页岩油气开发诱发地震的研究现状及进展——以加拿大、美国和中国为例

页岩油气的开发助推了全球油气储量及产量增长,重塑了全球能源格局。伴随着页岩油气开发过程中的水力压裂和废水处理,页岩油气田附近的诱发地震频率急剧增加,其中大多数为微地震,但破坏性地震也时有发生。这种现象主要发生于美国中西部、加拿大西部和中国西南地区。页岩油气开发诱发地震成因复杂,目前普遍认为主要有三种诱发机制:静态库仑应力变化、孔隙弹性介质理论和流体压力扩散及无震滑移。在汇总全球主要页岩油气诱发破坏性地震分布及其诱发机制的基础上,以加拿大的不列颠哥伦比亚省霍恩河盆地和阿尔伯塔省的Fox Creek地区,美国的科罗拉多州南部、新墨西哥州北部的Raton盆地和俄克拉何马州,中国的重庆市荣昌地区和四川省长宁—兴宁地区为例,系统论述页岩油气开发典型诱发地震的基本情况和诱发机制,介绍诱发地震的前瞻性预测与管控措施,并对页岩油气开发诱发地震的研究现状及进展进行总结和展望。

唐山井水温的同震变化及其物理解释

唐山市一口水井观测到多次同震水位振荡，以及伴之的高精度测量到的深部层水温变化．水温变化幅度与水位振荡幅度有关，水位幅度变化数厘米到一米，水温变化幅度为0．001℃～0.01℃，而且总是温度下降，震后一到数小时内水温恢复正常．我们进行了有限单元法模型计算，认为井水垂直振荡时搅动井水引起的弥散效应，是造成同震水温变化的主要原因，后续的热传导作用可以解释水温的复原过程．今后如果在不同深度同时进行高精度井水温度观测可以检验该模型.

青藏高原构造热演化的主要控制因素

从构造热演化的角度研究了青藏高原的形成模式,对形成机制中的两种主要假说:双地壳模型和叠瓦状模型进行了热模拟.在模拟时考虑了逆冲断层、均衡地壳抬升和沉积覆盖层对温度场的影响.结果表明,双地壳模型的热演化结果和实际观测资料明显不符;叠瓦状模型的结果在藏南地区能够较好地符合地球物理观测资料和解释地质构造运动.除较高的放射性元素含量外,断层的摩擦剪切热和沉积盖层热折射伴随地体的抬升侵蚀是喜马拉雅两条花岗岩带和反转的高温变质岩带的主要成因,并和现今上地壳水热活动有密切的关系.

库仑应力计算及应用过程中若干问题的讨论——以汶川地震为例

大地震发生后,估计后续地震发展趋势是人们关心的问题.目前,学术界经常利用大地震造成的库仑应力变化研讨大震对后续地震的影响,但库仑应力的计算和应用中尚有一些问题被忽视而有待探讨.本文修正了传统的库仑应力计算中沿地震破裂面滑动方向计算剪应力变化的近似方法,考虑震后主应力方向可能改变对剪应力变化量计算的影响,对改进方法和传统方法获得的结果进行了对比分析.本文基于龙门山地区背景应力场测量资料,根据不同研究者反演的地震破裂模型,计算了汶川地震造成的静态库仑应力变化,考察了不同地震破裂模型下库仑应力分布差异.在断层面附近,使用改进方法与传统方法计算的库仑应力分布差异相当大;利用多个地震破裂模型计算大地震库仑应力判断大震后余震发展趋势时,要注意破裂模型不确定性对危险性估计的影响.

中国大陆震源机制深度变化反映的地壳-地幔流变特征

大陆岩石层流变性质是一个重要而又没有完善解决的问题 :既存在支持Moho面附近为强地幔 -流动弱地壳模式的实验和观测事实 ,也存在支持流动弱地幔 -强地壳模式的观测事实 .本文利用哈佛震源机制矩张量解及有关震源深度资料 ,对我国震源机制随深度的变化进行分析 ,发现虽然表浅地震震源机制主应力轴倾角接近水平或竖直 ,但中、下地壳和上地幔震源机制主应力轴倾角则多样化 .这与某些存在柔性下地壳软弱层地区具有孕震层下缘震源机制主应力轴也接近水平或竖直的特征明显不同 .它可能表明上述两种壳 -幔流变模式在我国均存在 ,对我国岩石层流变性质还需要分区进行更细致的多方面研究 .

用GPS位移资料计算应变方法的讨论

目前使用相同或类似的GPS资料求应变,不同研究者给出的结果会有显著差别。为此,对用GPS位移(或速度)资料计算应变(或应变速率)的方法进行了研讨。分析后认为,应变计算可以归结成两大类第一类是利用测点附近资料直接求微分或微分的加权平均值的直接计算法;第二类是用解析曲线拟合观测的位移,然后根据该曲线提供的总的趋势求测点的微分值的位移拟合法,这类方法在拟合中又可以分成整体拟合和分片拟合两种。应变计算应该在球面坐标系下进行,根据研究对象和要求,选择适当的方法。

用离散随机模型研究湖北新冠肺炎COVID-19流行病动力学特征

新冠肺炎COVID-19的爆发并在全国及世界范围内的扩散传播造成了巨大社会影响,研究流行病传播动力学特征有助于更好地对疫情进行掌控和防治。我们发展了一种离散变量随机概率方法,对湖北省疫情发展进行模拟和预测。首先根据排队论的Erlang概率分布对每日确诊人数进行处理,获得每日发病人数和感染人数。计算结果与中国疾病预防控制中心(CDC)已经整理公开的部分资料比较吻合,证明处理方法科学可信。进而依据每日发病人数,反演疫情发展不同阶段的有效传染率的变化,并据此预测未来疫情可能怎样发展。发现疫情初期基本传染数R0从6.1减少到4.0,在武汉采取封城等有效措施后,有效R值减少到1之下,并逐步降低到0.13以下。发病高峰已经在2月初度过,目前虽然不排除疫情会有小的起伏,但只要坚持严格的隔离管控措施,总的趋势就不会变化。预期疫情在3月底前后结束,累计患病人数达到71000人左右。春节后回程的农民工和学生诱发大的疫情回弹可能性不大。但是世界上一些国家正处在疫情可能爆发的阶段,国家应该对入境人员做好检查和隔离管控工作。

中国大陆岩石圈等效粘滞系数的计算和讨论

大陆岩石圈的流变结构对岩石圈动力学过程有很大的影响，因此对岩石圈等效粘度的估计是大陆动力学研究中基础和重要的问题。文中对利用实验室流变实验结果估算岩石圈流变结构的计算方法中包含的多种不确定性进行了讨论，包括岩性、温度、应变速率、实验室速率数据外推到地质构造运动速率等因素对等效粘滞系数估算的影响，并以温度和应变速率的新研究成果为基础，对中国大陆地壳和上地幔等效粘滞系数做出了估计。中国中地壳等效粘滞系数一般在10^21～10^24Pa·s，下地壳等效粘滞系数在10^21～10^22Pa·s，其中青藏高原下地壳等效粘滞系数较低，约为10^19～10^20Pa·s；与前人研究认为青藏高原存在柔性下地壳流动的结论吻合。

对我国90年代年度地震预报的评估

采用R评分方法 ,对中国地震局 1 990到 1 998年的年度地震预报进行了统计和评估 .随机猜测预报R为 0 ,完全准确预报R为 1 .我国 90年代的年度预报R评分平均为 0 .1 84.如果把地震局实际预报与选取最大背景概率地区预报相结合 ,可以使R评分提高到 0 .336 .统计表明 ,中国年度地震预报对 5级以上地震的预报水平还不高 ,特别是在人烟稀少、台站缺乏的高地震背景概率区 ,预报效果较低 ;但在人口密集、经济发达的重点监测地区 ,中国地震局年度预报高于随机预报 ,实际预报取得了一定效果 .

新世纪地球科学视野中的新技术和新方法(代序)

从科学发展战略的角度 ,讨论了新技术、新方法在地球科学中的应用。新世纪的地球科学在新技术、新方法的应用方面呈现出鲜明的时代特色 ,即观测范围的扩大与观测能力的增强 ,多学科观测的海量数据的积累与地球观测系统的整合 ,不断增强的挑战非线性复杂地球系统中的预测问题的能力。特别是 ,作为地球观测系统的整合的“数字地球”和作为地球过程的模拟工具的高效并行计算 ,将在地球系统科学的发展中发挥重要作用。从方法论的角度 ,文中特别指出 ,只有掌握新技术、新方法的人对新技术、新方法有正确的理解 ,并具有创新性的思维 ,新技术、新方法才能发挥其应有的效能。

力学和统计模型结合研究人工合成地震活动性及其对预报真实地震的启示

基于断层网络的弹簧－滑块－阻尼器力学模型而提出的细胞自动机模型，产生了具有确定性混沌的人工合成地震目录．一个挑战性的问题是，如何仅利用地震目录反演原系统的某些特性，直至在一定时限内预报合成地震．我们运用一种改进了的应力释放统计模型，从合成地震目录中较成功地反演了系统应力的时间变化，但根据应力变化对地震发生进行有效的概率预报仍需进一步的研究．

活动海岭俯冲与岛弧火山活动的热模拟研究

为解释活动海岭的俯冲会造成岛弧火山活动的间断这一现象，本文采用有限单元法对活动海岭俯冲的热演化过程进行了模拟计算．一般情况下，摩擦剪切生热使岛弧下100km左右深度形成地温反转，俯冲板片海洋地壳内角门岩等含水矿物脱水，释放的水进入其上覆板块，降低了地幔岩石的熔点，使热的地幔楔状体内发生部分熔融，形成岛弧火山活动．高温的活动海岭俯冲时不再出现这种温度反转，俯冲板片在较浅深度达到较高温度而脱水，水进入上覆相对较冷的地幔楔状体不能造成熔融，因此岛弧火山活动会中断．

高喜马拉雅淡色花岗岩形成的热模拟

地壳物质重熔形成高喜马拉雅淡色花岗岩需要在中地壳深度20多百万年前达到650℃以上的温度，但如何解释冷的印度板块向欧亚大陆俯冲时会产生这样的高温是一个难题，单一因素的解释往往不能解释全部地质观测事实．本文通过有限单元法定量化计算，提出多种因素的综合作用的假说，认为较合理的估计包括逆掩断层的幕式活动和间歇、摩擦剪切生热、高放射性元素含量和低热导率岩石的存在、高抬升剥蚀速度等因素．这些因素的组合才造成高喜马拉雅淡色花岗岩既能成带，但又只是断续的出现．

利用GPS观测资料划分现今地壳活动块体的方法

利用GPS观测资料研究地球动力学问题是目前地学中的热点。利用GPS观测的速率 (或位移 )计算网格点附近小区域的应变张量和转动的欧拉极 ,再运用聚类分析法对计算的欧拉极进行分类 ,由此划分出地壳活动的次级块体。最后以中国大陆GPS观测结果为例 ,将中国大陆划分为 9个活动块体 ,通过比较发现 。

中国东北远离海沟陆内弧后扩张形成新生代火山的深部地球动力学背景

板块俯冲时海沟位置存在不变、前进和后撤 3种情况 ,后撤俯冲可能造成弧后扩张 .层析成像等资料显示 :太平洋板块低角度俯冲到欧亚板块之下后没有穿透 670km相变界面 ,而是平卧于该界面之上 .这种平卧过程可能始于 2 8Ma前 .地球动力学计算表明 :俯冲板片前缘触及上下地幔相变界面而受阻平卧时 ,有利于形成后撤俯冲和弧后扩张 .中国东北火山形成很可能属于这种后撤俯冲、远离海沟陆内弧后引张、地幔热物质上涌、减压熔融的情况 .

首次直接观测到与理论预测一致的同震静态应力偏量变化——2016年4月7日山西原平M_(L)4.7地震的钻孔应变观测

地震会引起同震位移和应力场变化,造成现存各断层上的库仑应力变化量的增加或减小并影响后续地震风险,对于地震预测具有重要意义.现有的大量地震实例中,理论计算的同震位移场与GPS、InSAR等实测的同震位移吻合,间接证实了基于均匀理想弹性假定下可以使用半无限空间Okada公式计算与位移微分相关的同震应力变化.然而,由于地壳并非严格的均匀理想弹性介质,理论计算和直接测量的同震应力变化进行比较仍是一个重要的研究课题.中国对四分量钻孔应变仪的数百个地震同震阶变的研究,发现记录绝大多数阶变不能满足自检条件;美国板块边界观测(PBO)中数百个同震钻孔应变记录同样发现观测幅度与理论预期值相差甚多,可达一两个数量级,这成为国际钻孔应变观测中的一个未解难题.2016年4月7日山西原平发生M_(L)4.7地震,该地震虽然不大,但原平钻孔应力台站距离震中仅19 km,得到了优质的同震阶变记录.本文以此展开研究,结果表明台站观测到的主应力方向和应力偏量大小,均与基于震源机制解的破裂模型的理论预计值很好吻合,这是首次实际观测到与理论计算预测基本一致的同震水平应力偏量变化,为利用库仑应力概念估计后续地震活动性提供了观测基础.然而,观测到的应力变化与理论计算值相差109 Pa的围压,本文也对其可能原因进行了探索,认为在探头、固结水泥和围岩三个可能影响观测的因素中,固结水泥影响可能性最大,并对今后工作提出了建议.

面波频散反演地球内部构造的遗传算法

介绍了一种新的算法——遗传算法的基本概念和特点，及其在地震面波反演地球内部构造中的应用，指出了使用遗传算法的注意事项．提出了通过对初步搜索结果参数分布直方图进行分析，从而修改和缩小进一步搜索的范围，逐步搜索以提高搜索效率的方法．并对３层含低速层的理论模型和青藏高原的实际频散资料进行遗传算法反演，获得了满意的结果．讨论了遗传算法在其他地震学问题中进一步应用的可能性．

关于应力触发和应力影概念在地震预报中应用的一些思考

应力触发和应力影概念及其在地震预报中的应用 ,是学术界关注的热点 ,尚有一系列需要研究的问题。例如初始应力场的确定 ,合理流变模型的选取和计算 ,孔隙压力的变化和影响 ,断层强度随时间的变化等。特别在估计应力场变化时 ,人们现今只注意到大地震对应力场造成的变化。一些新的观测事实表明 ,大量的小地震效应 ,慢地震的效应和无震滑动的效应 ,也不容忽视。定量考虑它们的效应 。

混合网格方法在巴巴多斯增生复合体热演化有限元模拟中的应用

为研究巴巴多斯增生复合体构造热演化的过程，采用空间坐标系和质点坐标系相结合的方法，在处理构造运动和变形的平流热效应时，并用变网格法及固定网格中的迎风法，成功地对该区域进行了二维有限单元法热模拟。计算结果表明，巴巴多斯增生复合体前弧下存在较高孔隙压力（约为岩体压力值的０．８）和一定摩擦生热（等效摩擦系数约为０．１７），俯冲沉积物压密和脱水排出的水沿脱顶断层从变形前锋流出是解释该区地热特征的必要条件。

川滇主要断裂带应力应变积累速率的三维有限元模拟:初步结果

川滇地区构造活动强烈,活动断裂众多,强震活动频繁.了解主要活动断裂的应力应变积累速率对于评估该区的长期地震危险性具有重要参考作用.本文新建立川滇地区及其主要活动断裂的三维黏弹性有限元模型,其中考虑了该区的岩石圈结构分层以及介质在水平和深度方向的不均匀性;采用1996—2018年的平均GPS水平速度场约束模型的侧边界,同时考虑川滇地块深部介质的拖曳力过程,模拟计算了构造加载作用下模型的动力学响应——区域变形特征和断裂的应力积累速率.模拟的位移场能很好拟合GPS观测的速度场,模拟的水平主应力方向在川滇块体和华南块体西缘与地震震源主应力方向相符,反映所建模型与模拟结果有较好的可信度.尝试将模拟的应力积累速率与基于GPS/GNSS观测的应变速率相结合,计算能反映区域地壳应变积累程度的弹性应变能密度分布;讨论了主要断裂带的背景应力、弹性应变能密度和库仑应力积累速率与M≥6.0地震发生的关系.结果显示除了模型边界附近的应力奇异地带外,川滇其余地区1996年以来M≥6.0地震大多数发生在模拟应力积累速率高或次高的断裂带(段),以及弹性应变能密度积累速率中偏高的断裂带(段).在模拟的背景应力速率高而且库仑应力增长快的龙门山断裂带南段和鲜水河断裂带最南段,分别在本文写作和定稿阶段发生2022年6月1日四川芦山M6.1地震和2022年9月5日四川泸定M6.8地震.认为研究区具有类似高或者次高的模拟应力和弹性应变能密度积累速率、但至今无强震发生和记录的断裂带(段),潜在的地震危险性需要关注.