頁巖壓裂會引發(fā)地震嗎？
—— 訪中國地質(zhì)大學(xué)（北京）何登發(fā)教授

■王大銳

水力壓裂是頁巖氣開采的關(guān)鍵技術(shù)，水力壓裂是否會誘導(dǎo)地震已經(jīng)成為公眾熱點話題與學(xué)者研究焦點。頁巖氣開采的緊迫性與地震的災(zāi)害性突顯出研究這一問題之急需。為了使更多的讀者對這一問題有深入的了解，我特意采訪了我國著名的構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）的何登發(fā)教授。

問：何教授，近來在我國四川盆地長寧地區(qū)發(fā)生了一系列地震，請您介紹一下四川盆地的地震情況吧。

答：好的。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，與青藏高原東、南緣之間的邊界活動構(gòu)造帶。川西南正處于南北地震帶南段的東側(cè)邊緣。

根據(jù)國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心提供的地震目錄，可以看出四川盆地及其周緣在1970年1月到2010年12月的地震分布。這30年間先后發(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。四川盆地的地震不局限于某一構(gòu)造帶、某幾個構(gòu)造帶，揭示了控制川西南地區(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，沿幾條活動斷層帶的地震分布具有集中優(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。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，并不是切到基底的深斷裂帶。

問：當?shù)仨搸r氣產(chǎn)層與長寧背斜構(gòu)造的關(guān)系是什么？鉆探會引發(fā)地震嗎？

答：寧203和寧201井是當?shù)劂@探的兩口頁巖氣勘探井，長寧背斜核部的寧2井鉆遇厚達3300余米的寒武系和震旦系。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米和240米。寒武系筇竹寺組發(fā)育225米厚的黑色碳質(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；頁巖氣開采的主產(chǎn)氣層為一套下志留統(tǒng)的穩(wěn)定的深水陸棚相頁巖沉積。

長寧頁巖氣田產(chǎn)層在1200～600米，埋深0～2600米，埋深較淺；主產(chǎn)區(qū)在長寧背斜南翼向斜區(qū)。在長寧背斜核部，主要為切割寒武系—奧陶系的斷層，局限在背斜核部，表現(xiàn)為局部壓扭性斷層。這些顯露型斷層多在寒武系膏鹽巖層中發(fā)生滑脫。從地震震源深度在剖面上的投影來看，這些斷層并未復(fù)活。

由于長寧背斜主要是在燕山期形成的，為一“古”背斜，而且地層壓力系數(shù)的測定顯示，在未開展頁巖水力壓裂注入高壓流體之前，龍馬溪組的強度因賦存超壓而較弱。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，雖然圍限壓力降低，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。

最近兩年來，根據(jù)微地震監(jiān)測、施工壓力響應(yīng)、鄰井壓力監(jiān)測等情況，結(jié)合三維地震預(yù)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(yīng)地層特征，從而提高壓裂改造效果。

對長寧背斜區(qū)志留系龍馬溪組的地表露頭及鉆井巖心的觀察表明，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。綜合地質(zhì)學(xué)分析表明，地質(zhì)歷史時期龍馬溪組頁巖已反復(fù)發(fā)生破裂，目前進行的鉆探和壓裂作業(yè)不是產(chǎn)生這些變形的原因。

問：那么，長寧背斜地區(qū)地震機制是什么？頁巖氣水力壓裂能引發(fā)當?shù)刂械纫陨系卣饐幔?/p>

答：2013年，有國外學(xué)者提出，注入的直接流體效應(yīng)（流體壓力擴散）和由于流體的注入或抽出引起的固態(tài)應(yīng)力變化兩種機制可以誘發(fā)地震的觀點。

四川盆地長寧頁巖氣區(qū)塊在2016年1月至2019年1月之間有 11次小地震。這些地震可能不是超壓直接誘導(dǎo)型，因為志留系中或相鄰層并不發(fā)育較大的“古老斷層”，志留系本身僅僅發(fā)生平行下伏基底斷層的滑動，在這一過程中發(fā)生層平行剪切，形成微裂縫系統(tǒng)。

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)。2011年之前長寧背斜區(qū)已多次發(fā)生地震，那時并沒有壓裂作業(yè)。雖然這并不能直接說明頁巖壓裂是否致震。

此外，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？目前看這一可能性難以成立。主要是二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出引發(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(yīng)力變化可能并不顯著。需要注意的一個現(xiàn)象是，長寧背斜區(qū)水平應(yīng)力差比較大，這一現(xiàn)象引發(fā)的效果需要認真對待。

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(dǎo)致震級超過3級的震例。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)地震的關(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（遠達10英里以外）發(fā)生，但頁巖氣開采的水力壓裂不是產(chǎn)生誘發(fā)地震的主要原因。此外，廢水中含有的水力壓裂液與產(chǎn)生誘發(fā)地震的關(guān)系，還有待進一步明確。

問：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呢？

答：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”。目前頁巖氣產(chǎn)層分布區(qū)，產(chǎn)層內(nèi)部無大中型斷層，無大的地震活動。

頁巖氣是目前國內(nèi)天然氣勘探的重要領(lǐng)域，頁巖氣年產(chǎn)量已突破100億方，進展較快。頁巖氣開采成功的另一個原因是水平井水力壓裂技術(shù)，水力壓裂在頁巖中產(chǎn)生大量裂縫，形成網(wǎng)狀裂縫系統(tǒng)，從而增加頁巖氣產(chǎn)能。

自頁巖氣開發(fā)以來，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(yīng)力環(huán)境的改變，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機理。但這些破裂是瞬時的，可能觸發(fā)有感地震。在石油工業(yè)中，應(yīng)用微地震監(jiān)測來觀察水力壓裂的效果，微震產(chǎn)生的信號用于裂縫監(jiān)測和開發(fā)管理，水力壓裂引起的微震級別一般遠小于0.5(ML)。

頁巖壓裂能引起中等強度以上的地震嗎？目前仍是一個學(xué)術(shù)界爭論的問題。一些國外學(xué)者認為壓裂能引起米L3～5級的地震。在美國中部壓裂作業(yè)較多的州，像俄亥俄州、俄克拉荷馬州有一些地震被認為是壓裂誘發(fā)地震；甚至開發(fā)管理中廢水注入也被認為可能致震。北美學(xué)者認為在西加拿大盆地壓裂致震較為普遍。但從地震學(xué)而言，目前對誘發(fā)地震是否能引起中等強度以上地震等仍不明朗。

長寧背斜自2011年以來開展頁巖氣勘探，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)生了米L 5.7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？這對于穩(wěn)定民心與該區(qū)頁巖氣開發(fā)都具有重要意義。我們的研究認為，長寧背斜區(qū)的地震為天然地震。