引言

近年来，随着经济的快速发展，能源问题日益严峻。水平钻井技术和水力分段压裂技术的应用使页岩气的大规模开采成为可能。与此同时，压裂过程中所诱发的地震活动，尤其是中强地震的发生（如四川长宁2019年M_S6.0地震）造成了巨大的损失，因而受到了社会各界的高度关注（张捷等，2021）。四川省长宁地区拥有丰富的盐矿和页岩气资源，是我国页岩气开采的国家级示范区之一。对页岩气开采区进行地震活动性分析有助于揭示页岩气开采与地震活动之间的关系，加深对注水诱发地震活动特征的认识，便于对页岩气开采诱发地震的灾害风险进行更可靠的评估。

地震活动特征通常用Gutenberg和Richter （1954）提出的震级-频率经验公式lgN＝a－bM描述。其中，M为地震震级，N代表震级≥M的累积地震数目，a值反映地震活动性水平，b值反映给定时空范围内大地震与小地震频率的相对比例。通常认为b值大小与地下介质的应力分布情况有关（Toda et al，1998； Chan，Chandler，2001）：较高的b值通常对应着较低的应力，大震发生前b值往往呈下降趋势（Wyss et al，2004； Gulia，Wiemer，2019）。因此，b值对于地震孕育环境分析和地震危险性研究具有重要意义。工业水力压裂作业导致的微震和诱发地震与天然地震活动相似，同样遵循频率-震级分布特征（Atkinson et al，2015）。因此，诱发地震的b值可用于地震风险分析。

对于长宁地区的地震活动性，前人已进行了一些研究。例如，Lei等（2019a）分析了长宁地区N201-H24井场及其周边2018年6月1日至2018年12月31日的地震活动，采用最大似然法获得的b值为0.96；Jiang等（2021）基于数据驱动的非参数方法计算了2019长宁M_S6.0地震的b值时空变化，结果表明在主震震源区附近存在一个低b值 的空间区域，其大小大致与破裂面积相对应；Hu等（2018，2021）得到长宁地区东南部的b值在较低，平均值仅为0.729，明显小于四川省的平均b值0.8；胡隽等（2021）基于2017年2月至2018年6月近场流动台站记录到的微震数据，对长宁—昭通页岩气开采区的b值时空变化进行了分析，其结果显示该区域的整体b值为0.98，拟合直线呈明显的双线性特征和错位分布。这些研究所使用的观测台网的台站间距通常在10 km及以上，所获最小完备震级为M_c1.0左右。相较于台站间距较大的区域台网，近场流动台站对微地震事件的监测能力更强。因此，基于更完备的地震活动监测数据进行地震活动性分析，便于更准确地评估地震风险。

为监测长宁国家级页岩气开采示范区的地震活动，对长宁及周边地区诱发地震的活动规律、发震机理以及危险性等重要问题展开相关研究，中国地震局地球物理研究所依托国家重点研发项目在长宁地区布设了密集台阵。与以往的观测台阵相比，该台阵具有分布均匀、台站间距小（约5 km）和覆盖区域大（包括卤采区和页岩气区）的特点，所记录的数据连续性好且信噪比较高。本文拟以该台阵2021年4月28日至2022年6月30日所观测到的连续波形数据构建的高精度地震目录为基础，采用最大似然法计算b值，分析长宁地区b值的时空变化特征，并联系工业活动探讨b值变化的相关机制，以期为诱发地震风险评估提供有益的参考。

1.   区域构造背景与地震活动概况

长宁地区位于四川盆地西南，地处川东南构造带（图1）。该区主要的地质构造为长宁—双河复背斜。长宁—双河复背斜东西向长约100 km、南北向宽约20 km，分布于兴文县、长宁—双河、珙县—高县天星桥一带，为多断裂构造、北翼陡峭南翼缓之的不对称花边状肥大复式背斜（四川省地质局，1976）。该复式背斜由西至东依次由腾龙背斜、白象岩—狮子滩背斜、双河场背斜等褶皱构造构成（王玉满等，2016）。背斜核部出露寒武系地层，外围依次出露奥陶系、志留系、二叠系、三叠系和侏罗系等地层（何登发等，2019）。长宁—双河复背斜的北部为相岭向斜，南部为罗场向斜、建武向斜和玉和背斜，其中：相岭向斜两翼近似对称，轴向近EW方向（四川省地质局第一区测队六分队，1973）；玉和背斜西北翼地层较陡，南北翼反之，呈不对称的构造特征。长宁地区主要断层有大地湾断层、双河断层、巡司场断层、兴文断层和新街断层等，其中大部分为逆冲型、断层倾角较高，主要走向为EW、NE和NNW，其中NE走向的断层在数量上占比最多（石学文等，2019）。

图  1  四川长宁地区地质构造及2018年以来M≥5.0地震分布图

地质构造改编自镇雄、威信、筠连及叙永区域地质报告（四川省地质局第一区测队六分队，1973；四川省地质局，1976；云南省地质局第二区域地质测量大队，1976；贵州省地质局区域地质调查大队第一分队，1979）

Figure  1.  Topography of Changning region of Sichuan and distribution of M≥5.0 earthquakes since 2018

The geological structure is modified from the regional geological reports of Zhenxiong，Weixin，Junlian and Xuyong （The Sixth Division of the First Regional Geological Survey Team of Sichuan Provincial Geological Bureau，1973；Sichuan Provincial Geological Bureau，1976；The Second Regional Geological Survey Team of Yunnan Provincial Geological Bureau，1976；The First Division of Regional Geological Survey Team of Guizhou Provincial Geological Bureau，1979）

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长宁背斜及其附近区域历史上中强地震活动较弱，目前仅有5次M≥5.0地震记录（易桂喜等，2019）。随着页岩气的开采，该地区除小震活动频繁外，中强地震也呈现出活跃的态势。四川省地震台网测定数据所绘的地震M-t图（图2a）和N-t图（图2b）显示，长宁地区近年来地震活动频次及地震强度均呈显著提高。2010—2014年期间M≥2.0地震发生的频次约为120±30，平均频次为124；2015—2018年期间地震平均频次增至278 （约增加了一倍）；2019年更是激增至1 280次，较2010—2014年期间增长了九倍；2020年和2021年长宁地区M≥2.0地震的频次依然大于500 （图2b）；2022年上半年频次便已超过200。更重要的是，近年来该地区的地震震级也明显增大，多次达到M≥5.0，例如2018年12月16日的四川兴文M_S5.7地震、2019年1月3日的四川珙县M_S5.3地震和2019年6月17日四川长宁M_S6.0地震及该次地震后20天内所发生的四次M_S≥5.0余震（图1）。

图  2  研究区M≥2.0地震的M-t （a）和地震频次N-t （b）图（数据截止于2022年6月30日）

Figure  2.  Diagrams of M-t （a） and N-t （b） （M≥2.0）（The data are available by June 30，2022）

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2.   数据和方法

2.1   地震目录数据

本文数据来源于中国地震局地球物理研究所依托国家重点研发项目在四川省宜宾市长宁地区所布设的密集台阵（图3），该台阵由107个宽频带台站组成，台站间距为3—5 km。本文采用的数据记录时段为2021年4月28日至2022年6月30日。首先，基于台阵记录的连续波形数据，使用基于深度学习的地震检测与定位流程软件LOC-FLOW （Liu et al，2020；Zhang et al，2022）构建高分辨率地震目录（地震目录的具体构建过程将另文介绍）；然后，将连续地震波形数据模拟成适合计算近震震级M_L的Wood-Anderson仪器记录；最后对自动检测的事件进行人工筛选，之后使用双差定位方法（Waldhauser，Ellsworth，2000）得到24万1 225个地震事件（图3）。这些事件的平均震源深度为3.7 km，其中3—5 km深度范围内的地震数目占总地震数目的79.6%；绝大多数地震事件的水平方向、垂直方向的定位误差小于80 m和100 m；事件震级范围为M_L−0.9—4.7，其中M_L≥4.0事件10次，M_L3.0—4.0事件93次，M_L0—3.0事件13万4 653次，M_L0.0以下地震10万6 469次。图4给出了M_L0.0以上地震的M-t图和N-t图及累计频次图，可见：在研究时段内，M_L≥4.0地震主要集中在2021年7月、9月、11月以及2022年4月（图4a），这些时段内的发震频次也相对更高（图4b）；在2021年5月及2022年6月，地震事件相对较少，这可能与这两个月内有可用记录的台站较少有关。由图4c的累计频度曲线可以看出，地震事件数量大致呈稳定增长趋势。图5给出了一个小震的波形示例。

图  3  本研究所用地震台阵及其在2021年4月28日至2022年6月30日记录到的地震震中分布

Figure  3.  Location of the seismic array used in this study and distribution of epicenters between 28 April 2021 and 30 June 2022 recorded by the seismic array

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图  4  M_L≥0.0地震的M-t图（a），N-t图（b）和累计频度曲线（c）

Figure  4.  Diagrams of M-t （a），N-t （b） and cumulative frequency curve （c） of M_L≥0.0 earthquakes

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图  5  2021年7月9日04:42:22.345发生的M_L1.0地震事件的三分量波形

Figure  5.  The three-component waveforms of one event with M_L1.0 occurred at 04:42:22.345 on July 9，2021

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2.2   b值计算方法

目前，计算b值的方法主要有最小二乘法（Bender，1983）和最大似然法（Guttorp，1987）。最小二乘法计算简单，但易受高震级影响，当地震事件数量少时，稳定性较差。对于最大似然法，所有震级的地震事件具有相同的权重，地震震级较小时，其结果较最小二乘法更可靠。Aki （1965）提出的计算b值的最大似然法为：

式中，e为自然常数，$ \overline M $为平均震级，M₀为起算震级。式（1）假设震级连续，对于间隔为$\Delta M $的离散震级，存在“归档效应” ，因此由式（1）计算的b值偏大。为减小归档效应，Utsu （1966）对式（1）进行修正：

式中，M_c为最小完备震级，通常采用最大曲率法（Wiemer，Wyss，2000）计算。使用最大曲率法计算的最小完备震级偏小，故通常将计算的完备震级增大0.2 （Woessner，Wiemer，2005）。b值标准差的计算公式（Shi，Bolt，1982）为：

式中，N为地震频次，M为震级。

3.   结果

基于高精度地震目录计算的整个研究区域的最小完备震级为M_c0.2，较基于区域台网观测数据计算的最小完备震级（约1.0）小1。这说明流动台阵的监测能力要高于区域台网。整个研究区域的b值为1.06 （图6a），该值与胡隽等（2021）基于微震监测所得结果一致，但略高于其它结果（Lei et al，2017；Meng et al，2019；Hu et al，2021）。导致高于前人研究结果的原因可能如下：密集台阵监测能力较强，因而获得了更多微震数据；页岩气诱发地震的震级小，所拟合直线的斜率增大；研究时段不同，前人研究时段均早于本研究，大多集中在2019年及以前。四川省的平均b值约为0.8 （王辉等，2012），低于研究区所得b值，但与该地区密集的地震活动并不矛盾。长宁地区地震的震源深度较浅，绝大部分地震事件集中在10 km以浅（易桂喜等，2019；Zuo et al，2020），而地壳浅部介质具有强烈的非均匀性，岩石围岩的压力相对较低，更易于发生小震，因此该地区的b值偏高（Mori，Abercrombie，1997）。

图  6  长宁地区及其两个分区的震级-频次曲线

（a） 整个研究区；（b） 长宁—双河采卤区；（c） 长宁—昭通页岩气开采区

Figure  6.  Magnitude-frequency curves for Changning area and its two sub-areas

（a） Entire area；（b） Changning-Shuanghe salt area；（c） Changning-Zhaotong shale gas area

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长宁地区的诱发地震活动主要与卤水和页岩气的开采活动有关（Lei et al，2019b）。为此，将研究区域分成长宁—双河采卤区和长宁—昭通页岩气开采区（图3），分别计算这两个区域的b值，以考察卤水开采和页岩气开采诱发地震事件的活动特征。计算结果显示，长宁—双河采卤区和长宁—昭通页岩气开采区的b值分别为1.25和1.01 （图6b，c），二者差异较为明显。b值大小与地应力密切相关。从这个角度，我们推断产生这种差异的原因很可能是卤水和页岩气的开采方式不同：卤水开采采用的是向盐井中注入水，将盐溶解为卤水，然后再将卤水抽出的方式，而抽取卤水的步骤会导致地应力减小，从而使b值相对较高；页岩气开采的方式是使用高压流体将页岩压裂来释放微裂隙中的天然气，由于压裂液中含有支撑剂，这些支撑剂使得天然气释放后微裂隙不会闭合，地应力仍然会保持较高水平，相应的b值较低。

3.1   b值空间变化特征

长宁区的地震震中分布（图3）显示，地震具有显著的丛集性。具有相似发震机制的地震可能会集中在一定的区域内，形成地震丛集（Shearer，1998； Stankova et al，2008）。对每个地震丛集逐一分析，更有利于准确地揭示每个丛集的地震活动特征。

本文采用K-means聚类方法对地震划分丛集。K-means算法采用距离作为相似性指标，以地震事件点空间上的疏密关系进行丛集划分（Likas et al，2003）。该方法按指定丛集数K对数据进行聚类，因Calinski-Harabasz （CH）指数与聚类效果呈正相关关系（Meng et al，2018），所以聚类效果以CH指数（即丛集间方差与丛集内方差之比）来表征。试验结果表明，对于采卤区和页岩气区，K值分别取8和18时，所对应的CH指数为最大值。因b值准确性受采样震级影响，当大于最小完备震级的地震事件达到500个及以上时，所得b值稳定，误差较小（Nava et al，2017；Aiken et al，2018）。为得到可靠的b值计算结果，最终保留采卤区中事件数大于2 000的6个丛集，页岩气区中事件数大于6 000的10个丛集。保留的丛集如图7所示，不同地震丛集以不同颜色予以区分。对比图7与图3可以看出，保留的丛集为地震事件主体。

图  7  长宁地区的地震丛集分布及其b值

Figure  7.  Earthquake clusters and their b values in Changning region

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计算每个地震丛集的地震活动特征参数，结果列于表1。可以看出，不同地震丛集的b值具有较大差异。位于长宁—双河采卤区的地震丛集分布中，丛集①的b值最小，为0.95，其余五个丛集的b值均在1.1以上；在整个长宁地区丛集中，丛集⑥的b值最高，达1.42；在长宁—昭通页岩气开采区，地震丛集按b值分布可分为三类：丛集，， 位于长宁—昭通页岩气开采区的西侧（Ⅰ区），这三个丛集对应的b值较小且相近，b≤0.9；丛集位于建武向斜正南方（Ⅱ区），与其它丛集距离较远，其正北方存在一个地震空区，丛集的b值为1.22，远大于长宁—昭通页岩气开采区的其它丛集；其余丛集位于页岩气开采区东北侧（Ⅲ区），b值约为1。

表  1  长宁地区的地震丛集参数

Table  1.  Parameters of earthquake clusters in Changning region

分区		地震丛集	b	b值误差	a	Mc	事件个数
长宁—双河 采卤区		丛集①	0.95	0.02	3.52	0.4	2 490
		丛集②	1.17	0.02	3.52	0.2	4 417
		丛集③	1.34	0.02	3.61	0.1	10 381
		丛集④	1.24	0.01	3.85	0.0	21 715
		丛集⑤	1.29	0.01	3.77	0.1	17 558
		丛集⑥	1.42	0.01	3.99	0.0	24 843
长宁—昭通 页岩气 开采区	Ⅰ区	丛集	0.86	0.01	3.82	0.0	13 596
		丛集	0.90	0.02	3.53	0.3	6 218
		丛集	0.87	0.02	3.60	0.2	6 104
	Ⅱ区	丛集	1.22	0.01	3.88	0.1	16 971
	Ⅲ区	丛集	0.98	0.02	3.83	0.2	12 566
		丛集	1.00	0.01	3.68	0.3	6 950
		丛集	1.07	0.02	4.03	0.3	17 267
		丛集	1.03	0.02	4.39	0.2	37 216
		丛集	1.03	0.01	4.06	0.2	16 784
		丛集	0.92	0.02	3.72	0.2	6 860

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为更精确地考察长宁地区b值的空间分布特征，将研究区域网格化，分别计算每个网格内的b值。Tormann等（2014）指出，当地震数量少于50时，b值的不确定性会迅速增加。为此，根据事件分布将网格设置为0.02°×0.02°，每个节点搜索的事件上限为350个，最大搜索半径设置为3 km，且当节点内大于最小完备震级的地震事件至少为50个时方可进行计算。计算结果如图8所示，可见：采卤区的b值较高，特别是其东南部，而页岩气区的b值相对较低。台阵观测期间发生的M4.0以上地震，基本上都发生在低b值区域，仅2021年11月21日M_S4.5地震例外，该事件发生在长宁—双河采卤区东南部，在该区2019年曾发生M_S6.0地震。前人研究表明采卤及长期注水对该地区的地震活动造成了一定的影响（Sun et al，2017；Lei et al，2019a）。采卤区的高b值表明，2019年地震之后，该区域的应力可能得到了有效释放，中强地震危险性有所降低。

图  8  长宁地区b值（a）及其标准差δb （b）的空间分布

M≥4.0地震的发震时间和震级分别为：1. 2021年7月7日 M4.2；2. 2021年9月3日 M4.7；3. 2021年11月12日 M4.3；4. 2021年11月17日 M4.6；5. 2021年11月21日 M4.5；6. 2021年12月1日 M4.3；7. 2021年12月10日 M4.3；8. 2022年4月6日 M4.8；9. 2022年4月7日 M4.2；10. 2022年4月15日M4.0

Figure  8.  Distribution of b-value （a） and their standard deviation δb （b） for Changning region

The origin time and magnitude of M≥4.0 earthquakes （denoted by red circles） are：1. M4.2 on July 7，2021；2. M4.7 on September 3，2021；3. M4.3 on November 12，2021；4. M4.6 on November 17，2021；5. M4.5 on November 21，2021；6. M4.3 on December 1，2021；7. M4.3 on December 10，2021；8. M4.8 on April 6，2022；9. M4.2 on April 7，2022；10. M4.0 on April 15，2022

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为考察b值在垂直方向上的空间分布，比较不同震区间的b值特征，分别绘制沿长宁背斜长轴方向及东西向的三条测线的垂向b值剖面图（图9a）。深度剖面的网格为0.5 km×0.5 km。对于每个格点，事件最大搜索半径取1 km，其余参数与平面网格的相同。取距离各剖面5 km宽度范围内的地震事件进行b值计算。从AA′剖面（图9b）可以看出：沿测线方向从西北向东南，b值整体呈逐渐升高的趋势；在剖面西北的浅部存在一个低b值异常区域，表明该地区应力水平可能较高，具有相对较高的地震风险性；随着深度的增大，b值呈现出一定的减小趋势，说明在更深处，随着结晶基底的出现，应力积累的程度也逐渐增加。而BB′及CC′剖面的结果（图9b）表明，b值在剖面上的变化未表现出明显的规律。除CC′剖面中部（建武向斜附近），即图7所对应的Ⅱ区，表现出明显的b值随着深度的增加而不断减小的特征之外，该区域b值在深度上未呈明显的正向或负向的变化。该震群与其余地震事件在b值空间分布上的差异，可能意味着产生微地震事件的机制不同。长宁地区b值平面和剖面的空间分布的不均匀性，在一定程度上反映了该区域复杂的应力分布及地下介质构造的不均匀性。

图  9  沿长宁背斜长轴方向和东西向的三条测线（a）及沿三条测线的垂向b值剖面分布图（b）

图（b）中数字编号代表的地震与图8相同

Figure  9.  Three surveying lines along the major axis of the Changning anticline and east-west direction （a），and the vertical b-value profiles along the three surveying lines （b）

The earthquakes indicated by the numbers in Fig. （b） are the same as those in Fig.8

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3.2   b值时间变化特征

对长宁—双河采卤区和长宁—昭通页岩气开采区三个区块（ Ⅰ ， Ⅱ和Ⅲ）分别计算其不同时段的b值。参考Chen等（2018）的计算方法，将N个地震事件取为一个时间窗，以一个时间窗为一个步长，逐步向后滑动时间窗。固定的样本量使不同的窗口和步长可能具有不同的时间尺度，但在样本较多的情况下，将会有效降低b值的误差值。N值越大，时间窗内样本越多，b值计算结果的可信度也越高，而较小的N值可提高时间解析度（史海霞等，2018）。为了维持二者之间的平衡，考虑到不同区块地震数量存在显著差异，对于地震事件较多的长宁—双河采卤区和长宁—昭通页岩气开采区Ⅲ区，取N＝1 500，将1 500个地震事件作为一个时间窗，而对于长宁—昭通页岩气开采区Ⅰ区和Ⅱ区，N则取500。

2021年6月—2022年6月期间长宁—双河采卤区（图10a）和页岩气开采区Ⅰ区（图10b）、Ⅱ区（图10c）及Ⅲ区（图10d）的b值变化范围分别为0.8—1.6，0.7—1.2，0.85—1.75和0.8—1.3。在长宁—双河采卤区（图10a），2021年6月至8月期间，b值在平均值1.25 （图6b）上下波动；2021年8月至9月中旬，b值呈整体上升的趋势，这与该地区的地震活动性有着比较好的对应关系，在此期间该地区并未出现M3.0以上地震事件，应力水平相对较低；至10月初，b值开始减小，于10月中旬达到低值，可能体现了10月1日M_L3.2地震的应力积累过程；11月至12月期间，b值呈急速减小又迅速回升的现象，其间发生了5号M_L4.5和6号M_L4.3地震；2022年1月至2月时段内，b值一直处于较低水平，体现了该时段内的高应力水平，其间发生了4次M3.0以上中小震；2022年3月至5月，b值一直低于平均值，整体波动小。长宁—昭通页岩气开采区Ⅰ区（图10b）与Ⅲ区（图10d）的b值随时间的变化趋势具有一定相似性：2021年10月b值变化比较平缓，11月中上旬b值一直处于较低的水平，12月回升以后再次出现小幅降低，2022年1月到3月期间b值变化平稳，3月到6月b值出现振荡变化，并且振幅较大，这表明在一定的时间范围内，两个区块的应力变化具有一定的相似性。但两区之间也呈现不同特征，即Ⅰ区整体的b值更小，Ⅲ区地震事件更多。例如，在2021年6月至9月期间，Ⅲ区地震发震频率高，b值变化剧烈，而Ⅰ区b值则呈现缓慢上升—下降的过程。图10c揭示了长宁—昭通页岩气开采区Ⅱ区b值随时间的变化。2021年9月3日发生珙县M_S4.7地震，在此次地震发震前该地区的地震少，b值整体趋于平稳，几乎无震荡变化，但表现出明显的低b值特征，而此次地震后，b值呈明显增大的趋势。2021年9月至11月间b值计算节点多，余震发震频次高，11月以后应力得到释放，b值稳定在1.0以上，变化幅度小，整体趋向稳定。总体来看，通常在较大地震发震前，b值较低或呈现出显著下降的趋势，震后出现回升。

图  10  不同区域b 值随时间的变化（数字编号标注的地震与图8相同）

（a） 长宁—双河采卤区；（b） 长宁—昭通页岩气开采区Ⅰ区；（c） 长宁—昭通页岩气开采区Ⅱ区；（d） 长宁—昭通页岩气开采区Ⅲ区；（e） 2021年12月1日M_L4.3地震前后

Figure  10.  Variation of b value over time in different regions （The numbers present the same earthquakes as in Fig.8）

（a） Changning-Shuanghe salt area；（b） RegionⅠ of Changning-Zhaotong shale gas region；（c） Region Ⅱ of Changning-Zhaotong shale gas region；（d） Region Ⅲ of Changning-Zhaotong shale gas region；（e） Before and after the M_L4.3 earthquake on December 1，2021

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4.   讨论

本研究中长宁各工业区及各地震丛集的b值不确定性由式（3）计算，结果均在0.02以内（表1），b值可信度较高主要在于地震目录的完备性较好。在对b值进行空间扫描时，也对b值的不确定性进行计算，b值标准差的空间分布如图8b所示。除小部分位于边缘区域的网格点地震比较稀疏，b值的不确定性较大外，大部分区域的b值标准差均小于0.1。b值较小区域的b值标准差也较小。b值的计算精度除与目录完备性、统计量以及计算方法等有关外，震级区间也将对其产生影响。Bender （1983）认为震级跨度至少大于1.5时b值的计算结果才较可信。选择部分地震事件少且位于边缘区域的网格点进行验证，结果显示其震级跨度至少能达到1.5，部分可达到2.5。因此，所得b值空间分布结果的稳定性较好。在b值剖面分布图（图9）中，边缘区域所表现出的高b值可能是由于采样事件较少而产生的伪影所致，b值不确定性高。同时，搜索半径明显大于网格间距，这使得大量数据重叠，也在一定程度上使相邻节点的b值不可避免地相互关联（Chen et al，2018）。

根据地震丛集所在位置及其b值大小，可推断对应裂隙或者断层的活动状态。一般认为，出现裂隙扩张的地区的b值大于1，而出现断层活化的地区所对应的b值小于1 （Mousavi et al，2017；Maity，Ciezobka，2019；Zorn et al，2019；Kettlety et al，2021）。Kettlety等（2021）研究2019年英国兰开夏郡（Lancashire）普雷斯顿新路（Preston New Road）水力压裂引起的几次有感地震时发现：活化断层段的b值为0.8±0.2，而无活化断层段的b值范围为1.2—2.7。Maity和Ciezobka （2019）通过研究米德兰（Midlandn）盆地的水力压裂试验场的b值分布特征发现，b值约为2时，水力裂缝的增长及其与天然裂缝的相互作用形成复杂的三维裂缝网络。长宁—双河采卤区的b值随时间的整体变化趋势与长宁—昭通页岩气开采区的相似度不高，在空间上也具有不同的分布特征，这表明两个区域可能具有不同的发震机制。长宁—双河采卤区的b值相对较高，该地区地震活动弱，地震震级更小，这些地震活动可能与采卤过程中注水后抽吸采卤水引起的地层盐卤溶蚀、孔隙和裂隙增加、岩层裂隙和裂缝增长有关。而页岩气开采区的b值低，出现了大量有感地震事件。这些地震事件可能是由于压裂注水引起地层孔隙压力增加，继而导致先存断层激活或活化所致。值得注意的是，研究区域最南部可能存在一个凹凸体区块，即此处地震危险性相对较高。凹凸体是活动断裂带上地下介质应力积累水平较高的区段（Aki，1984），其b值通常小于0.7 （Wyss et al，2004）。易桂喜等（2008）获得川滇东边界凹凸体b值小于0.6。根据长宁地区的b值分布特点，将b值小于0.6的异常体视为凹凸体。国内外许多大地震的震源区均表现出高速结构特征的凹凸体，例如，2016年日本熊本M_L7.3地震（Shito et al，2017）、2010年智利莫尔M8.8地震（Hicks et al，2014）、2008年汶川M_W7.9地震以及2013年芦山M_W6.6地震（孙权等，2022）、2022年泸定M_S6.8地震（易桂喜等，2023）等。Ma等（2019）对宜宾地区的三维速度结构成像结果也表明，该区域浅层地表表现为明显的高速异常特征。此处，目前尚无震级较大的地震事件发生，但不排除未来发生中强地震的可能性。

地震前b值随时间变化被视为判断地震风险的指标之一。Smith （1981）的研究显示，对某些地震序列而言，主震前、后b值都会发生改变，且前震序列的b值小于余震序列。这一特性与初始的高应力状态随着主震发生而降低相一致，故认为b值随时间变化对地震预测具有指示性意义（李全林等，1978）。大地震前低b值的特点已被多次验证，包括2004年印尼M_W9.1地震和2011年日本M_W9.0 （Nanjo et al，2012）、2008年汶川地震（史海霞等，2018）及1999年集集地震（高雅婧等，2022）等。此外，一些研究认为，在有感诱发地震事件前b值也呈显著降低的特征，在美国俄克拉荷马（Oklahoma）州（Rajesh，Gupta，2021）、加拿大不列颠哥伦比亚（British Columbia）省（Wang et al，2020）以及美国加利福尼亚（California）州盖尔瑟斯（Galesse）和俄勒冈（Oregon）州纽伯瑞（Newbury）（姜丛等，2022）等地区均已观察到这一现象。由图10可以看出，对于整个研究区域，除6号地震2022年12月1日M_L4.3外，其余8次M＞4.0地震事件都对应着低b值或b值下降的情况，震后b值均出现了不同程度的上升，这与震级较大的天然地震前的b值变化特征类似。b值由低至高的变化，反映了诱发地震活动与天然地震活动相似的应力积累—释放过程。以6号地震为中心，设其搜索半径为5 km，采用与3.2节中相同的b值计算方法分析其震前及震后15天内的b值时间变化特征，N取500。结果显示；在11月16日至29日期间b值变化相对平稳，11月29日至30日，即震前两天，b值出现了显著降低的情况，震后四天内余震丰富，b值振动幅度较大，12月5日以后逐步平缓（图10e），此次地震仍符合b值变化规律。由b值动态变化可以获取中长期或短期的孕震信息，进而利用b值评估该地区处于地震孕育的哪个阶段，为地震风险评估提供参考。

但是，并非每次b值减小都对应着较大地震事件的发生，其原因可能有：① 将研究区域分为多个震区，各震区距离较近，其余区域地震事件的发生也会使当前研究震区内的应力和b值产生波动，而此部分地震未被包含在当前研究震区内；② 研究区存在的大量M_L≤4.0地震事件，仍可对震区应力产生影响，部分b值减小的时段可能对应于M_L≤4.0地震事件；③ b值大小不仅与区域地震有关，同时还受到岩石力学性质、岩石应力应变演变等的影响（Schorlemmer et al，2005）。因缺乏具体的工业注水信息，无法将b值随时间变化与工业活动中的注水量、排水量、注水速度以及注水压等相关因素的关系进行分析，但b值变化与地震活动的对应性表明，b值对于可感地震的预测指标有一定的指示意义，也可对诱发地震的孕震状态进行分析。

5.   结论

本文基于川南地区布设的107个密集台阵数据和利用基于深度学习方法构建的长宁地区2021年5月—2022年6月期间的高精度地震目录（共包含24万余个地震事件），使用最大似然法对b值进行了计算，并就b值的时空变化特征予以分析，获得如下主要认识：

1） 布设的密集台阵显著提高了该地区的地震事件监测能力，最小完备震级达到0.2。表现出较好的区域监测能力，为后续的相关研究打下了坚实的基础。

2） 整个研究区的b值为1.06，长宁—双河采卤区的b值为1.25，长宁—昭通页岩气开采区的b值为1.01。研究区域不同区块的b值差异较大，北部的长宁—双河采卤区的b值高于页岩气开采区，页岩气开采区的应力水平更高。两个区域所表现出的b值差异表明其可能具有不同的发震机制，采卤工业引起地层盐卤溶蚀，从而使岩层裂隙裂缝增长，这样诱发的地震相对较小；而页岩气开采区内的水力压裂则引起地层孔隙压力增大、先存断层的激活或活化，从而诱发震级相对更大的地震事件。

3） b值平面和剖面的分布显示，b值在不同区域表现了不同的空间分布特点。在长宁背斜核部区域，b值沿NW−SE方向呈逐渐增大的趋势。长宁—双河采卤区东南部的b值较高，表明自2019年长宁M6.0地震后，该地区应力得到释放。长宁—昭通页岩气开采区最南部可能存在一个凹凸体，发震风险较高。b值分布的不均匀性在一定程度上可能反映了地下介质的不均匀性。M≥4.0地震绝大部分分布于低b值区域的内部或边缘，低b值区域有可能是未来强有感地震的发生区域。

4） 从时间上看，几次较大地震发震前，b值基本上都出现了大幅下降的情况，比较符合较大地震发震前的b值变化特征。这表明这些诱发事件仍表现出与天然地震相似的应力累积-释放特征，只是其应力累积过程被人为缩短。b值的时空变化特征对地震危险性分析有指示意义。

b值是用于判断潜在地震风险的重要指标之一，本文基于b值深入地研究了长宁地区及其周边地区相关工业区的地震风险演化特征，并得到了一些初步结果。这对地震灾害预警可能具有重要的意义。b值数值的波动与研究区域的应力状态改变相关，因此若能及时监控到大量伴随着b值急剧变化的诱发微震事件，则有可能由此判断出继续压裂活动的地震风险。

四川省地震局李大虎博士提供了地方震目录，本文b值计算与绘图程序来自Zmap程序包（Wiemer，2001），审稿专家提出了宝贵的意见和建议，作者在此表示衷心的感谢。