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2022年 第44卷 第5期    刊出日期：2022-10-20

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研究论文

内蒙古中部察哈尔右翼后旗陆相枕状玄武岩的发现及其意义

史志伟, 白志达, 董国臣, 王旭

2022, 44(5):  1087-1106.  DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2022.05.001

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海相枕状玄武岩分布广泛, 而大规模陆相枕状玄武岩在国内罕见。内蒙古察右后旗陆相枕状玄武岩属上新世汉诺坝玄武岩。枕状玄武岩厚10~12m, 堆积序列自下而上为深湖相灰白色钙质泥岩、 枕状玄武岩、 气孔状玄武岩和块状玄武岩。枕状玄武岩由黑色枕状体和黄色淬碎角砾组成, 枕状体结构完整, 国内罕见。橄榄拉斑玄武岩枕状体, 呈斑状结构, 气孔、 杏仁状及块状构造, 斑晶主要为斜长石、 单斜辉石和橄榄石。基质为玻晶交织结构和间隐-间粒结构, 主要由微晶斜长石、 辉石和玻璃质组成, 含量为70%~85%。枕体间的填充物主要为玄武质淬碎碎屑, 包括集块、 角砾和凝灰级碎屑, 其中凝灰级淬碎碎屑的确定丰富了火山灰的成因类型。海相和陆相均可形成枕状玄武岩, 水是必要条件, 但其形成与水深关系不大, 主要受熔岩的温度和流速控制。水下玄武质熔浆在1150~1000℃时易形成枕状构造, 而低于1000℃则很难形成枕状熔岩, 相对缓慢的流速利于枕状体形成。陆相枕状玄武岩常分布于火山口周围, 属近火口相堆积物, 具有明确的指相意义, 这对恢复火山机构面貌及火山喷发过程具有重要的实际意义。

琼北晚第四纪火山锥体形貌与喷发机制

冯晶晶, 赵勇伟, 李霓, 陈正全, 王丽竹, 刘永顺, 聂保锋, 张学斌

2022, 44(5):  1107-1127.  DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2022.05.002

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文中以琼北峨蔓、 海口等地200ka以来喷发形成的38座火山为研究对象, 基于Google Earth高分辨率遥感卫星影像及ALSO(12.5m)数字高程模型(DEM)数据, 并基于无人机倾斜摄影测量生成的高精度、 高分辨率数字正射像图(DOM)和数字高程模型(DEM)数据, 详细测量了锥体形态, 对其形态进行定性和定量研究。文中提出了一种新的方法: “Sco^h(火山锥水平截面积)-H^h(锥体山顶至截面垂直距离)法”, 可精确分析琼北锥体形态上的差异。研究表明, 在Sco^h-H^h投图中, 根据曲线的不同, 火山锥体总体可分为3类: 1)曲线坡度较小, Average(H^h/Sco^h)^h>3m=0~0.6, 区内约有22%的锥体属于该类型; 2)曲线坡度较陡, Average(H^h/Sco^h)^h>3m=1.0~6.0, 区内约有65%的锥体属于该类型; 3)曲线坡度最陡, Average(H^h/Sco^h)^h>3m=4.0~12.0, 区内约有13%的锥体属于该类型。野外地质调查证实, 第1类火山锥以罗经盘为代表, 由火山砾、 火山灰、 围岩碎屑构成, 具有平行层理, 属于凝灰岩环(tuff ring)型锥体, 为射汽岩浆喷发(phreatomagmatic erutpion)成因。第2类火山锥以马鞍岭为代表, 由火山弹、 熔岩饼等岩浆爆破成因的火山碎屑组成, 属斯通博利型(Strombolian)-夏威夷型(Hawaii)火山喷发成因。第3类火山锥以笔架岭火山为代表, 多由直径>30cm的熔岩块构成, 推测为侵出成因(extrusion)。研究表明, 不同喷发类型形成的火山锥具有不同的形态特征, 这些形态差异可以准确地反映在Sco^h-H^h曲线中。因此, 利用该方法基于火山锥高精度DEM数据可能能够限定火山喷发的类型, 这对于高效统计确定大型火山群的喷发类型、 评估火山喷发灾害类型和灾害预期提供了一个新的研究思路。

琼北火山监测与活动性研究进展

郭明瑞, 于红梅, 胡久常, 王锡娇, 郑在壮, 王桂丹

2022, 44(5):  1128-1141.  DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2022.05.003

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海南琼北地区是中国第四纪以来火山活动频繁的地区之一, 其中马鞍岭-雷虎岭火山群的喷发活动持续至全新世, 且距海口市仅15km, 属于典型的城市火山。为掌握琼北火山的活动性, 预防突发的火山灾害, 海南省地震局于2007年组建形成火山监测台网, 至今运行良好并积累了大量观测数据。文中收集整理琼北火山区过去23a(含建台前区域地震台网数据)以来的测震、 形变、 流体与地磁观测数据, 并采用多种方法对数据进行分析研究, 发现火山活动与地质构造之间存在紧密联系, 并根据琼北火山的喷发特征和活动背景, 提出了未来火山监测台网的发展方向。文中对琼北火山进行了系统性的总结与回顾, 为琼北火山区的规划建设和灾害预测提供了科学依据, 并为后续火山监测的发展提供了技术支撑。

重结晶碳酸盐在碳酸盐岩区基岩断层定年中的应用--以广西那坡断裂北段R剪切断层为例

姬昊, 刘春茹, 张沛全, 李冰溯, 聂冠军, 魏传义, 尹功明

2022, 44(5):  1142-1155.  DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2022.05.004

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在缺乏第四纪沉积物覆盖的碳酸盐岩基岩区, 难以确定断层的第四纪活动历史。碳酸盐岩基岩区断层活动往往会在断层面上形成重结晶碳酸盐, 这为利用ESR方法研究此类断层的第四纪活动历史提供了物质基础。文中采集了那坡断裂系北段一条R剪切断层基岩面的3个重结晶碳酸盐样品, 并开展ESR测年研究。结果表明, 该断层的活动时代大致为距今0.2Ma, 根据里德尔剪切模型推测, 那坡断裂的主干断层可能发生过晚于距今0.2Ma的构造活动; 同时, 碳酸盐岩基岩区断层活动产生的重结晶碳酸盐作为直接记录断层活动信息的测年材料, 具有广阔的应用前景。

安丘-莒县断裂驸马营覆盖区第四纪活动特征

王雷, 许洪泰, 王志才, 杨传成, 张建民, 王冬雷, 夏暖, 蔡明刚, 鲁人齐, 任治坤

2022, 44(5):  1156-1171.  DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2022.05.005

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安丘-莒县断裂是中国东部重要的发震断裂, 历史上发生过多次强震。为厘清该断裂安丘-昌邑段驸马营覆盖区的断裂特征, 开展了地质地貌调查、 浅层人工地震勘探、 钻孔联合剖面探测和探槽开挖工作。文中获得了以下几点认识: 1)地质地貌调查和浅震勘探结果表明, 安丘-莒县断裂眉村-双官段可分为2支, 分别为断裂西支F_5-1 和东支F_5-2, 西支断裂F_5-1 在丘陵东坡出露, 东支断裂F_5-2 隐伏于第四系中。2)驸马营覆盖区的钻孔探测结果表明, 断裂东支F_5-2 在钻孔Z₄和Z₅之间通过, 上断点可推测延伸至层w₂全新统黑土湖组内部, 埋深为4.2~6.9m, 在黑土湖组底部取¹⁴C贝壳样品¹⁴C-1, 其结果为(9.79±0.03)kaBP, 表明东支断裂曾于全新世活动。3)在2支断裂之间沿东支断裂形成了长条形的第四纪盆地, 东支F_5-2 断裂西侧第四系发育较完整, 岩心见下更新统、 中更新统、 上更新统和全新统; 东侧仅沉积了上更新统和全新统, 表明驸马营盆地在第四纪早期和中期一直接受沉积, 具有断陷盆地的特点。4)安丘-莒县断裂的东支和西支在不同时期的活动强度存在差异, 断裂东支F_5-2 的驸马营隐伏段在第四纪早-中期活动强烈, 晚第四纪以来仍有活动。经地质地貌调查发现, 断裂西支F_5-1 错断地质剖面晚更新世黄色粉土, 断裂的最新活动时代为晚更新世。

多轨道InSAR震间形变速率场拼接方法

华俊, 龚文瑜, 单新建, 王振杰, 季灵运, 刘传金, 李永生

2022, 44(5):  1172-1189.  DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2022.05.006

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随着合成孔径雷达干涉测量技术(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)的飞速发展, 海量高质量的干涉图使得大面积地表形变监测成为可能。但星载SAR的标准景幅宽有限, 需要将多轨InSAR数据进行拼接来开展大范围地表形变的监测。聚焦于地震震间形变研究中广域形变场重建的应用需求, 文中首先基于模拟数据集定量分析了入射角对多轨道InSAR形变拼接的影响, 讨论了多轨道单一方向观测时InSAR形变场拼接中的主要误差来源; 提出了基于多项式估计的比值法修正入射角的方法; 面向大型走滑断裂, 讨论并分析了转换到地距向(Azimuth Look Direction, ALD)后进行拼接的应用场景和效果。最后, 以青藏高原东南部为实验区域, 利用GPS水平速度场进行参考基准校正, 分别使用比值法和转换到ALD方向对基于哨兵1号卫星重建的3个轨道InSAR数据进行拼接, 获得了大范围、 高精度的InSAR形变速率场。结果表明, 入射角的差异会造成相邻轨道同一区域InSAR震间形变速率场的差异, 当难以对InSAR形变场进行三维分解时, 文中提出的拼接策略可将多轨道的InSAR形变速率场的参考基准统一到同一空间参考框架下, 能够有效抑制入射角的影响, 实现广域InSAR震间形变速率场产品的拼接。

InSAR数据约束的2021年西藏比如M_W5.8地震同震滑动分布及库仑应力变化

于书媛, 张国宏, 张迎峰, 丁娟, 张建龙, 范晓冉, 王绍俊

2022, 44(5):  1190-1202.  DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2022.05.007

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文中运用D-InSAR技术获取的2021年3月19日西藏比如县M_S6.1 地震的同震形变场显示: 升、 降轨LOS向同震位移场的长轴为NE向, 其中最大抬升量和沉降量分别约为5cm和6cm; 在此基础上, 基于Okada模型反演断层面的精细滑动分布特征。反演结果表明近场残差得到有效控制, 其中发震断层参数为: 走向228°, 为SE倾向断层, 宏观震中位于(31.94°N, 92.87°E), 矩震级为 M_W5.8, 平均滑动角为-56.42°, 最大滑动量达0.2m, 倾角为55°。最后, 运用Column33软件计算以反演断层为接收断层的不同深度的同震库仑应力变化, 结果显示比如地震震中附近产生了明显的应力降, 深部断层滑动量很小。后续地震事件通常发生在5~15km深度, 这与相应深度的应力增加区域一致; 以班公湖-怒江断裂和聂荣北断裂为接收断层的应力变化显示, 比如地震在2条断裂的部分区域产生了应力加载, 库仑破裂应力值ΔCFS>0.01MPa, 需要引起关注。结合地表形变观测资料和前人的研究成果初步认为, 比如 M_W5.8 地震的发震断层为NE向隐伏次级断裂, 位于班公湖-怒江断裂带西段北侧, 断裂活动方式以正断为主, 兼具少量走滑分量, 发震断层与主断层的关系需要通过野外地质调查资料综合确定。

沂沭断裂带地区地下水及地面沉降对流动重力观测的影响

李树鹏, 祝意青, 贾媛, 崔华伟, 殷海涛, 吴双, 王锋吉, 陆汉鹏

2022, 44(5):  1203-1224.  DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2022.05.008

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2010-2020年间利用LCR-G相对重力仪及CG-5相对重力仪对沂沭断裂带地区进行了每0.5a一期的相对重力观测, 通过对重力观测数据、 水文资料和形变资料的处理分析, 发现: 1)2010年8月以来沂沭断裂带北段出现的多年期重力异常与该地区地下水位下降及地面沉降有强相关性, 地下水位变化对重力的影响可达-102.21μGal, 地面沉降产生的最大影响为190.56μGal, 二者叠加影响可达195.72μGal; 2)流动重力观测在基岩出露的山地丘陵区一般不存在非构造背景场干扰, 而当第四系平原地区的重力场出现大幅变化时, 应重点明确是否为水位变化、 地面沉降等因素导致; 3)深层承压水漏斗区往往伴随地面沉降及显著的重力变化, 浅层潜水下降一般不引起地面沉降, 但水体流失会引起地面一定的重力负值变化; 4)日常对流动重力测量资料进行校正时, 可根据测点近年受地下水及垂直形变干扰的量级变化规律计算其年均校正常数, 这对流动重力资料的分析、 应用以及相关研究具有一定的积极意义。

2017年8月9日精河M_S6.6地震宏观烈度及其余震分布的断层气体地球化学表征

朱成英, 闫玮, 麻荣, 李志海, 汪成国, 黄建明, 周晓成

2022, 44(5):  1225-1239.  DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2022.05.009

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2017年8月9日7时27分52秒, 新疆博尔塔拉州精河县发生 M_S6.6 地震, 震中位于库松木契克山前断裂的东段。为研究精河 M_S6.6 地震后其周边断裂的活动特征, 对库松木契克山前断裂及博罗科努-阿其克库都克断裂精河段开展跨断层土壤逸出气体Rn、 H₂、 CO₂的浓度测量。结果表明: 1)土壤气体Rn、 CO₂和H₂的浓度有较好的一致性, 高值出现在断层附近, 多呈现明显的单峰特征。2)Rn、 CO₂和H₂浓度在空间上有明显的分段特征, 从西向东浓度值逐渐增大, 主震和余震集中区附近达到最高值, 博罗科努-阿其克库都克断裂精河段的土壤气浓度达到最低值。3)Rn、 CO₂的浓度异常强度有很好的一致性, 两者的高、 低值分布区域与H₂基本相反。余震集中的区域也是断层活动增强的区域, 随着余震的发生, 应力增加, 岩石的渗透性减小, 使得不能参与扩散和对流等迁移活动的Rn被CO₂从地下深部携带至地表, 这能解释Rn和CO₂出现同步异常的原因; H₂主要被封存于深部的岩石孔隙和裂隙中, 地震发生后, 岩石中的孔隙受到破坏, H₂迅速逃逸到浅部或大气中。一方面, 随着余震的发生来自浅部气藏的H₂量越来越少; 另一方面, 岩石中因化学反应产生的H₂生成量随断层活动性的降低而下降。4)土壤气Rn、 CO₂和H₂的浓度大小与余震分布和地震宏观烈度有较好的一致性, 及时在震区和外围区域开展土壤气体地球化学观测是震后趋势判定的一种有效手段和方法, 也可把跨断层土壤气体的浓度作为地震宏观烈度评定的重要补充资料。

基于同类地物地表温度日变化相关性的MODIS LST重建算法

崔建勇, 张曼玉, 宋冬梅, 罗升, 单新建, 王斌

2022, 44(5):  1240-1256.  DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2022.05.010

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地表温度(LST)是研究地表与大气之间物质和能量交换、 地表过程变化以及地热探测与地震热异常前兆等方面不可或缺的重要参数, 然而云覆盖现象导致MODIS LST产品存在大量空值, 限制了LST的广泛应用。文中提出了一种基于同类地物不同时刻LST日变化相关性的MODIS LST重建算法。以新疆和田为研究区, 使用2003-2015年MODIS 8d合成地表温度产品为实验数据, 根据一天中同类地物不同时刻LST之间的相关性, 以地表覆盖类型产品为依据, 分别创建各类地物上午、 下午和晚上与凌晨的LST回归模型, 将三者的LST拟合回归至凌晨时刻的LST, 然后取上午、 下午和晚上拟合结果的最优组合以实现对凌晨LST的两步重建。实验结果表明, 该方法的最小误差为0.57K, 误差均在1.2K以下, 平均误差为0.92K。经验证, 将该方法应用于其余3个时刻的地表温度重建工作中仍可得到较好的补值效果。与现有的LST补值方法进行对比可知, 本方法以少量辅助数据实现了较高的补值精度和补值率, 可为基于温度的地表过程研究和地震热异常检测等研究提供坚实的数据基础。

用高分辨率谱分解方法研究三河-平谷大地震区的深部细结构

李倩, 酆少英, 秦晶晶, 田一鸣

2022, 44(5):  1257-1272.  DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2022.05.011

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深地震反射数据的深部具有低频、 弱能量、 低信噪比等特点, 这为深部构造的正确解释带来了困难。稀疏约束反演谱分解方法是基于非稳态褶积模型的一种时频分析方法, 该方法将谱分解问题描述成一个线性反演问题, 将其与L1范数的正则化条件相结合, 即可使其沿着满足约束条件的方向求解得到理想的时频谱。以上方法具有产生高分辨率时频谱和相位谱的能力, 在石油地球物理勘探的储层低频异常检测、 随机噪声衰减以及碳酸盐岩孔洞识别等方面取得了一定效果, 但尚未有将其应用于深地震反射数据中的报道。文中将稀疏约束反演谱分解方法应用于三河-平谷8.0级大地震区的深地震反射数据中, 通过单道数据测试说明该方法能够有效识别地震振幅异常, 较为准确地重构地震信号; 对叠加剖面的应用结果表明, 在特定频段范围内的重构剖面及时频剖面与原始叠加剖面相比具有更高的分辨率, 能够清晰地刻画出三河-平谷地区地壳深部被噪声湮灭的低频细节特征; 高分辨率的时频相位谱具有丰富的相位信息, 相位特征变化明显, 可以借助时频相位谱对地壳浅部的断层进行识别, 有助于判断构造边界; 子波重构剖面以及高分辨率的单频相位谱有助于刻画出该区莫霍过渡带内部反射的精细结构特征。综合分析原始反射地震剖面、 时频剖面以及子波重构剖面, 有助于深入研究三河-平谷大地震区的深部精细构造, 为后续深地震反射剖面的精细解释奠定了基础。

甘肃省老虎山断裂带区域地壳纵波速度的实验

宋刚, 杨晓松

2022, 44(5):  1273-1289.  DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2022.05.012

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前人研究表明, 老虎山断裂带区域未来几十年内可能会密集发生微小地震。微小地震因震级低、 信号主频率高、 能量衰减快而具有明显的近场特点。近场地壳波速结构, 尤其是浅部速度结构对高频微小地震的精确定位有极大的影响。为此, 在室温和围压介于50~500MPa的条件下, 系统地测量了该地区代表性岩石的P波速度(V_P)。实验表明, 在低压范围内, V_P随着压力的增加呈对数增加; 在压力高于临界压力P_c时, V_P随着压力的增加呈线性趋势增加。P_c介于200~450MPa, 平均值为262.5MPa。结晶岩的P_c平均值为250MPa, 砂岩的P_c平均值为271.4MPa; 经对比发现, 砂岩的P_c明显高于结晶岩。这可归因于在低压范围内裂纹孔隙随着压力的增加而闭合, 而在高压范围内裂纹孔隙基本完全闭合。因此, 提高近场微小地震的定位精度应考虑弹性波波速随压力的非线性增加。此外, 实验结果显示此区域岩石弹性波速度是深度的函数。

利用接收函数频率特征研究青藏高原东北缘地区的莫霍面性质

宋婷, 沈旭章, 梅秀苹, 焦煜媛, 李敏娟, 苏小芸, 季婉婧

2022, 44(5):  1290-1312.  DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2022.05.013

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文中基于青藏高原东北缘甘肃东南部地区70个高密度野外流动观测台阵记录的2a内的远震数据, 计算并分别分析单个台站以及沿剖面叠加的接收函数频率特征(高频接收函数莫霍面Ps转换波和多次波多峰值现象), 并通过观测和理论接收函数拟合构建了研究区下方莫霍面的S波速度结构。结果表明, 研究区内莫霍面相关的接收函数频率特征多样, 在绝大多数断裂带两侧具有明显不同的频率特征, 反映了研究区壳幔过渡带结构的复杂性和非均匀性。由构建的S波速度结构可知, 研究区域的莫霍面并非简单的一级速度界面, 而是波速随深度增加而增大的过渡带, 意味着研究区下方的地壳具有高黏滞性, 不利于下地壳物质的流动, 并可据此推断壳幔边界可能存在一些镁铁质物质。而该区域地壳与地幔之间这种复杂的过渡带特征可能是上地幔热物质上涌和底侵作用所致。

柴达木盆地北部2021年6月16日青海茫崖M_S5.8地震发震构造分析

张博譞, 郑文俊, 陈杰, 何骁慧, 李启雷, 张冬丽, 段磊, 陈干

2022, 44(5):  1313-1332.  DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2022.05.014

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青海茫崖 M_S5.8 地震发生在祁连山与柴达木盆地交界的部位。对于此次地震开展研究, 不仅有助于理解柴达木盆地与祁连山之间的现今构造变形、 应力状态及动力学过程, 也将为该区未来的强震趋势预测提供依据。文中首先利用CAP方法反演得到该次地震的震源深度约为13km, 震源机制解为逆冲性质。结合地表地质、 卫星影像和地震反射剖面解译, 认为该地震发生在冷湖逆断裂-褶皱带的东南端, 发震构造可能为冷湖七号东背斜之下控制背斜生长的2条倾向相反的隐伏逆冲断裂之一。此次茫崖5.8级地震仅使冷湖七号东背斜下伏逆断层发生了部分破裂, 并未破裂至地表, 为典型的褶皱地震。震区发育多条第四纪活动褶皱及下伏逆断层, 这些构造均具备发生 M_W5.9 ~7.2地震的构造条件, 并有可能因级联地震破裂而引发7级以上强震。因此, 震区未来的地震危险性不容忽视。

水力压裂诱发地震活动中的b值时空异质性及其应用

姜丛, 蒋长胜, 尹欣欣, 王蕊嘉, 翟鸿宇, 张延保, 来贵娟, 尹凤玲

2022, 44(5):  1333-1349.  DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2022.05.015

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诱发地震及其灾害风险对非常规油气资源开发和废水回注等新型工业活动的顺利实施存在严重威胁, 并早已引发社会各界及相关科研人员的广泛关注, 由此也产生了许多需要进一步研究且亟待解决的科学问题。震级-频度分布(FMD)是描述地震活动的重要内容, 对诱发地震的b值开展系统研究有助于揭示区域应力累积状态、 地下构造特征以及诱发地震危险性。文中系统梳理了近十年来国内外工业开采水力压裂诱发地震b值的数值大小、 时空异质性、 物理机制解释、 受影响因素、 应用现状等相关的研究进展; 归纳了前人发现的可能影响b值大小的因素, 包括原位应力场、 断层几何参数、 断层成熟程度、 震源深度等客观因素, 以及注液体积、 注液速率等由具体施工情况引起的孔隙压力大小变化的主观因素; 总结了前人提出的包括孔隙压力控制论、 原位差应力大小控制论、 最大剪应力方向控制论、 地质条件非均匀性决定论等多种可能的物理机制。厘清其中已取得的共识性认识、 争议科学问题后, 我们认为诱发地震b值或许可以成为判断储层改造效果、 储层应力状态以及诱发地震灾害风险防治的入手点之一。文中对水力压裂诱发地震b值特征的总结分析可为从事新型能源开发、 地震安全监管和科学研究领域的企业、 管理人员及科学研究人员提供科学参考。