范晓︱四川泸县6.0级地震的地质构造背景

四川泸县6.0级地震的地质构造背景

撰文/范晓

2021年9月16日凌晨4点33分31秒，四川省泸州市泸县境内发生6.0级地震。这是自2019年6月17日，四川省宜宾市长宁县境内发生6.0级地震之后，川南地区再次发生6级强震，而且这都是上述两地自有历史地震记录以来，首次发生6级强震。这里所说的历史地震记录，包括20世纪以来有现代地震仪器观测的记录，以及自从公元前26年史籍中有地震记载以来，根据震害描述反推的地震震级。

据报道，截至9月16日11时，泸县6级地震已经导致3人死亡，3人重伤，85人轻伤，紧急转移73755人，紧急转移安置3212人。此次地震还造成该县居民房屋倒塌1221处，严重损坏3285间、一般受损20004间；37个通讯基站断站；5条10kv电力线路停运，共计300台区、20000户用户停电；96家企业受损。

另据报道，截至9月17日，泸州、宜宾、内江、自贡、资阳等震损区域已发现小型水库42座、堤防10处5.62公里、灌溉工程32处12.2公里、供水工程9处8公里不同程度受损，造成直接经济损失3181万元。

据中国地震台网发布的信息，泸县6级地震震中位于北纬29.20度，东经105.34度，震源深度10公里。

该地震震中的具体地理位置，在泸县的主城区（原福集镇）以北、嘉明镇以南，大田与太和场之间。

在地貌上，震中位于四川盆地的川中丘陵与川东平行岭谷的过渡地带，处在华蓥山脉向西南方向延伸的分支及余脉之间的宽谷中，震中西北侧为螺观山，东南侧是古佛山（薄刀岭）。

2021年9月16日泸县6级地震震中的地理位置（图中红五星处）

四川盆地的地貌，之所以由川中丘陵向东转变为以华蓥山领头的川东平行岭谷，正是由于华蓥山断裂带自东向西的滑移错动推覆，导致华蓥山及其以东一系列东北走向的褶皱山脉与谷地的形成。

华蓥山断裂带是二百多万年以来一直在活动的断裂，但是它的活动性远不能和青藏高原周缘以及横断山诸如龙门山、鲜水河那些断裂相比。因此，在华蓥山断裂带南端的泸县境内发生6级强震，不能不说是一个令人吃惊的事件。

2021年9月16日泸县6级地震震中的地质构造背景。该震中位于华蓥山褶皱断裂带的南端。图中浅蓝和蓝色部分，是侏罗系红色砂岩与页岩分布区；图右侧呈带状的紫红色部分，是华蓥山褶皱山脉及其出露的三叠系等地层；黑色线条是断层。

2021年9月16日泸县6级地震震中（图中红五星处）的地质构造背景。图中呈带状的墨绿色、砖红色部分，是出露三叠系、下侏罗系地层的华蓥山余脉，其余的浅蓝色部分，是由中侏罗系地层构成的丘陵。（据1：20万泸州幅地质图）

泸县6级地震震中虽然不是直接位于地表的华蓥山断裂上，但该震中西侧的华蓥山断裂的主断面是向东倾斜的，而震中是震源在地表的垂直投影，如果由震中向下引垂直线，震源极可能是在华蓥山断裂的断面上。

 图中的等烈度区域的长轴方向为北东-南西向，与华蓥山断裂带平行。表明华蓥山断裂带的断层可能为发震断层。

四川盆地是中国页岩气蕴藏量最丰富的地区，而四川盆地南部的泸州、宜宾、自贡、内江一带，因为岩层褶皱形成的若干穹隆（背斜），使页岩气开发的目标页岩层——志留系龙马溪组、奥陶系五峰组、寒武系筇竹寺组在地下深部的高度相对抬升，成为四川盆地页岩气开发的主要靶区，目前已设立国家级页岩气示范区，2011年以来已成为页岩气高强度开发的重点区域。

由于川南地区近年来频繁发生的中强震甚至强震，与该地的页岩气开发存在时序上以及空间上的关联，因此这些地震与页岩气开发的关系，已成为业界及社会关注的焦点。

早在20世纪60年代，在美国丹佛，人们就观察到了往深井灌注工业废水诱发地震的现象。往地下深部注水诱发地震的主要原因，是因为加压注入深部的流体，使岩石孔隙以及断层裂隙中的压力增加，以及岩石温度变化和地层变形，这都会导致已有断层活化。

四川盆地的这些工业注水活动，主要包括：往深部灌注因天然气开采产生的废水；为采盐向深部盐层注水；页岩气开采为压裂页岩注水。其中，由于页岩气开采需要将深部的页岩层压裂，因此在大量注水的同时，要施加600至700个标准大气压的压力。一方面，它会因岩石被压裂产生微震、小震；另一方面，在地下已存在活动断裂的背景下，极有可能诱发中强震甚至强震。

据雷兴林（2020）提供的数据统计，整个四川盆地≥5级的地震的发生频率：没有工业注水的1610年至1953年，343年间仅有10次；有灌注工业废水和采盐注水，无页岩气开采的1954年至2009年，55年间发生12次；既有灌注工业废水和采盐注水，又有页岩气开采的2010年至2020年，仅10年间就发生14次。

川南地区的页岩气开采，集中在威远、长宁、富顺-永川这三个有利区，它们分别位于地质构造上的威远穹隆、珙县-长宁背斜、华蓥山褶皱带南段这三个部位。此次发生6级地震的泸县，即位于富顺-永川页岩气开发有利区内。

四川盆地南部三个页岩气开发有利区（国家级页岩气示范区）。（据谢军，2018）

据王向腾等（2016）、雷兴林等（2017、2019、2020）的研究，在四川盆地的几个页岩气示范区中，长宁、威远示范区都表现出较强烈的诱发地震活动。

确定地震与水力压裂有关的主要证据有：地震震中集聚在以压裂注水井群为中心的区域内；观测到的震源位于正在实施压裂作业的水平井的顶端；因压裂作业造成了已有断层上的流体压力增加；在时间关系上，地震发生时，水力压裂正在进行或结束不久；地震活动的周期与水力压裂作业周期同步，其中观测到2020年1月20日至3月8日，因为春节假期和新冠疫情，压裂作业暂停，地震活动也显著下降。

在长宁示范区内的珙县上罗镇附近的区块，2011年开始评估性的水平井钻探和压裂，2014年开始规模化的水平井压裂。与水平井水力压裂开始的时间同步，该地区的地震活动出现跳跃式急剧增加，地震分布范围随压裂平台的增加而扩大。迄今为止，已观测到2400多次≥1.0级的地震，其中包括10次≥4.0级的地震、4次≥5.0级的地震。2018年12月16日发生的5.7级地震，刷新了页岩气水力压裂诱发地震的最大震级记录，该次地震最大烈度为Ⅶ度，在地表产生了较严重的破坏。之后，2019年6月17日，长宁双河发生的6级地震，据雷兴林等初步研究认为，主要和该地长达40年的注水采盐活动有关。

在威远-荣县页岩气示范区，历史上地震活动性较低，但在水力压裂作业开始后，地震活动性显著增加。与长宁示范区比较，威远-荣县示范区的目标页岩层埋藏深度更大，水力压裂的压力也更高。通过精确定位处理，获得该示范区2015年至2020年3月，总共12596次≥1.2级的地震数据。

威远-荣县示范区可分为威东、威西两个子区块，在威东子区块，规模化压裂开始后的前四年，最大震级为3.6级。2019年以来，已有的断层出现明显的活化迹象，在2019年9月8日、12月18日先后发生5.4级地震、5.2级地震。

在威西子区块，破坏性地震较威东子区块更多。自2015年以来，共观测到7次4～4.9级地震. 特别是2019年以来，相继发生的中强震有：2019年2月24～25日，4.7级、4.3级和4.9级三次地震；2019年9月8日4.3级地震；2020年2月17日4.4 级地震；2020年2月25日4.3级地震。

威远页岩气开发示范区的地震活动（据雷兴林，2020）

从图中可以看到2015年1月至2019年2月，≥1.5级的地震与页岩气开采井之间的空间关系。上图是平面图，下两图是剖面图。灰色圆与沙漏状蓝色图形的符号，表示地震震源机制（即地震断层的几何形态及运动方式），可以看到这些地震的震源机制是相同的，表明发震断层可能具有一致性。图中的红色虚线为推测的发震断层。

与长宁、威远-荣县示范区比较，泸县所在的富顺-永川示范区，自2011年开始页岩气探采施工以来，地震活动相对较弱。但自2021年7月开始，泸县所在的区块地震活动明显增强，在本次6级地震以前，在泸县境内已相继发生2021年7月23日4.1级、8月24日3.1级、9月15日3.0级等多次≥3级的地震。

值得注意的是，在泸县6级地震震中东北方向约9公里的雷达村，2019年3月完成了泸203井的钻井和测试，不仅成为垂直井深超过4000米的页岩气井，也是中国首口单井测试日产量超百万立方米的页岩气井。此前作为预探井于2017年完钻的泸202井，垂直深度也达到4324米，它们都突破了此前中国页岩气探采在3500米深度以上的范围。由于目标页岩层深度大，泸203井水力压裂的水压也达到前所未有的110兆帕，即1100个标准大气压。

由于泸203井的位置靠近华蓥山断裂，而且不排除水力压裂范围在深部与华蓥山断裂相交的可能。因此，水力压裂与泸县6级地震的关系，值得深入研究。

四川盆地页岩气埋藏深度一般在2000米到3000米之间，并且还有深度在4000米以上的页岩气储层；而美国一些富含页岩气的地区，储层埋藏深度多在800米到2500米之间。虽然探采深度的扩大，有助于页岩气开发规模的扩展，但带来的诱发地震的风险也可能会增高。目前四川盆地页岩气压裂诱发的地震震级，远高于美国及欧洲的页岩气压裂诱发的地震震级，这也可能跟开采深度以及相关的地质构造背景有关。

深层页岩气开发已成为中国页岩气产业的重要目标，在上述泸202井、泸203井之后，泸县境内又完钻了多个垂直井深在4000米左右的页岩气井。如何减轻诱发地震的风险，更有效的防灾减灾，使页岩气产业能够可持续地、对环境友好地发展，是值得不断研究的课题。

参考文献

谢军，2018，长宁--威远国家级页岩气示范区建设实践与成效，天然气工业，38（2）：1-7.

雷兴林，2019，关于四川盆地近年来持续增长的地震活动的一些见解和建议，中国地球科学联合学术年会2019.

雷兴林、王志伟、苏金蓉，2020，页岩气开采水力压裂诱发四川盆地南部2018年12月ML5.7地震和2019年1月ML5.3地震，世界地震译丛，51（2）：144-160.

雷兴林、苏金蓉、王志伟，2020，四川盆地南部持续增长的地震活动及其与工业注水活动的关联，中国科学 地球科学，50（11）：1505-1532.

附录：

笔者2019年6月17日长宁6级地震后写的一篇文章

谈谈页岩气开采与四川盆地地震的关系

撰文/范晓

2019.06.23

2019年6月17日，四川长宁发生6级地震，这是该地区自有历史地震记录以来，首次发生6级强震。由于长宁所在的四川盆地，是近年来页岩气高强度开发的区域，因此长宁地震以及四川盆地近年来较为频繁的中强震与页岩气开发的关系，成为业界及社会关注的焦点。

实际上，地震学界的专家自2011年以来，在四川、重庆境内对此问题已有较多案例的研究。本文主要综述这些专家的研究成果，以期公众对此问题有一个基本了解，同时也对政府及有关企业的减灾防灾工作提出建议。

首先谈谈页岩气开采的原理以及为什么它会诱发地震。

页岩，是由泥质或粘土质成分构成的沉积岩，由于它比较致密，或者说岩石中的孔隙较小较少，所以它具有隔水隔气的性能。不过，在地质历史中，由于页岩的形成常常伴随着有机质的沉积，所以它也是生成油气的重要岩层，但由于它的岩石结构特征，页岩中的油气往往都呈极为分散的状态，很难被开采出来，不像砂岩、石灰岩等孔隙、裂隙很发育的岩层那样可以形成很集中、也比较容易开采的油气藏。

2006年至2010年，由美国引领的“页岩气革命”，通过技术进步，破解了页岩天然气开发的难题，使美国页岩气的产量增加了20倍，在美国天然气总产量中，页岩气占比由2%提升到了20%。2009年美国超过俄罗斯成为世界第一大天然气生产国。2017年，美国天然气产量中已有超过一半来自页岩气。

“页岩气革命”的技术思路，简单地说，就是页岩不是很致密、其中的天然气很分散吗?那就通过人工使页岩在地下深处碎裂，让页岩中分散的天然气释放出来、集中起来，使其便于开采。具体做法是，通过钻井钻进到页岩中，然后把水、沙、化学药剂混合的液体通过高压注入到页岩层中，促使页岩碎裂，把其中的天然气驱赶出来，并利用水重气轻的原理，促使天然气向上运移、集聚，然后对其开采。

以前的钻探都是由地表向下垂直打孔，现在发展的水平钻探技术，可以使钻井到了页岩层后，井孔进行弯转，顺着页岩层的水平方向钻进，以便更充分地对页岩层实施压裂。

地跨宾夕法尼亚州、俄亥俄州、西弗吉尼亚州，位于美国东北部阿巴拉契亚山脉西侧的马塞鲁斯盆地，是美国页岩气储量和产量最丰的地区。2017年，仅马塞鲁斯盆地的页岩气产量就达1775亿立方米，比当年中国的天然气总产量还要多285亿立方米。

有意思的是，地质构造条件与马塞鲁斯盆地相近的四川盆地，也是中国页岩气储藏最丰富的地区，其资源量在中国的占比超过20%，资源量和可采资源量均居全国第一。因此，在中国近年来兴起的页岩气开发热潮中，四川盆地自然成为重中之重。

在得益获利的同时，“页岩气革命”也像一把双刃剑，带来了诱发地震、地下水污染、大量消耗水资源等环境与社会问题。页岩气开采之所以会诱发地震，是因为在注水压裂的过程中，不仅页岩会碎裂，地下岩层中的断层也会因为高压注水产生的压力、以及注水渗入断层产生的孔隙压力而被激活或激化，产生破裂和位移，从而导致地震。

在美国、加拿大、法国、德国、英国等国的页岩气开采中，诱发地震的案例屡见不鲜。在加拿大的魁北克省，以及法国、德国、英国等地，出于环境与社会影响及其代价的考虑，一些水力压裂作业已被禁止。

四川盆地的页岩气开发中，的确也出现了诱发地震的案例。

重庆涪陵焦石坝地区是中国页岩气开采的先导区，自2013年该地区开始注水压裂以来，微小地震活动明显增强，据唐茂云等（2018）研究，这些微震小震的震源比较集中，主要分布于页岩气开采区边界断层以上，深度集中于3至8公里，与该地区页岩气开采注水压裂层位较为吻合，这些地震的时间与该区页岩气开采存在明显滞后效应。推测这些地震的出现可能为注水压裂后流体渗透扩散，使得边界上断层活化所致。不排除在页岩气开采过程中，引起“地震成核”（指地震孕育过程中，断层的错动在某一空间位置集中，形成较强地震的震源）的可能性。

重庆荣昌地区的案例可作为注水诱发地震机理的一个实证。据王小龙等（2011）研究，虽然不是页岩气开发注水压裂，而是对天然气开采过程中产生的污水通过几口深2至3公里的废井回灌，也使得荣昌地区地震活动显著增强，震级逐渐增大，发生5级以上地震2次，4级以上地震近20次，成为重庆地震活动最强地区之一。

这种废水回灌在四川盆地的天然气采区普遍存在，例如张致伟等（2012）对四川自贡—隆昌地区注水诱发地震的研究；此外还有因盐矿开采注水诱发地震，例如朱航等（2014）对四川长宁盐矿注水诱发地震的研究，它们是页岩气开采之外，同样重要的注水诱发地震的活动。

据雷兴林（2017）的研究，四川盆地尤其是川南地区，随着废水回注的增加和页岩气开发的迅速发展，诱发地震活动明显增强，发生了数次震级在5级以上的中强地震。雷兴林认为，注水诱发地震活动受已有断层控制，这些断层多发育在沉积岩层内，而且川南地区具有较高的断层密度、并接近临界的构造应力，注水活动可以在几公里范围引起重要应力变化，这些因素构成了四川盆地的油气田容易发生注水诱发地震的必要条件。

据雷兴林等（2018）对宜宾珙县上罗及周边的页岩气开采地区的研究，有5次大于4级的地震与注水压裂同时发生，其中在2017年1月28日发生了4.7级地震。

珙县上罗一带页岩气开采的注水压裂地层是志留系的泥页岩，埋藏深度约为2.3至3公里。该处水平钻井开始于2011年，而这些水平钻井系统性地注水压裂开始于2014年。自2014年12月开始，钻井平台周围局部地区地震发生率急剧增加。

在上罗这个区域，每个注水压裂的井台通常包括4至8口井，水平方向延伸的井长约2500米，相邻的两口水平井的间隔距离通常在300至400米，两三口井之间交叉注水，平均单次压裂注水超过1800立方米，平均地表泵压约60至70兆帕（MPa），约相当于600至700个标准大气压，所有井在各个阶段的注水压裂中采用的平均注水速率约每分钟11至12立方米，对于含有６口井的单个平台，总注水体积超过15万立方米，在一些情况下可以达到20万立方米，注水压裂时间也通常超过2个月。

上面提到的4.7级地震，造成距震中2公里范围内的两个村庄的23间房屋坍塌，548间房屋严重破坏。雷兴林等还指出，注水压裂地震并没有像天然构造地震那样产生明显的余震。通常，地震活动速率在注水压裂结束后会迅速降低到一个非常低的水平。但是，在大多情况下，一致的地震活动在注水压裂结束后会持续数十天。

雷兴林等（2018）还认为，与美国、英国、加拿大等地记录到的由页岩气开采诱发的2.0至4.6级的地震相比较，四川盆地与注水压裂有关的地震震级是如此之高。这是因为四川盆地从震旦系至三叠系的海相沉积地层以白云岩、石灰岩为主，岩石的强度很高，它可以吸收和积累更高水平的应力后才导致破裂，而且许多断层并不限于被注水压裂的页岩层之内，这些断层可以切穿震旦系至三叠系的地层，并延伸至震旦系之下的结晶基底。因此震源也不一定限于被注水压裂的页岩层内。

四川盆地的威远地区也是中国页岩气开采示范区，据王向腾等（2016）的研究，近年来这一地区页岩气开采之后，地震活动性显著增加，分别于2016年1月7日和7月27日发生两次3.5级左右的地震。

雷兴林等（2018）也指出，四川盆地中央隆起区的威远页岩气开发区，表现出较强的注水诱发地震，威远注水压裂的地层也是志留系的泥页岩，但它的埋藏深度更大，其流体压力也比珙县上罗要高。这一地区在2018年7月23日发生3.6级、4.2级两次地震，2019年2月12日发生3.3级地震。

在被美国地震学会引述的一项最新研究成果中，雷兴林等（2019）等认为，他们有“完整的证据链”表明，2018年12月16日的兴文5.7级地震、2019年1月3日的珙县5.3级地震，是由于水力压裂作业诱发的。这主要指地震在时间与空间上与附近的注水压裂钻井群密切相关，而且2至10公里的震源深度也符合诱发地震的预期深度。

值得注意的是，四川盆地页岩气开发诱发的地震，无论强度和频度都超过了当地天然地震的历史记录，而且与同级别、震源深度相近的天然地震比较，它们的震感似乎更为强烈，极震区的地表破坏程度似乎也更大。

目前还没有研究成果证实长宁6级地震与页岩气开采有关，但这种可能性不能排除，这种风险需要警惕。长宁地震有一些新的特点，例如震级达到该区域创纪录的6级，余震十分频繁且震级较高。长宁地震究竟是注水压裂诱发地震，还是天然的构造地震?拟或是在注水压裂频频诱发地震的背景下，活化激发形成的构造地震?需要作进一步的研究。

由于页岩气开采诱发地震是一个客观存在的事实，因此对它的风险不能回避。为了更有效地防灾减灾，维护社会稳定，并使能源开发能够在对环境友好的、有序的条件下，可持续的进行，应该加强对四川盆地页岩气开发的环境管理与风险防范。

在页岩气勘查与开发之前，应按照《环境影响评价法》进行严格的、有公众参与的、信息公开的环境影响评价；在勘探和开采过程中，应完善相关的监测、预警和应急措施；在有可能因注水压裂诱发地震受到严重影响的区域，建议进行建筑安全排查，对达不到设防烈度要求的房屋进行加固，避免因建筑坍塌造成重大伤亡；对确因页岩气开发诱发地震导致的损失，建议由相关企业和政府给予适当补偿。

参考文献

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