流體注入誘發(fā)地震活動(dòng)*

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流體注入誘發(fā)地震活動(dòng)*

David W Eaton1), Justin L Rubinstein2)

1) Department of Earth Sciences, University of Western Ontario,

London, Ontario, Canada

2) Department of Geophysics, Stanford University, Stanford,

California, USA

2009年以來(lái)，美國(guó)中部地區(qū)持續(xù)增強(qiáng)的地震活動(dòng)被認(rèn)為是由流體注入誘發(fā)的結(jié)果[1]。 盡管已經(jīng)建立了有關(guān)流體注入導(dǎo)致斷層滑移的基本機(jī)制[1-5]，但美國(guó)中部M≥5破壞性地震的出現(xiàn)和地震活動(dòng)的急劇增強(qiáng)引起了人們對(duì)這一問(wèn)題的高度重視。 此類地震活動(dòng)的增強(qiáng)僅限于有限的幾個(gè)地區(qū)，越來(lái)越多的證據(jù)表明，這些地區(qū)的地震活動(dòng)與周邊地區(qū)的工業(yè)生產(chǎn)直接相關(guān)。 該期地震研究快報(bào)(Seismology Research Letters，SRL)重點(diǎn)選取了7篇科技文章，內(nèi)容涵蓋基礎(chǔ)地震、 地面運(yùn)動(dòng)觀測(cè)、 案例分析、 斷層活化數(shù)值模擬和風(fēng)險(xiǎn)減輕等。

Rubinstein和Babaie Mahani[6]為公眾、 媒體、 工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的受眾提供了流體注入與誘發(fā)地震的入門(mén)讀本。 該讀本描述了石油和天然氣工業(yè)流體注入的過(guò)程及其誘發(fā)地震的基本物理機(jī)制，以及對(duì)這些過(guò)程普遍存在的一些誤解及其與水壓致裂的關(guān)系。 石油與天然氣工業(yè)有大量液體注入地下： ①鹽水與油長(zhǎng)期混合生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢液； ②為提高烴的生產(chǎn)量，混有添加劑的液體高壓噴射產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)，造成水壓致裂； ③將液體注入衰竭油田進(jìn)行強(qiáng)化采油。 在這些過(guò)程中，廢水注入是引發(fā)震感的最常見(jiàn)機(jī)制。 最近，由廢水注入誘發(fā)的地震有： 2011年俄克拉荷馬州(Oklahoma)布拉格(Prague)M5.6地震[7]； 2011年科羅拉多州(Colorado)特立尼達(dá)(Trinidad)M5.3地震[8]和2011年阿肯色州(Arkansas)蓋伊-格林布賴爾(Guy-Greenbrier)M4.7地震[9]。

Lamontagne等[10]提供了加拿大新不倫瑞克(New Brunswick)區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)中心的觀測(cè)材料，該臺(tái)網(wǎng)中心建于2012年，旨在監(jiān)測(cè)該地區(qū)若干次盆地區(qū)域的天然地震活動(dòng)及水壓致裂造成的地震。 新不倫瑞克省的部分地區(qū)未來(lái)具有非常規(guī)石油和天然氣開(kāi)發(fā)的顯著潛力，但有相當(dāng)多的公眾擔(dān)心會(huì)引發(fā)地震。 2009年9月至2010年11月和2014年8月至9月，經(jīng)過(guò)對(duì)兩階段的水壓致裂監(jiān)測(cè)，并沒(méi)有觀測(cè)到地震活動(dòng)。 這一區(qū)域的淺源地震很難區(qū)分是自天然地震或是誘發(fā)地震。

利用加拿大亞伯達(dá)(Alberta)省最近增加地震臺(tái)網(wǎng)覆蓋率的優(yōu)勢(shì)，Eaton和Babaie Mahani[11]估測(cè)了最近幾次中等規(guī)模誘發(fā)性地震的震源機(jī)制。 近20年來(lái)，相對(duì)鮮有誘發(fā)地震發(fā)生，然而，2014年8月9日，在落基山莊(Rocky Mountain House)附近發(fā)生了M3.8逆滑斷裂。 這是自20世紀(jì)70年代后期以來(lái)活動(dòng)的地震群中最大的一次地震，有科學(xué)家認(rèn)為，該地震活動(dòng)是傳統(tǒng)氣體生產(chǎn)過(guò)程中多孔彈性介質(zhì)應(yīng)力變化所致[12]。 2015年1月23日，在杜拉頁(yè)巖區(qū)塊發(fā)生了由水壓致裂引發(fā)的M4.4斜法線方向滑移。 這是在歪湖(Crooked Lake)連續(xù)發(fā)生的最大地震事件，該地區(qū)自2013年12月以來(lái)間歇地發(fā)生地震。 Eaton 與Babaie Mahani[11]強(qiáng)調(diào)了區(qū)域差異： 加拿大西部是由流體注入導(dǎo)致水壓致裂從而誘發(fā)地震，而在美國(guó)誘發(fā)地震的主要因素則是大面積廢水排放。

Novakovic和Atkinson[13]利用加拿大亞伯達(dá)省最近安裝的區(qū)域臺(tái)網(wǎng)，討論了震級(jí)為1～4級(jí)的900余次地震事件的地面運(yùn)動(dòng)比例關(guān)系。 該調(diào)查結(jié)果顯示，絕大多數(shù)地震事件由油氣生產(chǎn)活動(dòng)誘發(fā)。 利用1.0，3.33和10.0 Hz的偽譜加速度，從實(shí)際觀測(cè)與數(shù)值模擬兩個(gè)方面進(jìn)行了分析。 該項(xiàng)研究結(jié)果說(shuō)明，誘發(fā)的地震事件與天然發(fā)生的地震有顯著差異。

Kaven等[14]提供了美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(U.S. Geological Survey，USGS)關(guān)于伊利諾斯州(Illinois)迪凱特(Decatur)地區(qū)的微震監(jiān)測(cè)報(bào)告，該地區(qū)為碳捕獲與存貯(carbon capture and storage，CCS)技術(shù)示范點(diǎn)。 2011～2014年間，約有百萬(wàn)噸超臨界CO2被注入砂巖鹽水層。 美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在2013年7～8月間，設(shè)置了一個(gè)有13個(gè)臺(tái)站的局部監(jiān)測(cè)網(wǎng)，為參與的地震研究機(jī)構(gòu)免費(fèi)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。 識(shí)別了震級(jí)-1.13～1.26的3組地震活動(dòng)。 6次(地震)事件的震源機(jī)制解與先存斷裂面上的右旋走滑運(yùn)動(dòng)一致，該斷層多半由區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)所致。 所觀測(cè)到的地震活動(dòng)顯示，孔壓離注入位置擴(kuò)散的模式，這可能是由于主含水層的各向異性和不均勻滲透造成的。

Dieterich等[15]應(yīng)用高效計(jì)算的三維邊界元代碼編制的考慮速率-狀態(tài)斷層摩擦模型RSQSim，研究了長(zhǎng)期流體注入的地震活動(dòng)時(shí)空模式[16]。 結(jié)果表明，要想確定流體注入如何影響斷層，注入前的應(yīng)力狀態(tài)至關(guān)重要。 增加模型的初始剪應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致： ①加速地震活動(dòng)的發(fā)生； ②增加地震次數(shù)； ③增大最大震級(jí)； ④增加地震活動(dòng)的空間范圍； ⑤增大以后發(fā)生更大地震的可能性。 此外，模擬地震關(guān)閉后，地震活動(dòng)持續(xù)是由于超孔隙壓力的擴(kuò)散需要一定的時(shí)間，其主要機(jī)制是由于斷層速率-狀態(tài)性質(zhì)產(chǎn)生的延遲核化。 該實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)也說(shuō)明，誘發(fā)地震的最大震級(jí)與注入流體的總體積有關(guān)[17]。 有證據(jù)顯示，孔隙流體壓力的改變引起了地震矩的釋放，部分會(huì)隨著震級(jí)的升高和初始應(yīng)力平均值的增大而減小。

Walters等[18]給出了靈活而全面的關(guān)于大面積廢水注入和/或水壓致裂的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的工作流程。 科學(xué)家搭建框架的同時(shí)形成了該課題越來(lái)越多的文獻(xiàn)資料。 考慮的主要因素為： ①地震危險(xiǎn)性，使用已建立的概率震害危險(xiǎn)性評(píng)估方法進(jìn)行量化； ②操作因素，如注入速率及注入地點(diǎn)與已知斷層的接近程度； ③暴露性，也叫脆弱性，即考慮到流體注入對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施、 人口密度與局部風(fēng)險(xiǎn)承受能力的影響。 以美國(guó)中部、 加拿大西部及英國(guó)的誘發(fā)地震實(shí)例來(lái)開(kāi)發(fā)和論證了風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法。 同時(shí)詳細(xì)論述了“紅綠燈”方法評(píng)估既得利益者和公眾之間的風(fēng)險(xiǎn)管理與有效溝通的作用。

該期SRL重點(diǎn)推出的7篇文章提供了流體注入誘發(fā)地震活動(dòng)的最近研究進(jìn)展，和這一復(fù)雜問(wèn)題所涉及的諸多方面，以及需要深入研究的領(lǐng)域。 更為重要的是，為未來(lái)的監(jiān)管與發(fā)展提供了一個(gè)強(qiáng)有力的科學(xué)框架。

文獻(xiàn)來(lái)源： David W Eaton，Justin L Rubinstein. Preface to the focus section on injection-induced seismicity. Seism. Res. Lett.，2015，86(4): 1058-1059. doi:10.1785/0220150093

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所曹金名徐文杰譯)

(譯者電子信箱，徐文杰： xuwenjie915@163.com)

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：P315.72+3；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.02.012

* 收稿日期：2016-02-03； 采用日期： 2016-02-10。