利用小震震源机制解反演濮阳地区应力场

孙　晴，李守勇

(河北省地震局邯郸中心台，河北 邯郸　056001)



利用小震震源机制解反演濮阳地区应力场

孙晴，李守勇*

(河北省地震局邯郸中心台，河北 邯郸056001)

摘要：利用双差定位法测得河南濮阳地区的地震的平均深度为8.4 km，由于油田地震的深度一般在6 km以内，推测该区的地震多为构造地震，油田地震只占这里地震的一小部分。利用GEPHART的方法对该区域的42个震源机制进行应力张量反演，反演出的结果显示有走滑断层的特征，最大压应力轴σ1为32°、倾伏角为3°；中等压应力轴σ2为292°、倾伏角为71°；最小压应力轴σ3为124°、倾伏角为19°；应力比R为0.6，取σ1的方向为该区的应力场方向。

关键词：震源机制；应力张量；反演；油田；断裂带

0引言

河南濮阳地区为邯郸地震台网重点监测的区域之一，位于聊考断裂带上，也是中原油田所在地，其地震活动性受聊考断裂带及油田采油的影响很大。由于该地区的地震相对较为集中，为人们所关注[1-3]。

聊考断裂带被第四系掩盖，南起河南兰考，北到聊城以北，与齐广断裂交汇，大致呈NNE向延伸，全长270 km，是地幔隆起区[4]。从该断裂控制的地层来看，可能从晚侏罗世开始活动，白垩纪至早第三纪强烈活动，尤其在早第三纪时期最为活跃，从而成为控制华北平原下第三系沉积的边界。据历史文献记载，从1502年到1948年，濮阳及临近地区发生5级以上的地震5次，其中1937年8月1日在山东荷泽发生了7级地震。而中原油田属于复杂断块油田，于1979年7月1日投入开发。在油气储量逐渐降低的情况下，为确保油气产量，油田采取一系列加压水措施，导致地层压力增大，注水达到近4 000 m深度[5]。由于注水对其下方的地质环境造成很大的影响，从而引发地震。油田地区的地震一般被称为油田地震，是指人们在石油的开采过程中，由于注水、采油等活动引发局部地区的地震，普遍认为油田地震为诱发地震[6]。加强该区地震活动的监测分析对减少相关灾害有积极的意义。

Gephart和Forsyth[7]将一种改进的由震源机制解反演应力张量的方法(FMSI)用于San Fernando地震序列的震源机制解的资料，此后该方法得到了广泛应用[8-9]。在假定所研究地区的应力场为均匀分布时，该方法通过对小震震源机制解资料的反演，可以了解这个地区的应力场特征。本文采用2007—2013年邯郸地震台网记录的河南濮阳地区的波形资料，在对该地区地震进行双差定位的基础上，用该方法对求取的震源机制解资料反演河南濮阳地区的应力场特征。

1原理与方法

地震是由于地下的岩石经受不住周围地应力的作用而失稳破裂、产生断层释放能量的过程；而震源机制解就是断层面解，反过来通过对震源机制解的反演也能反映出地应力的特征。一般认为断层的破裂方向在均匀介质中是与沿主应力方向大约45°夹角的方向，在不均匀介质中新的破裂沿着旧断层面破裂。

Gephart和Forsyth的方法通过利用震源机制解资料进行反演，可较好地确定当地主应力方向与R(R=(σ2-σ1)/(σ3-σ1))，即6个独立分量中的4个，该方法对区域断层的分布不作限定。但该方法应用于某区域时，必须假设：1)在一定时空范围内，研究区内的应力场是均匀的；2)断层滑动方向与断层面上最大剪应力方向一致[7,10]。这里σ1、σ2、σ3分别表示最大、中间，最小主应力值；R值的大小反映了中间主应力的相对大小。这次分析中，我们进行网格搜索来寻找所有断层的最小旋转使得到的滑动方向和震源机制相吻合，这种方法允许断层面与滑动方向存在误差。震源机制的2个可能的断层面在该方法的使用中不存在节面的歧义问题。假设断层面的滑动方向由切应力所定，或者说，垂直于滑动方向的断层面上的剪切应力为零，可表达为下式：

σ12′=0=σ1β11β21+σ2β12β22+σ3β13β23

(1)

(2)

其中，βij是主坐标系与辅坐标系的夹角的余弦值，即观测的断层面与主应力方向面的夹角。

2数据的选择

濮阳地区为邯郸地震台网的监测范围之一，2007年邯郸地震台网进行“十五”项目改造，通过虚拟台网技术增加了河南省和山东省的一些数字化测震台站，提高了台网的监测能力。本文选择2007年10月到2013年4月邯郸地震台网记录的河南濮阳地区的地震波形，主要分析了24个ML≥2.5的地震、18个震相记录清晰的小于ML2.5级的地震。在分析中，我们只选取离震中位置比较近的9个台站(图1)。

注：FXT-肥乡台；CXT-磁县台；LZT-临漳台；HST-河顺台；XX-浚县台；QF-清丰台；LIQ-临清台；LCH-聊城台；LSH-梁山台图1　台站及震中分布图

3双差定位

双差定位方法在国内外的广泛应用，被证实能有效地保证定位精度[11-14]。由于其定位的条件相对比较宽松，双差定位方法可以对空间范围相对比较大的地震同时进行重新定位。它不需要设主地震事件，所有地震事件是相对于地震丛集的质心位置来定位，不依赖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条件，该方法在地震研究中被广泛应用。

由于本文注重分析濮阳地区地震深度分布情况，因此，利用双差定位对地震深度的良好约束，对选取的39个记录较清晰的地震进行了重新定位。选用的速度模型见表1。

表1　华北地区P波速度模型

濮阳地区的地震经过双差定位后的深度分布如图2所示，可以看出震源深度在3～14 km，7 km左右为地震发生较为集中的深度。东濮地区的凹陷内新生界最大沉积厚度达7 600 m，其中下第三系厚达5 500 m，油气资源丰富，由油田注水引发的地震其震源深度一般为2～6 km[1-2]。由此推断6 km左右及更小深度的地震可能直接受注水的影响；7 km深度的地震受石油开采以及区域构造的双重影响，它发生地震的次数相对比较集中；而其下更深处的地震油田注水活动对地震的影响很小。考虑到濮阳地区位于聊考断裂带附近(图3)，认为聊考断裂带对该地区的地震活动存在影响，推断7 km深度以下的地震可能为构造地震。综上分析认为，该区为油田地震与构造地震共存区域。双差定位的平均震源深度为8.4 km，与郑建常等用双差算法计算的该区的平均地震深度是一致的[2]。由此推断该处的地震多为构造地震，而油田地震只占一小部分。

图2　双差定位深度直方图

图3　聊考断裂带上的地震分布

4震源机制解的计算

震源机制是描述震源处地壳岩石破裂后的断层面解，在构造应力场研究中得到了广泛应用[15-17]。在求震源机制解中，使用Pg波初动资料结合垂直向的Pg波与Sg波的最大振幅比资料[18]，这比仅用P波初动符号来求解震源机制解对断层面有更好的约束，另外对台站的分布要求相对宽松。

选取河南濮阳地区自2007年10月至2013年4月期间的42个地震的波形资料。其中，ML≥2.5地震有24个，求得的震源机制解如表2所示，其下半球极射投影图如图4所示。

表2　河南濮阳地震42个地震的震源机制解

续表2

图4　河南濮阳地区的震源机制分布

5应力张量的反演

研究区除中原油田的采油以外，无其他干扰活动，我们将因石油开采对该区地应力场的影响忽略不计，假设该区的地应力场是均匀的；另外假设断层滑动方向与断层面上最大剪应力方向一致。用ZMAP6.0软件[19]进行应力场反演，得出该地的应力张量如图5示，结果显示，最大压应力轴σ1为32°、倾伏角为3°；中等压应力轴σ2为292°、倾伏角为71°；最小压应力轴σ3为124°、倾伏角为19°；误差为9.8°，应力比R值为0.6，取最大压应力轴方向(σ1)为该处的应力场方向。

图5　反演的应力张量的特征

图6　中国地应力图(出自MAPSIS)

6分析与讨论

从震源机制中可以看出濮阳地区地震的错动方式有走滑断层的特征，并兼有挤压的成分。莘海亮等[20]反演豫北及邻区中小地震震源机制区域平均应力场的结果也是以走滑型为主，兼有一定数量的正断型和逆断型，这与本文反演结果基本一致；而在本文研究中，河南濮阳地区的面积相对较小，加之受中原油田及聊考断裂带的双重影响，这个地区的地应力场具有很强的独特性，该区域在孕震过程中地应力场受局部地质构造的控制作用显著[21]。

对双差重定位结果分析，河南濮阳地区地震的平均震源深度为8.4 km，由于该深度为人工诱发地震所不能及的，以此推断该区的地震多为构造地震。通过对邯郸地震台网所记录的42个地震的震源机制解进行反演，求出该区的地应力场为NNE向(最大主应力方向σ1=32°)，与华北地壳应力场的最大压应力轴的60°～80°存在差别[22]，也与MapSIS(基于GIS的地震分析预报软件系统)中的中国地应力图显示的晋冀鲁豫段地应力有一些差别(图6)，说明河南濮阳地区的地震区域性很强。笔者认为油田的采油活动对该地区的地应力场有一定的影响，使该地区的最大压应力轴方向与华北最大压应力轴方向存在一些差异，并且在一定程度上使该地区成为聊考断裂带上的地震活动相对密集区(2008-2012年)(图3)，因此认为该地区为采油活动促使断裂带上的地震发生，使断裂带上积累的地应力得以释放。

此研究反演的结果与前人的研究结果有一些不同。笔者认为，因为前人研究结果是根据较大震级的地震进行计算的，其反映的应力场范围较大，而受局部地区因素的影响很小，甚至可忽略不计；而局部地区的应力场受局部因素的影响较大，有较独特的区域特征，其受外界大范围的影响反而很小。

7结论

濮阳地区在聊考断裂带上，面积相对较小，地震相对丰富、集中，在所分析的该地区的42个地震中，对其中的39个地震进行了双差定位计算，结果表明该地区的地震平均深度为8.4 km，由于采油活动受深度的限制，推断该地区的地震大部分为构造地震。在对42个地震进行震源机制解计算的基础上，反演得到的应力张量：最大压应力轴σ1为32°、倾伏角为3°；中等压应力轴σ2为292°、倾伏角为71°；最小压应力轴σ3为124°、倾伏角为19°；应力比R为0.6，该地区总体为走滑断层的特性，并有一定挤压作用，我们取最大主应力σ1的方向为该地区的应力场方向。

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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

作者简介：李冬圣(1982—)，女(汉族)，河北冀州人，工程师，主要从事地震监测及分析工作.E-mail：LDS981112@163.com

基金项目：2014年度测震台网青年骨干培养专项(20140302)；河北省科技支撑计划项目“河北省重点地区壳幔结构及地震监测预报关键技术研究”(13275407D)

收稿日期:2015-03-18

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2015.04.003

中图分类号:P315.33

文献标志码:A

文章编号:1003-1375(2015)04-0014-06