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老断层活化的可能性

已有 1359 次阅读 2021-8-16 19:06 |系统分类:科研笔记

老断层活化的可能性几乎为0;页岩气开采时因注入流体润滑了断层致地震的说法是错误的。最近又双叒叕一篇高级别的文章(Mirko van der Baan,2021),在倒腾诱发地震的事儿,将地震和油田开采联系上。除此之外,较早的几篇大作: 鲍学伟,2016;杨宏峰,2017;雷兴林,2018,似乎千篇一律:自已建立一个地质理论模型,里面包含一个断层,模拟断层被流体润滑了、流体减小了断层的压力,然后震了。模拟完后,没一位作者去分析或列出一个实际油田所压裂层位是否真有断层、断层的性质、层距多少。我在纳闷,他们见过真正的断层吗?数学理论包打天下?唯独雷兴林(2018)的文章中列了一个地质剖面,如下图,有一条断层,但从震源上看,和断层似乎没关系,不是每个震源点(圆圈)对应一条断层:

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格地讲,这篇Nature的文章,是在抄袭前人的,和鲍学伟(2016),杨宏峰(2017),雷兴林(2018)的几乎雷同,观点出奇地一致(或许是我没细读?)。

在此就不多聊他们了,回正题,其文章涉及到一个隐含的假设,均假设原先有老断层,当注水或压裂后,影响了原结构、原应力或润滑了,导致老断层复活,再次错断,老树发新芽。天然地震研究也有类似观点,一般在地震发生后,会看看是否是哪个断层“活动”了,变成了活动断裂。汶川、庐山地震后,人们第一反应是说,龙门山断裂带“又活动了”;唐山地震后,原来在地质图上没标断层的,得找找到底是哪条断层活动了,于是在地质图上再补一条断层。

真有可能吗?断层真的能死而复生,煮熟的鸡蛋能再孵成小鸡?


一、老断层活化是错误的

业界几乎一致认定断层可以活化,虽然没人真正去解剖一条实际的断层(我猜的),如汶川地震地表破裂线,在地震前一定有破裂线吗?如果有,一定就证明了是老断层活化了;油田开发时诱发地震,震源处之前一定有老断层?虽然这些已成“公知”的知识没有可靠证据,但要驳倒他们实属不易。正象某人制造一个谎言,我们需要去找事实驳倒谎言一样的难度。

但这里还是偿试一下,我们从勘探程度最高的盆地入手。从盆地分析可知,一般断层多期活动的确存在,如生长断层,它是一种盆地内的正断层,边沉积边断开,这是被认可的;盆地发育构造反转时,会顺先存断裂产生挤压反转,这也是被认可的。

如果实际盆地的断裂系统,较早的老断层,在之后的构造运动中,能继续断裂,形成所谓的“通天断裂”,则说明断层活化是可能。这里列几个我国的主要盆地,看是否符合这个现象。

如图1为黄骅坳陷断裂系统图,从图中看到,古近纪时期的断裂并未通天(杵到地表),显然,这些老断层并未在今构造运动中“活化”。

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1 黄骅坳陷断裂系统剖面图

如图2为松辽盆地,各时期的断裂系统各自为政,较少有深大断裂,且是一次成形。

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图2 松辽盆地断裂系统剖面图

如图3所示,为塔里木盆地南北向剖面图,右侧(北部)有通天断裂,但这并不一定是“老断层”活化。

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图3 塔里木盆地断裂系统剖面图

如图4所示为济阳坳陷断层分布,没有通天断层。

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图4 济阳坳陷断裂系统剖面图

如图5所示为珠江口盆地,也没通天断层,这些断层可能是一次成形的。后期就没有活动了。

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5 珠江口盆地断裂系统剖面图

如图6为柴达木盆地断裂分布,存在多期断裂,但看不出老断层活化。

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6 柴达木盆地断裂系统剖面图

 如果这么高清的地质剖面里找不到一条剖面上,能证明老断层活化,大概率的,可以否定老断层活化的假说了。除了图3塔里木盆地库车拗陷新生代的强烈的挤压,导致了通天断裂,其它剖面中的老断层,没有一条断层是因现代构造运动,而产生错断,而产生通天断裂。理由呢?从地质角度,上述深部老断层在长时间埋藏过程中,有一定温压条件,可导致断裂带碎屑物质会重结晶,并形成“脉状”地层,如胶水一样,又粘连在一起了,老断层本身也是由失稳状态调整为稳定状态。既然到了稳定状态,心里踏实了,还有什么理由再“活动”?除非此处有新的应力刺激。

 结论,老断层活化可能是一个骗局?断层活化是应弹性回跳说而生,弹性回跳说似乎认为断层错断后释放的能量是地震的主要能量,因此,断层活化,就意味断层的主动错断,将断错当成原因,而不是结果。


二、现代活动断层就一定会再次发生地震?

常有这样一个说法,凡是建高楼、建大坝,一定要避开断层,于是立项研究,从地质角度论证建坝的可行性,如葛洲坝、三峡大坝在建坝之前经历了多年的论证;新丰江水库建好后发生过地震,认为是坝体附近有断层。

为此,这里再分析一下正在活动的断裂-活动断裂,是否会再次发生地震?为此,我特意在USGS网站https://earthquake.usgs.gov搜索了四川龙门山地区2008年汶川地震后所发生的大于4.5级地震,显然,这一次地震的地表破裂是最新活动断裂了,之后的地震更应该在此断裂带发生,如下图所示,将2008年5月14日至今发生的194次大于4.5级地震投至活动断裂图上,如图7所示。

龙门山断裂带的活动断裂-叠合了2008年后的地震.png

图7 龙门山断裂带汶川地震及之后所发生的4.5级地震位置分布平面图

上图显示了各时期的活动断层,大红圈为汶川地震震中,也显示了该地震同期的二条地表破裂(汶川地震时地表破裂、前山断裂),而小红圈及蓝字为这之后所发生的4.5级以上的地震及震级。从中可以看出,正好落在这些活动断裂的地震是极少数,而多数是新的未曾破裂的地区。即活动断裂带会发生地震的概率是很低的,活动断裂最有可能发生地震灾害的说法不成立,或不具显著性。

三、页岩气开采地区断层少,数值模拟前提错误

前述这些文章设定了一个不成立的假设,认为页岩气压裂、油气注水开采时,穿过断裂带,这个假定是不成立的。好比论证一个好人,先假定他已经犯罪了,研究他今后的生活轨迹一样。

搞油气勘探的人知道,页岩气富集的前提条件是构造破坏小,断裂少的含有机质、化石的泥岩或页岩层,其中的吸附气和游离气在烃源岩中,如果断层太多,气都漏掉了。如下图,为长宁页岩气区块的井位及所发生的地震(何登发,2019),其中看不到断层。通俗地说,页岩气能形成规模,顶部必然破坏小,即断裂相对少,每个圆圈就是一次地震,按润滑诱发地震理论,每个园点就穿过了一条断层,那地层就成筛子了,哪能存得住天然气?   

何登发.png

图8长宁页岩气区块地震情况

如下图所示,为我国最著名的涪陵页岩气田,其中焦页1井为一个宽缓背斜顶部,断裂少(王志刚,2015):

焦石坝地区页岩气藏剖面.png

 图9 焦石坝地区五峰组-龙马溪组页岩气藏剖面

如下图所示,为涪陵地区页岩气开发井情况(郭旭升,2019),图中红色为断层,实际钻井一般不穿过断裂带。有比较靠近断层的,如剖面右侧焦页6井,离断裂带仅2公里,但这一地区如何压裂也没有地震发生,这也反过来可驳斥流体润滑断层说。

涪陵气田.png

 图10 四川盆地涪陵地区构造与单井压力系数叠合图 

本文初衷并不是站在油田开采一方,否认地震和油田开采有关,其中是否有关联性,目前未有定论,而是想否定前述作者认为压裂或注水井流体进入断裂带润滑致震这个假说。

总结,这些大咔们在研究油田开发致震的事儿,是否看过一次页岩气开发地质剖面?数值模拟万岁!从数学上很精细,但是,然鹅,不仅,而且,....。末尾,再讲一个笑话,说游泳比赛时一个选手得了冠军,一高兴,将他的教练扔到了游泳池,结果教练不会游泳,喊救命,听说是真事儿。


中国地质大学(北京),毛小平,微信号13911360200


参考文献:

2016-鲍学伟-水力压裂致震-Fault activation by hydraulic fracturing in western CanadaScience);

2017-杨宏峰-Induced earthquakes in the development of unconventional energy resources(中国科学)

2018-雷兴林-中国四川盆地页岩气注水压裂导致断层再活化并诱发M_W4.7地震_X.L.Lei(Scientific Report);

2021-Mirko van der Baan-油气田开采诱发地震-Earthquakes triggered by underground fluid injection modelled for a tectonically active oil fieldNature,2021

 




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1 尤明庆

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