǎn),點(diǎn)距約5~18 km,長度約100 km.
野外數(shù)據(jù)采集使用了加拿大鳳凰公司制造的具有GPS同步功能的MTU-5A大地電磁測量系統(tǒng)完成.每個(gè)測點(diǎn)的采集時(shí)間至少為55 h.最高有效頻率為320 Hz,大部分測點(diǎn)的最低有效頻率達(dá)到了2000 s.由于觀測區(qū)域的電磁干擾強(qiáng),為了保證數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量,采用了遠(yuǎn)參考道的觀測方式(Gamble et al.,1979).所采集到的原始數(shù)據(jù)使用SSMT2000和MTeditor進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、編輯和生成功率譜edi文件.同時(shí)采用了帶遠(yuǎn)參考的Robust技術(shù)(Egbert and Booker, 1986;Egbert,1997)來提高數(shù)據(jù)質(zhì)量.
圖3為所有測點(diǎn)的視電阻率和阻抗相位曲線圖.可以看出,視電阻率和相位曲線的極值和拐點(diǎn)對應(yīng)良好,說明二者具有良好的一致性;研究區(qū)域的視電阻率基本上位于101~102Ωm之間,表明研究區(qū)視電阻率總體上較低.剖面L1和L2的視電阻率曲線(圖3a,b)揭示出,從320~1 Hz的視電阻率接近10 Ωm,然后隨著周期增加到2000 s,視電阻率則逐漸增大到100 Ωm,表明了在探測區(qū)域的北部,電阻率隨著深度的加深而逐漸增大.也就是說,在探測區(qū)域的北部,具有淺低(阻)深高(阻)的電性結(jié)構(gòu)特征.剖面L3(圖3c)揭示出,在測點(diǎn)26號之前,呈現(xiàn)出了與剖面L1和L2相同的視電阻率和頻率的關(guān)系(即在西北部具有淺低(阻)深高(阻)的電性結(jié)構(gòu)特征),但是在該測點(diǎn)之后,視電阻率隨著頻率的變化而變化的幅度很小,基本上在10 Ωm左右,這表明探測區(qū)域更深的部位,西北部和東南部的電性結(jié)構(gòu)存在差異(即橫向非均勻性),以及東南部的電性結(jié)構(gòu)相對均勻且高導(dǎo)層(區(qū))延伸到了更深的部位.
L1剖面經(jīng)過了斷層F1和F2,L2剖面經(jīng)過了斷層F1、F2、F3和F4(圖1).斷層穿過區(qū)域的測點(diǎn)(L1:測點(diǎn)3和5;L2:測點(diǎn)13、15、20和21)與其兩側(cè)測點(diǎn)的視電阻率和相位曲線的差異不明顯(圖3a,b),可能表明了斷層F1、F2、F3和F4兩側(cè)的電性結(jié)構(gòu)差異較??;剖面L3分別在測點(diǎn)13、測點(diǎn)26—27之間和31—32之間經(jīng)過了斷層F1、F5和F8(圖1).測點(diǎn)13以及測點(diǎn)31—32與其兩側(cè)測點(diǎn)的視電阻率和相位曲線的差異不明顯(圖3c),而測點(diǎn)26與其東南側(cè)測點(diǎn)的視電阻率和相位曲線存在較明顯的差異,可能表明了斷層F1和F8兩側(cè)的電性結(jié)構(gòu)差異較小,而斷層F5兩側(cè)的電性結(jié)構(gòu)具有明顯的差異.
在320 Hz~2000 s頻段內(nèi),使用MT-pioneer軟件(陳小斌等,2004)中的相位張量分解技術(shù)(Caldwell et al.,2004)分別獲得了每條剖面的相位張量電性主軸方位角的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.在統(tǒng)計(jì)前,針對每一個(gè)測點(diǎn)的視電阻率和相位,利用MT-pioneer軟件中的Rhoplus(Parker and Booker,1996)一維反演方法進(jìn)行了擬合,然后選擇出了擬合程度差的頻點(diǎn),標(biāo)記為質(zhì)量差的頻點(diǎn).在統(tǒng)計(jì)中將這些質(zhì)量差的頻點(diǎn)排除在統(tǒng)計(jì)范圍之外,同時(shí)增加二維性較強(qiáng)的頻點(diǎn)的權(quán)重,結(jié)果如圖4所示.
圖4揭示出,剖面L1和L2的電性主軸方位接近正南北方向,分別為2°(即北2°東)和-2°(即北2°西),可能表明這兩條剖面反映的主要構(gòu)造呈近南北走向;剖面L3的電性主軸方位分布不如剖面L1和L2的集中,大致為60°(即北60°東)或-30°(即北30°西).考慮到該剖面自北西至南東橫穿的威遠(yuǎn)背斜的軸面走向約為北東向,因此在反演前將L3剖面按60°進(jìn)行了旋轉(zhuǎn).
圖3 三條剖面測點(diǎn)視電阻率和相位曲線(a)、(b)、(c)分別為L1、L2、L3剖面,藍(lán)色為ρXY,紅色為ρYX.Fig.3 Apparent resistivity and phase curves of 3 profiles(a), (b), and (c) are L1, L2, and L3 respectively. Blue: ρXY, Red: ρYX.
圖4 電性主軸方向分析結(jié)果,統(tǒng)計(jì)周期為320 Hz~2000 s(a) 剖面L1; (b) 剖面L2; (c) 剖面L3.Fig.4 Rose diagrams of the geoelectrical strike statistic within the frequency range from 320 Hz to 2000 s for (a) Line 1, (b) Line 2, (c) Line 3
2.3 區(qū)域二維性分析
相位張量二維偏離度S2D可以用來判定區(qū)域維性特征(Bibby et al., 2005).當(dāng)S2D≤0.2時(shí),可認(rèn)為探測區(qū)域主要為一維或二維電性結(jié)構(gòu);當(dāng)S2D>0.2時(shí),則可認(rèn)為探測區(qū)域以三維電性結(jié)構(gòu)為主.3條剖面的二維偏離度S2D分布圖(圖5)表明,3條剖面的S2D基本上小于0.2,表明探測區(qū)域以二維電性結(jié)構(gòu)為主.但是,3條剖面的S2D均在局部存在明顯大于0.2的情形.比如,剖面L1的測點(diǎn)2的3~1000 s、測點(diǎn)8的0.2~5 s和剖面L2的測點(diǎn)20、21和22的5~2000 s(圖5),表明在這些測線的某些局部區(qū)域存在三維電性結(jié)構(gòu).不過,這些區(qū)域在剖面范圍內(nèi)所占比例較小,即研究區(qū)的電性結(jié)構(gòu)整體上表現(xiàn)出較強(qiáng)的二維特性.
圖5 三條剖面二維偏離度白色區(qū)域代表實(shí)際反演中未使用的質(zhì)量差的頻點(diǎn)數(shù)據(jù).Fig.5 Two-dimensional skewness for 3 MT profilesThe white-colored areas stand for the poor frequency point data which are excluded.
2.4 二維反演
通過對觀測數(shù)據(jù)的分析,我們對探測區(qū)域的電性結(jié)構(gòu)及構(gòu)造分布特征已經(jīng)有了一個(gè)初步的認(rèn)識.但是這個(gè)認(rèn)識的正確性,需要通過反演獲得的更確切的電阻率-深度對應(yīng)關(guān)系來進(jìn)行驗(yàn)證.
本文采用了MT-Pioneer軟件包中的二維非線性共軛梯度算法(Rodi and Mackie,2001)進(jìn)行反演計(jì)算.由于TE模式對電性結(jié)構(gòu)的二維性的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TM模式(蔡軍濤和陳小斌,2010),因此我們僅采用了TM模式來進(jìn)行反演.在反演中,將視電阻率的門限誤差設(shè)為2 %,相位的門限誤差設(shè)為0.01弧度.
采用了MT-Pioneer集成的測點(diǎn)中心網(wǎng)格自動(dòng)生成技術(shù)(陳小斌和趙國澤,2009)來構(gòu)建光滑的橫向網(wǎng)格;采用分段設(shè)置遞增比例因子來構(gòu)建縱向網(wǎng)格;以及以測點(diǎn)海拔數(shù)據(jù)為依據(jù),采用自動(dòng)搜索的方法生成地形部分的網(wǎng)格(如,陳小斌等,2019).最終,L1—L3剖面在水平方向的網(wǎng)格數(shù)分別為114、112和116,垂直方向的網(wǎng)格數(shù)分別為125、148和118.采用了電阻率為100 Ωm的均勻半空間作為初始模型.
由于二維反演結(jié)果受正則化因子的影響較大,為了獲得合適的正則化因子來保證模型的光滑度和對原始數(shù)據(jù)的良好擬合(如,F(xiàn)arquharson and Oldenburg,2004;葉濤等,2013;韓江濤等,2019),在0.1~1000的范圍內(nèi),我們對3條剖面分別選取了17個(gè)正則化因子值進(jìn)行了反演計(jì)算.通過分析模型對實(shí)測數(shù)據(jù)擬合的均方根誤差(RMS)和模型粗糙度(Roughness)之間的曲線(L曲線,圖6;Hansen,1992),獲得L1—L3剖面的最優(yōu)正則化因子分別為15、15和25.
圖7顯示了L1—L3剖面的視電阻率和相位實(shí)測數(shù)據(jù)與模型響應(yīng)數(shù)據(jù)擬斷面的對比.從圖7可以看出,利用二維反演獲得3條剖面的理論響應(yīng)與實(shí)測視電阻率和阻抗相位數(shù)據(jù)均擬合良好,表明了觀測數(shù)據(jù)對反演結(jié)果的良好約束.
圖6 模型響應(yīng)對實(shí)測數(shù)據(jù)擬合的均方根誤差(RMS)和模型粗糙度(Roughness)之間的曲線(L曲線)曲線上的數(shù)值代表正則化因子的大小.Fig.6 Curves of the root mean square error (RMS) of model response fitting to measured data with model roughness (L curve)The values on the curvestand for regularization factor.
圖7 (a)L1、(b)L2和(c)L3剖面的觀測數(shù)據(jù)與反演模型響應(yīng)的擬斷面Fig.7 Pseudo sections of measured data and model response for profiles (a) L1, (b) L2 and (c) L3
圖8 威遠(yuǎn)—榮縣工業(yè)開采區(qū)電性結(jié)構(gòu)及地震分布地震數(shù)據(jù)由杜廣寶等(2021)對2019年1月1日—2020年6月30日的地震重定位結(jié)果和中國地震臺網(wǎng)正式地震目錄中的2020年7月1日—2021年7月31日的地震組成. (a)、(b)、(c)分別為L1,L2和L3.Fig.8 Electrical structure and the distribution of earthquakes within the Weiyuan-Rongxian industrial areaEarthquake data are composed of the relocated earthquakes from January 1, 2019 to June 30, 2020 by Du et al. (2021) and the earthquakes from July 1, 2020 to July 31, 2021 listed in the official earthquake catalogue of China Seismic Networks. (a), (b) and (c) are L1, L2 and L3, respectively.
3條剖面的反演結(jié)果(圖8)揭示出,開采區(qū)內(nèi)約5 km以淺區(qū)域的電阻率較低(10~30 Ωm),且存在著電阻率非常低(<5 Ωm)的多個(gè)孤立的局部區(qū)域.它們主要分布在L1剖面的測點(diǎn)1—2、6—7和9—10,L2剖面的測點(diǎn)11—12、14—18和19—23,以及L3剖面的測點(diǎn)25—13、26—27和29—30之間的區(qū)域.
在5 km以深的層位,L1和L2剖面的成像結(jié)果(圖8a,b)揭示出,探測區(qū)域北部以測點(diǎn)7和19為界,其西側(cè)的電性結(jié)構(gòu)由淺到深為高、低阻層分布特征,而其東側(cè)的電性結(jié)構(gòu)比較均勻.高阻層由西向東(圖8a或圖8b)、由北向南(對比圖8a和圖8b)存在變薄的趨勢.在L1剖面的最西端(水平坐標(biāo)0 km),高阻層基本上延伸到了約20 km深度,而向東到測點(diǎn)7(水平坐標(biāo)約60 km)附近,其底界面的深度已經(jīng)變淺到約10 km(圖8a);在L2剖面的西端,高阻層基本上延伸到了約15 km深度,而向東到測點(diǎn)19(水平坐標(biāo)約60 km)附近時(shí)該深度已經(jīng)變淺為約7 km(圖8b).另外,L1和L2剖面還揭示出該深度(5 km以深)的層位整體上呈現(xiàn)出了西傾的特征,這應(yīng)該是對威遠(yuǎn)背斜的反映(劉順,2001).L3剖面的結(jié)果(圖8c)揭示出,以水平坐標(biāo)約40 km為界,電阻率結(jié)構(gòu)具有明顯的差異.它(即水平坐標(biāo)約40 km)的西北側(cè)為高阻體且延伸到了20 km以深的層位,而東南側(cè)電阻率明顯低于西北側(cè),并呈現(xiàn)多個(gè)局部低阻體向下延伸的特征.
探測區(qū)域內(nèi)發(fā)育著多條規(guī)模不大的活動(dòng)斷裂F1—F9,它們的地表長度不超過30 km(全國活動(dòng)斷層展示系統(tǒng),http:∥www.neotectonics.cn/arcgis/apps/webappviewer/index.html?id=3c0d8234c1dc43ea a0bec3ea03bb00bc;四川省地質(zhì)局,1980).我們的L1—L3剖面幾乎垂直于斷層的走向經(jīng)過了一些斷層(圖1),對它們具有明顯的反映(圖8).
L1剖面位于威遠(yuǎn)背斜北側(cè),剖面經(jīng)過的斷層從西到東主要為測點(diǎn)3附近、SN走向的大興場斷層F1和測點(diǎn)5附近、NNE走向的牛頸垇斷層F2(圖1).圖8a揭示出,在L1剖面的測點(diǎn)2—3(水平坐標(biāo)約13 km)和測點(diǎn)4—5(水平坐標(biāo)約33 km)之間存在明顯的電性結(jié)構(gòu)間斷面(高電阻率梯度帶),推測前者為F1、后者為F2在L1剖面上的反映,即為它們從L1剖面上穿過的位置.F1很陡,從電性結(jié)構(gòu)圖上難以推斷出傾向,其西側(cè)為低阻體,而東側(cè)為高阻體.F2傾向?yàn)镋,與F1兩側(cè)的電性結(jié)構(gòu)正好相反,即其西側(cè)為高阻體,而東側(cè)為低阻體.位于水平坐標(biāo)約13和33 km處的這兩個(gè)電性間斷面向深部延伸不超過5 km深度,其下方是非常完整的高阻體,表明F2和F1的向下延伸不超過5 km深度.
L2剖面從西到東經(jīng)過的斷層主要為大興場斷層(F1)、牛頸垇斷層(F2)、高橋斷層(F3)和資中斷層(F4).它們分別從L2剖面的測點(diǎn)13附近、測點(diǎn)15附近、測點(diǎn)21—22和測點(diǎn)20—21之間穿過(圖1).L2的電性結(jié)構(gòu)分布圖(圖8b)揭示出,在測點(diǎn)12—13(水平坐標(biāo)約16 km)、測點(diǎn)15—16(水平坐標(biāo)約36 km)和測點(diǎn)21—22(水平坐標(biāo)約72 km)之間存在明顯的電性結(jié)構(gòu)間斷面,它們的下端深度基本上不超5 km且存在由西向東逐漸變淺的趨勢,因此推測F1、F2和F4分別從這三個(gè)水平坐標(biāo)(即,16、36和72 km)處穿過,且斷層的下端埋深可能不超過5 km.與穿過L1剖面(圖8a)的一樣,斷層F1在L2剖面中也表現(xiàn)出了高傾角,且其西側(cè)為低阻、東側(cè)為高阻的特征;斷層F2在L2剖面中的傾向仍然為E,但其西側(cè)變?yōu)榱说妥?、東側(cè)為高阻.斷層F4的傾向東,其兩側(cè)均表現(xiàn)為低阻特征,且電阻率差異較小.測點(diǎn)20—21之間的水平坐標(biāo)約67 km(圖8b)兩側(cè)的電阻率結(jié)構(gòu)也具有明顯的差異,這可能是高橋斷層F3(未在圖8b中標(biāo)示出來)從L2剖面中穿過的位置.不過它延伸的深度可能很淺,推測不超過2 km深度.
L3剖面沿北西-南東走向跨越威遠(yuǎn)背斜.大興場斷層F1、長山鎮(zhèn)斷層F5和長巖斷層F8分別從L3剖面的測點(diǎn)13附近、測點(diǎn)26—27之間和測點(diǎn)31—32之間穿過(圖1).反演獲得的電性結(jié)構(gòu)分布圖(圖8c)揭示出,分別在水平坐標(biāo)約28 km(測點(diǎn)13附近)、39 km(測點(diǎn)26—27之間)和88 km(測點(diǎn)31—32之間)處存在明顯的電性結(jié)構(gòu)間斷面,推測它們分別為斷層F1、F5和F8在L3剖面中的反映.斷層F1與在剖面L1和L2中一樣,具有很陡的角度,但西側(cè)為低阻區(qū),而東側(cè)的電阻率相對較高,且其下端延伸不超過5 km深度.斷層F5的傾向SE,傾角較大,可能超過了70°;其西側(cè)為比較完整的高阻體,而東側(cè)則為相對完整的低阻體;其下端的埋深可能超過了20 km.斷層F8的傾向NW,高傾角,可能超過了70°;其西側(cè)的電阻率較高,而東側(cè)的相對較低;其下延深度可能超過了10 km.
地震活動(dòng)與地殼電性結(jié)構(gòu)具有一定的關(guān)系.Zhao等(2012)的研究表明汶川MW7.9地震發(fā)生在高阻體內(nèi)的低電阻率區(qū)域.萬戰(zhàn)生等(2010)認(rèn)為地殼內(nèi)低阻層發(fā)生橫向變化的區(qū)域地震活動(dòng)較強(qiáng).Zhan等(2013)指出蘆山地震下部的高阻體相對連續(xù),并沒有發(fā)現(xiàn)高阻體內(nèi)的局部低阻區(qū)域.為進(jìn)一步探究開采區(qū)地震活動(dòng)性與地殼電阻率的關(guān)系,我們將2019年1月1日—2021年7月31日之間發(fā)生在距測線約5 km范圍內(nèi)的地震震中投影到了剖面L2和L3的電性結(jié)構(gòu)剖面(圖8)中,然后進(jìn)行對比分析.
在L2剖面(圖8b)中,地震主要集中剖面東側(cè)的測點(diǎn)19—23之間,在測點(diǎn)17、18和24附近有少量地震,它們主要集中在10 km深度范圍內(nèi)的高阻和低阻的過渡區(qū).雖然在這一局部區(qū)域存在出露地表的斷層F3、F4,但是地震并不是集中在斷層附近且沿著斷層面呈線性分布.對于L3剖面(圖8c),地震主要集中分布在測點(diǎn)27、28、29、30和31之下10 km以上的低阻分布區(qū)域內(nèi)的高阻和低阻過渡帶,地震沒有集中在斷層F1、F5和F8附近且沿著斷層面呈線性分布.這些結(jié)果表明,研究區(qū)內(nèi)的斷層并不是地震的主控因素.
在本文的研究區(qū)內(nèi),近年來地震活動(dòng)顯著增強(qiáng),地震數(shù)目明顯增加(圖2).
雖然絕大多數(shù)(占圖8中地震總數(shù)的約92%)地震震級不大(基本上小于2.0級),但是它們大多(占圖8中地震總數(shù)的約84%)發(fā)生在5 km以淺的區(qū)域,與該區(qū)域內(nèi)頁巖氣埋深相當(dāng),因此明確其地下電性結(jié)構(gòu)以及地震活動(dòng)的主控機(jī)制非常重要.本文在研究區(qū)域內(nèi)布設(shè)了3條大地電磁測深剖面,利用二維反演方法獲得了它們的電性結(jié)構(gòu)分布,據(jù)此分析了研究區(qū)域的電性結(jié)構(gòu)和主要斷層特征,并結(jié)合地震震中的分布特征,探討了研究區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)的主控因素.
在研究區(qū)域5 km以淺的區(qū)域的電阻率較低(10~30 Ωm),且存在著電阻率很低(<5 Ωm)的多個(gè)孤立的局部區(qū)域(圖8).這些電阻率值遠(yuǎn)低于常見巖石、礦物在相應(yīng)溫度、壓力下的電阻率.地震P和S波成像結(jié)果(杜廣寶等,2021)表明,在研究區(qū)域5 km,尤其是4 km以淺的區(qū)域,存在著明顯的低速異常區(qū).對比分析剖面L2東部(水平坐標(biāo)大于約44 km的部分)的電性結(jié)構(gòu)與其鄰近的杜廣寶等(2021;其中圖12)的具有相同水平范圍的C-C′地震P、S波波速比剖面,發(fā)現(xiàn)電阻率低(高)的區(qū)域與波速比高(低)的區(qū)域具有良好的一致性,這表明了本文結(jié)果的可靠性.區(qū)內(nèi)的頁巖氣主要儲(chǔ)存在5 km以淺的區(qū)域(王治平等,2021).在頁巖氣開采過程中,一般情況下會(huì)對儲(chǔ)層進(jìn)行水力壓裂,從而導(dǎo)致舊裂隙的張開、新裂隙的產(chǎn)生以及在這些裂隙(區(qū))充滿了電阻率低的壓裂液.因此這種低速、低阻異常結(jié)構(gòu)特征可能反映了研究區(qū)內(nèi)水力壓裂后的充滿了壓裂液的局部區(qū)域.
研究區(qū)域內(nèi)存在多條早、中更新世活動(dòng)的斷裂.雖然這些斷裂的規(guī)模不大,出露在地表的長度一般不超過30 km,但是明確它們與研究區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)的關(guān)系是非常重要的.本文的探測結(jié)果揭示了這些斷層的深部結(jié)構(gòu)和延伸狀態(tài).除了長山鎮(zhèn)斷層F5可能延伸到了20 km深度以深外,其他斷層的延伸一般不超過5 km深度.研究區(qū)域內(nèi)的地震主要發(fā)生在10 km深度范圍內(nèi)的高阻和低阻的過渡區(qū),并不集中在斷層附近且不沿著斷層呈線性分布.地震成像結(jié)果揭示出這些地震也主要分布在P和S波高、低速異常轉(zhuǎn)換帶,而與斷層帶的分布沒有明顯的關(guān)聯(lián).這些結(jié)果可能表明了研究區(qū)域內(nèi)的地震不是斷層活動(dòng)引起的.同時(shí)也表明了本文的電性探測結(jié)果與地震層析成像結(jié)果是一致的.正如上面所述,在研究區(qū)域內(nèi)的工業(yè)開采活動(dòng)中,水力壓裂作業(yè)會(huì)導(dǎo)致舊裂隙的張開和新裂隙的產(chǎn)生,而且被壓裂層位的深度與大量地震震源深度相當(dāng),且在剖面L3附近存在水力壓裂井(圖1),可能表明了研究區(qū)域內(nèi)的地震活動(dòng)性與水力壓裂作業(yè)有關(guān).然而,在墨林場斷層F6的東北側(cè)和高橋斷層F3、資中斷層F4的南側(cè)發(fā)生了多個(gè)MS3.0以上的地震.根據(jù)它們的震源機(jī)制解,易桂喜等(2020)推測可能是威遠(yuǎn)背斜南翼一系列傾向SE、走向NNE-NE的緩傾角逆斷層活動(dòng)導(dǎo)致了這些地震的發(fā)生.Yang等(2020)結(jié)合地震與測地學(xué)數(shù)據(jù)對發(fā)生在威遠(yuǎn)氣田墨林場斷層附近的2019年2月25日ML4.9地震序列的發(fā)震機(jī)制進(jìn)行了分析,認(rèn)為它們的發(fā)生可能是水力壓裂活動(dòng)重新激活了斷層活動(dòng)而造成的.因此,研究區(qū)域內(nèi)近年來不斷頻發(fā)的地震可能是由注水壓裂及斷裂活動(dòng)等多種因素共同造成的.
利用MT探測了威遠(yuǎn)—榮縣工業(yè)開采區(qū)的地殼電性結(jié)構(gòu),獲得了以下認(rèn)識:
(1)開采區(qū)約5 km以淺的區(qū)域的電阻率較低(10~30 Ωm),同時(shí)存在著電阻率非常低(< 5 Ωm)的多個(gè)孤立的局部區(qū)域,在L3剖面27—30號測點(diǎn)附近存在多個(gè)生產(chǎn)注水井,因此,電導(dǎo)率剖面上局部低阻區(qū)域可能主要反映了頁巖氣藏及其開采過程中注水壓裂后的電性結(jié)構(gòu).在開采區(qū)北部5 km以深的區(qū)域,測點(diǎn)7和19(水平坐標(biāo)約60 km;圖8a,b)西側(cè)的電性結(jié)構(gòu)高、低阻層分布特征,且高阻層由西向東、由北向南存在變薄的趨勢;東側(cè)的電性結(jié)構(gòu)比較均勻.開采區(qū)西北部(以L3剖面中的水平坐標(biāo)約40 km為界;圖8c)5 km以深的區(qū)域?yàn)檠由斓搅?0 km以深的比較均勻的高阻體,而東南部電阻率明顯低于西北側(cè),并呈現(xiàn)多個(gè)局部低阻體向下延伸的特征.
(2)三條剖面的大地電磁測深反演結(jié)果揭示出了它們經(jīng)過的區(qū)域內(nèi)的主要斷層.大興場斷層F1分別從L1剖面的水平坐標(biāo)約13 km(圖8a)和L2剖面的水平坐標(biāo)約16 km(圖8b)處穿過;傾角很大,從電性結(jié)構(gòu)圖上難以推斷出傾向;斷層西側(cè)為低阻體,而東側(cè)為高阻體;下端延伸不超過5 km深度.牛頸垇斷層F2分別從L1剖面的水平坐標(biāo)約33 km(圖8a)和L2剖面的水平坐標(biāo)約36 km(圖8b)處穿過;傾向?yàn)镋,斷層西側(cè)為高阻體,而東側(cè)為低阻體;下端延伸不超過5 km深度.資中斷層F4從L2剖面的水平坐標(biāo)約72 km(圖8b)處穿過;傾向東,斷層兩側(cè)均表現(xiàn)為低阻特征;下端延伸不超過5 km深度.長山鎮(zhèn)斷層F5從L3剖面的水平坐標(biāo)約39 km(圖8c)處穿過;傾向SE,傾角可能超過了70°;斷層西側(cè)為比較完整的高阻體,而東側(cè)則為相對完整的低阻體;其下端的埋深可能超過了20 km.長巖斷層F8從L3剖面的水平坐標(biāo)約88 km(圖8c)處穿過;傾向NW,傾角可能超過了70°;斷層西側(cè)的電阻率較高,而東側(cè)的相對較低;其下延深度可能超過了10 km.(3)地震主要集中在10 km深度范圍內(nèi)的高阻和低阻的過渡區(qū),沒有集中在斷層附近且沿著斷層面呈線性分布,表明開采區(qū)內(nèi)斷層不是地震活動(dòng)的主控因素.
致謝本文的改進(jìn)得益于三位匿名審稿專家提出的建設(shè)性意見和建議.本研究野外數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量控制和室內(nèi)數(shù)據(jù)處理與反演方面得到了中國地震局地質(zhì)研究所詹艷研究員和孫翔宇博士、應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院陳小斌研究員的幫助;中國地震局地球物理研究所的張瑞青研究員提供了杜廣寶等(2021)論文中的地震重定位數(shù)據(jù),李金臣副研究員提供了斷層資料.在此一并表示感謝.