• ISSN 2096-8957
  • CN 10-1702/P

全球油气开采诱发地震的研究现状与对策

张捷 况文欢 张雄 莫程康 张东晓

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全球油气开采诱发地震的研究现状与对策

    作者简介: 张捷,男,讲席教授,美国国家工程院院士,主要从事勘探地球物理、地震监测与预测等方面的研究. E-mail:jzhang25@ustc.edu.cn.
    通讯作者: 张东晓, zhangdx@sustech.edu.cn

Global review of induced earthquakes in oil and gas production fields

    Corresponding author: Zhang Dongxiao, zhangdx@sustech.edu.cn
  • 摘要: 人工诱发地震现象已经有很久的历史. 水库蓄水、采矿、地热开发、从地下提取液体或气体,或将液体注入地球内部都可能诱发地震. 大量地震监测数据与科学分析结果显示:美国俄克拉何马州的地震剧增主要与页岩油气开采的废水回注量相关;加拿大阿尔伯塔省的地震剧增主要与页岩油气开采水力压裂的工作量相关;而荷兰罗宁根天然气田的传统天然气开采也同样诱发了较强的地震活动. 在中国四川盆地的页岩油气开发区域,地震活动近几年也大幅度增强,但目前监测与科研工作较少,对某些地震成因尚有争议. 目前研究诱发地震问题已成为学术界与工业界的一门专业学科. 推断诱发地震,除了分析时空分布与工业活动的相关性之外,本文综述了该领域基于地震学、地质动力学、构造地质学的多种分析方法. 如何在油气开采过程中减少诱发地震的灾害影响成为当前相关各界极为关注的科研问题,本文介绍了多个国家或地区建立的控制诱发地震的管理系统、基于地震大数据的诱发地震概率预测方法,以及基于地球物理与地质信息的综合诱发地震风险评估方法,并对我国控制诱发地震问题提出建设性意见.
  • 图 1  三种可能的注水压裂诱发的断层活化(修改自Eyre et al., 2019a

    Figure 1.  Three models proposed for fault activation due to hydraulic fracturing (modified from Eyre et al., 2019a)

    图 2  三维莫尔圆和断层示意图(修改自Zoback, 2010

    Figure 2.  The Mohr circle and the fault (modified from Zoback, 2010)

    图 3  每月俄克拉何马州中部与西部废水回注量(SWD)与诱发地震数量的结合图. 每月废水注水量(2000年至2016年6月)(蓝色线),诱发地震随注水量变化而延迟几个月发生(绿色),较大地震的余震序列也显而易见. 红色线是注水深度3 km以下的压力变化(振幅归一化),2016以后的压力数据为预测. 每个较大地震发生出现的地震量峰值是余震响应的结果(修改自Langenbruch and Zoback, 2016

    Figure 3.  Monthly injection rate (blue line) and number of induced earthquakes (green line) . The number of induced earthquakes varies with the injection rate and delayed several months, and we could observe the aftershock of the large earthquakes. The red line is the pressure variation bellow 3 km of the injection (Normalized amplitude). The pressure data after 2016 are the prediction. The peak value is related to the aftershocks (modified from Langenbruch and Zoback, 2016)

    图 4  俄克拉何马州废盐水回注量与地震分布. 图中颜色背景对应于2009年至2015年12月期间废盐水回注地域与注水量(m3),注水量是以任何点半径0.5°(约8000 km2)内累计计算的. 1979~2008年3级以上地震是黑色点,2009年至2016年9月的3级以上地震是灰色点,4.5级以上较大地震是彩色,黑色实线与黑色虚线分别画出西部与中部地区(修改自Langenbruch and Zoback, 2016

    Figure 4.  Salt water injection and earthquake distribution. The background color denotes the injection volume from 2009 to 2015. The injection volume is calculated by the accumulated amount of the radius of 0.5°. The black and gray dots are the earthquakes during 1979~2008 and 2009~Sep 2016. The color stars are the M4.5 earthquakes. The black line and dash line are corresponding to western and central areas (modified from Langenbruch and Zoback, 2016)

    图 5  (a)地震事件的空间位置分布,虚线框为福克斯克里克地区,紫色区域为迪韦奈地层.(b)位于福克斯克里克西南的Crooked Lake地区方圆100 km累计震级大于2.5的地震事件,从2013年12月1日起,地震发生频率出现了陡增,与该地区第一起注水压裂活动同步发生(修改自Schultz et al., 2017

    Figure 5.  (a) The earthquake distribution; dot line box denotes the Fox Creak area; purple area is Duvernay layer. (b) The M>2.5 earthquakes located in Crooked Lake, Fox Creek. The earthquake rate increases beginning from 1 Dec., 2013, which occurred at the same time with the first injection (modified from Schultz et al., 2017)

    图 6  应用双差定位确定的地震活动地图. 深灰色区域为福克斯克里克镇,蓝色区域为科鲁科尔德湖,紫色区域为迪韦奈地层,圆环和线的组合图形代表水平井,与地震事件相关的水平井线段被加粗(修改自Schultz et al., 2017

    Figure 6.  Apply the double difference method to locate the earthquakes. The dark gray area is Fox Creek; blue area is Crooked Lake, and the purple area is Duvernay layer; the circle and line figure denotes the horizontal well; the bold line denotes the horizontal well related to earthquakes (modified from Schultz et al., 2017)

    图 7  在CLS区域的系列地震事件和水力压裂完井在时间上的分布.(a)检测到的地震(红色柱)和通过交叉相关方法计算得到的地震(蓝色柱)柱状图,带有颜色的虚线框代表水力压裂完井作业.(b)监测到的地震的矩震级(红色圆圈)和通过交叉相关方法计算得到的地震的矩震级(蓝色圆圈)与水平井段压裂的平均注入压力(灰色柱子)在时间上的对照.(c)产生时间较晚的系列地震与水平井段压裂的平均注入压力在时间上的对照(修改自Schultz et al., 2015

    Figure 7.  The earthquake and hydraulic fracturing well distribution in CLS area. (a) The detected earthquakes (red) and the located earthquakes with cross correlation (blue), the colored dash box denotes the hydraulic fracturing well. (b) The monitoring of the earthquake moment magnitude and the moment magnitude calculated from cross correlation, which is compared with the injection pressure. (c) The comparison between the injection pressure and the delayed earthquake sequence (modified from Schultz et al., 2015)

    图 8  来自于实验室实验以及数值模拟的结果:在流体注入的情形下,断层的摩擦性质的演化(修改自Cappa et al., 2019

    Figure 8.  The simulated and laboratory experiment results: the friction feature evolution after injection (modified from Cappa et al., 2019)

    图 9  格罗宁根天然气田每年开采量和诱发地震数量时间变化图.(a)1990~2000年期间开采量(蓝色)和大于1.5级的地震数量(红色);(b)2001年之后的开采量(蓝色),大于1.5级地震数量(红色),以及大于2.5级的地震数量(绿色). 虚线为根据实线所示的数据插值拟合得到的结果(修改自Vlek, 2019

    Figure 9.  The gas extraction and number of induced earthquakes vs. time in Groningen gas field. (a) The gas extraction (blue) and the M>1.5 earthquakes (red) during 1990~2000; (b) The gas extraction after 2001 (blue), M>1.5 earthquakes (red), and the M>2.5 earthquakes (blue). The dash line is the interpolated result (modified from Vlek, 2019)

    图 10  (a) 2013年4月1日至11月1日之间和2014年,地震密度差别(每平方公里地震个数)和开采量差别的空间分布图,其中绿色表示和2013年相比,2014年密度降低区域,红色表示升高区域. 黑色圆圈表示压力波10个月时间传播的距离(3.5 km);(b)2013~2014年期间开采量差别的空间分布,其中绿色表示和2013年相比,2014年开采量减少区域,红色表示升高区域(修改自van Thienen-Visser and Breunese, 2015

    Figure 10.  (a) The earthquake density and extraction amount difference distribution; the blue indicate the decreasing area of the comparison between 2013 and 2014; the red indicate the increasing area. The black circle indicates the propagation distance of the pressure after ten months (3.5 km); (b) The extraction different distribution during 2013~2014; the blue indicate the extraction decreased area of the comparison between 2013 and 2014; the red indicate the increasing area (modified from van Thienen-Visser and Breunese, 2015)

    图 11  中国四川盆地及其周边的地震分布图. 灰色点代表1980~2013年期间2.5级以上的地震,彩色点代表2014~2016年期间1.5级以上的地震. 背景线条为该地区的活断层分布图. A(上罗)是本研究关注区域,B(威远)也是页岩气开发区域,C和D是两个废水回注的区域(修改自Lei et al., 2017

    Figure 11.  The earthquake distribution around Sichuan Basin, China. The gray dot denotes the M>2.5 earthquakes during 1980~2013; the colored dot denotes the M>1.5 earthquakes during 2014~2016. The background line is the active fault. A (Shangluo) is the studying area; B(Weiyuan) is the gas production area; C and D are two injection area (modified from Lei et al., 2017)

    图 12  长宁背斜区天然地震的投影及其构造地质背景(修改自何登发等,2019

    Figure 12.  Projection and tectonic geological setting of natural earthquakes in Changning anticline area (modified from He et al., 2019)

    图 13  不同地区或国家的红绿灯系统,在具体标准上都有很大不同(修改自Zoback and Kohli, 2019

    Figure 13.  Traffic light systems in different regions or countries adopt very different specific standards (modified from Zoback and Kohli, 2019)

    图 14  美国俄克拉何马州与堪萨斯州:2015~2020年基于物理模型的M≥4以上地震发生的概率预测. 本研究计算1257 km2(20 km半径)的区域里的一年的超越概率预测. 在做预测这一年已经发生的M≥3(灰色圆)和M≥4(黄色圆)地震显示在图中. 当地的地震风险是由其当地的压力增加以及孕震状态决定的. 2015~2020年期间的概率降低主要是由于减少注水量的原因,减缓了孕震带的压力增加. 地震风险的最大缓解区域是在尼马哈断层东部,那里注水量大幅度减少. 2018~2020年期间假设均衡的注水率. 该预测图可以根据未来注水情况的变化相应更新(修改自Langenbruch et al., 2018

    Figure 14.  The Oklahoma and Kansas, US: The probability prediction based on the physical model of the M≥4 earthquakes during 2015~2020. The probability prediction is calculated in a 1257 km2 area in one year, and the M≥3 and M≥4 earthquakes are denoted in the figure. The local earthquake risk is determined by the stress increasing and state of earthquake preparation. The decreasing of 2015~2020 results from the decreasing of the injection. The largest decreasing area of the earthquake risk is the east part of Memaha fault, and the injection is decreased dramatically. The prediction figure could be updated according to the future injection condition (modified from Langenbruch et al., 2018)

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-18
  • 网络出版日期:  2021-02-08
  • 刊出日期:  2021-05-01

全球油气开采诱发地震的研究现状与对策

    通讯作者: 张东晓, zhangdx@sustech.edu.cn
    作者简介: 张捷,男,讲席教授,美国国家工程院院士,主要从事勘探地球物理、地震监测与预测等方面的研究. E-mail:jzhang25@ustc.edu.cn

摘要: 人工诱发地震现象已经有很久的历史. 水库蓄水、采矿、地热开发、从地下提取液体或气体,或将液体注入地球内部都可能诱发地震. 大量地震监测数据与科学分析结果显示:美国俄克拉何马州的地震剧增主要与页岩油气开采的废水回注量相关;加拿大阿尔伯塔省的地震剧增主要与页岩油气开采水力压裂的工作量相关;而荷兰罗宁根天然气田的传统天然气开采也同样诱发了较强的地震活动. 在中国四川盆地的页岩油气开发区域,地震活动近几年也大幅度增强,但目前监测与科研工作较少,对某些地震成因尚有争议. 目前研究诱发地震问题已成为学术界与工业界的一门专业学科. 推断诱发地震,除了分析时空分布与工业活动的相关性之外,本文综述了该领域基于地震学、地质动力学、构造地质学的多种分析方法. 如何在油气开采过程中减少诱发地震的灾害影响成为当前相关各界极为关注的科研问题,本文介绍了多个国家或地区建立的控制诱发地震的管理系统、基于地震大数据的诱发地震概率预测方法,以及基于地球物理与地质信息的综合诱发地震风险评估方法,并对我国控制诱发地震问题提出建设性意见.

English Abstract

    • 天然地震主要发生在地球的岩石圈,即地壳与上地幔的较硬部分. 岩石圈分为6个板块,各板块之间是相对运动的. 运动的结果导致板块边界相互挤压碰撞,造成板块边缘及内部产生错动和破裂,于是产生大量板块地震. 工业活动也可能导致地震的发生,即诱发地震. 国外有很多著名的诱发地震事件,如美国科罗拉多州丹佛市附近的美国化学武器生产基地——落基山兵工厂(1942年建立,1992年关闭),曾在1961年打了一口3.6 km深的井,用于高压注入废弃的化学危险品. 这个区域从前几乎没有地震活动,该深井投入使用以后的6年内,地震频发,1.5级以上地震发生了1584次,震源深度在3~8 km,其中包括13个4级以上的地震,最终迫使该井停止使用,地震活动随后逐年下降,但延续了20多年才恢复到原来的水平(Healy et al., 1968; Herrmann et al., 1981). 再比如,瑞士的巴塞尔市2006年开始开发地热,在一年之内使用高压将11500 m3的水注入至较封闭的干热岩基石. 在注水期间,井下地震仪观测到10500个地震,其中包括4个3级以上的地震,造成建筑物破坏,迫使该项目终止,导致巨额投资失败,引发大量法律纠纷(Deichmann and Giardini, 2009). 2017年11月在韩国增强型地热系统(EGS)发电地区浦项附近发生的MW5.4地震也同样造成严重的经济损失,并引起广泛的公众关注. 该地震是韩国自1905年设置首个地震仪以来,监测到的最具破坏性的地震. 该地震发生的前一年,这个地区以高压方式注入了12798 m3的水. 通过对地震定位、时间序列、震源机制解以及应力数据的分析,研究结果显示了高压注水诱发了一个从前未知断层的活动并导致强震的可能机制(Grigoli et al., 2018; Kim et al., 2018; Ellsworth et al., 2019; Lee et al., 2019),韩国政府接受了专家研究结论并停止了该地热系统的运行.

      近些年来兴起的页岩油气水力压裂开采以及相应的废水回注,导致开采区地震活动剧增,引起全球社会、政府及科学家的广泛关注与研究. 据Web of Science统计,经过同行评议发表的相关学术论文已经超过1万余篇,已经举办的相关国际学术会议超过120余次. 美国国家研究委员会(NRC)于2013年发表了诱发地震危情调查报告(National Research Council, 2013),当时的主要结论是废水回注是美国油气开采区产生诱发地震的主要原因. 但在最近几年里大量科研结果表明,美国和加拿大在多个地区也出现了由水力压裂诱发的3级以上的地震(Holland, 2013; Rubinstein and Mahani, 2015; Skoumal et al., 2015; Skoumal et al., 2018; Schultz and Wang, 2020).

      目前全球已经完成约250万口页岩油气井水力压裂,在开采区出现较大地震的情况有27起,目前当地政府认同的页岩气开采区废水回注诱发的最大地震是美国俄克拉何马州(Oklahoma)2016年9月3日ML5.8地震(Foulger et al., 2018),当地政府认同的页岩气开采区域水力压裂诱发的最大地震是加拿大阿尔伯塔省(Alberta)2016年1月12日ML4.8地震(Bao and Eaton, 2016). 但地震震级不是地震破坏性的唯一指标,震源深度极其重要(Yang et al., 2020). 传统油气开采也可能诱发地震,如荷兰格罗宁根天然气田(Groningen Gas Field),作为欧洲最重要的天然气供给基地,2012年8月16日发生了3.6级地震,该地震造成1000座以上的房屋破损,导致大部分国民失去了对油气开采安全性的信心,迫使荷兰政府做出逐年减产以及2030年完全关闭该气田的时间表(van Thienen-Visser and Breunese, 2015).

      目前全球大部分油气生产地区没有发生对人类生活有明显影响的地震,但较少的中强地震频发的区域也值得关注与研究. 大量的科学观测与研究结果表明:某些油气开采区的有感地震频发现象可能与当地特定的地下地质条件有关,各个地区呈现出不同的特点. 如美国俄克拉何马州2015年的地震数量比2009年前增加了900倍,主要与废水回注量相关,水力压裂也是一部分直接原因(Keranen et al., 2013; Walsh and Zoback, 2015; Skoumal et al., 2018);但同样实施水力压裂与废水回注的美国宾夕法尼亚州则很少发生地震(Weingarten et al., 2015);在加拿大阿尔伯塔省,地震活动的急剧增加主要与水力压裂工作量有关(Atkinson et al., 2016; Schultz et al., 2017; Schultz et al., 2018),也与废水回注有关(Schultz et al., 2014).

      关于各种工业活动诱发地震问题,国内外已有多篇英文综述论文发表(Davies et al., 2013a; Grigoli et al., 2017; van der Baan and Calixto, 2017; Yang et al., 2017; Foulger et al., 2018; Keranen and Weingarten, 2018; Li et al., 2019b; Lei et al., 2020),本文不仅意在发表一篇关于诱发地震研究的中文综述论文,而且试图总结归纳国际同行业对油气开采诱发地震问题的最新研究成果与认识,以供国内多学科研究人员与石油开发行业人员参考. 本文首先介绍了专家学者提出的诱发地震机制与五种识别判断方法;然后整理了美国俄克拉何马州、加拿大阿尔伯塔省、荷兰罗宁根天然气田和中国四川盆地等油气开采地区地震发生特点以及公开发表的科学分析结果;最后总结了国内外对诱发地震的监测、风险预测与管控法规等问题的研究,并对我国页岩气开采诱发地震问题提出了建议.

    • 在研究工业活动导致地震的领域,研究人员从前定义了两类地震:诱发地震(induced earthquakes)与触发地震(triggered earthquakes)(Simpson, 1986; McGarr et al., 2002; Gupta, 2002). “诱发地震”原指其应变直接由外来应力或孔隙压力变化所导致发生的地震(Hasegawa et al., 1989; Li et al., 2007);“触发地震”是指释放了地壳应变,由工业活动较小的应力扰动引起正在孕育的地震的提前发生. 引起“触发地震”的外界扰动能量可能很小,但发生的是天然地震,并有可能释放巨大能量(Hough et al., 2003). 许多研究认为美国俄克拉何马州由于废水回注引发的地震都是“触发地震”,工业活动导致这个板块内地震活动相对较少的区域提前释放了应该在2000多年内释放的能量(Langenbruch and Zoback, 2016; Langenbruch et al., 2018). 区分“诱发地震”与“触发地震”是有意义的,因为“诱发地震”的震级应该是在一定的较小范围内的,而“触发地震”的震级应该与天然地壳构造地震的震级是在同样范围内的,工业活动诱发小震最终触发较大地震的风险也是存在的. 但在实际问题中,两类地震的区分比较困难,因此近些年来学术界发表的大量论文逐渐将这两种地震统称为“诱发地震”(induced earthquakes),这也可能是研究人员理论估算的“诱发地震”(包括“触发地震”)最大可能震级不断被实际地震打破的原因(Shapiro et al., 2011; Edwards and Douglas, 2014; McGarr, 2014). 本文尊重当前学术领域的习惯,统称工业活动导致的地震为诱发地震.

      显而易见,判别一个地震是诱发地震还是天然地震是一个关键性科学问题. 目前还没有绝对准确的判别方法,但全球大量的诱发地震研究积累了丰富的科学认识. 诱发地震监测主要依靠区域性的地面地震台网,台间距一般在1~15 km,台站密度普遍高于传统天然地震监测台网(台间距大于20 km). 目前识别诱发地震最可靠的依据是在时间与空间上与工业活动的相关性,如:工业活动启动前,地震发生频度较低,工业活动启动后,附近地震活动突然增加. 有些情况显示工业活动即使终止了几个月以上,诱发地震仍然发生(Ellsworth, 2013). 一般假设地震发生地点与10 km范围内的工业活动可能有关(Walters et al., 2015),但是这个震中与工业活动的距离标准没有严格的科学论证(Guha, 2013),有些研究甚至认为工业活动可以触发超过20 km距离以外的大地震(Bachmann et al., 2012; Ellsworth, 2013). 对于天然地震与诱发地震震群特征的区别,一般认为:板块内部较大天然地震的发生一般都是偶尔、孤立的,几乎没有易观测的小震前兆,因为引起地震的地下应力场的空间变化尺度很大,即使有时多个地震发生,也分布在较大的地质尺度上,余震震级序列满足大森定律(Omori's law)(Shcherbakov et al., 2004). 而诱发地震则不同,地震时空分布特征明显,由于局部区域的应力场与应力临界条件的突然改变,导致一段时间内大量微小地震(前震)集中发生在10 km之内,较大地震可能随后发生(Lei et al., 2019).

      地震与工业活动的时空相关性是推断诱发地震的重要依据,但还不够充分,且不能够排除某个地震是天然地震的可能性,因此其它辅助数据分析方法也非常重要,包括:(1)震源机制解与库仑破裂应力分析:这些分析以及前震和余震序列的时空分布关系可以帮助揭示地震活动与背景应力场、已知断层的关系(Beeler et al., 2000; Townend and Zoback, 2000),以及揭示地震前可能尚未发现的已有断层. 应用莫尔图分析地震数据,推断临界应力状态,计算出触发断层滑动所需的最小应力或孔隙压力变化,从而论证外来因素触发断层破裂的可能性. 但是,也应该注意这些理论与分析方法都是基于点源与单一摩擦系数假设(Israel, 1979),也就表明对滑动面较大的地震可能不是严格适用;(2)地震学b值估算:来自于古登堡—里克特关联式(Gutenberg and Richter, 1942, 1944),是一个特定地区的震级与地震次数关系中的一个系数. b值与地震震源附近的介质和应力条件有关. 一般认为天然构造型地震的b值大约等于1.0(Woessner and Wiemer, 2005). 许多理论计算、岩石力学实验、实际数据研究发现一些液体含量高、孔隙压力大的区域,地震b值大于1.0(Amitrano, 2003; Baisch et al., 2010; Bachmann et al., 2012). 如在美国俄克拉何马州,2009年页岩气开采之前的b值等于1.09,而在页岩气开采高峰期,俄克拉何马州中部的b值为1.41,西部的b值为1.33(Langenbruch and Zoback, 2016);(3)余震序列模型:应用Ogata(1988)提出的传染型余震序列模型(Epidemic-Type Aftershock Sequences, ETAS),一个局部区域里发生的主震与其相应的余震满足一定的时间序列关系,进而推断多少余震是由于断层系统内地壳应力所发生,符合大森定律;又有多少余震是由于外来流体(外部因素)触发,从而推断注入液体诱发的地震类型(Ogata and Katsura, 1993; Toda et al., 1998; Hainzl and Ogata, 2005);(4)结构地质学分析:通过对地震发生地点的反射地震资料与测井资料处理结果分析,有学者发现发生在美国密西西比的常规天然地震的断层破裂形变都是基于几百万年前启动的、历经古生代与第三纪的断层滑动历史,而在美国得克萨斯州页岩气开采区的诱发地震则打破常规,只有较老构造的破裂(Magnani et al., 2017);(5)地震速度成像分析:利用密集的震群事件可以应用层析成像方法分析S波速度或VP/VS空间变化,液体扩散会导致介质的S波速度下降或VP/VS升高,从而推断液体分布与地震分布的关系(Tan et al., 2020).

      天然地震点源破裂机制可以用双力偶模型描述,不符合这个模型的事件反映在非双力偶分量,如核爆破. 部分学者曾争议是否可以用震源非双力偶分量的大小来判别诱发地震与天然地震的问题(Frohlich, 1994; Foulger et al., 2004; Šílený et al., 2009). 通过对比加拿大地区诱发地震与常规天然地震震源的地震矩张量反演结果,有研究表明诱发地震存在不可忽视的非双力偶分量(Zhang et al., 2016),但另外的研究分析了同一个区域的数据却没有发现非双力偶分量有明显差异(Wang et al., 2018),美国地质调查局(USGS)地震目录显示80%以上的天然地震都有较大的非双力偶分量,一般认为主要是由于理论震源模型对于中强地震过于简化的原因(Wang et al., 2020b),因此,目前震源非双力偶分量没有成为识别诱发地震的指标. 另外,Shapiro等(2010)提出地震发生指数(seismogenic index)Σ的概念,用于评估一个地区由于注水量所引起的诱发地震风险性;Langenbruch等(2018)进一步修正了地震发生指数的表述,采用应力变化而不是注水量来计算,使得该指数也适用于水力压裂(详见第4.2节),但地震发生指数Σ是假设该地区历史地震是诱发地震,并推断将来的诱发地震活动性,不能用于验证历史地震是否是诱发地震.

    • 岩石力学研究表明:孕震期间,断层上会积累很大的能量,当地震发生后这些储存的弹性应变能会随着断层的滑动而释放. 但是只要断层面上的剪切应力小于断层滑动的阻力,该断层就是锁定的,不会发生滑动. 如果要诱发断层的滑动,可以通过改变断层面的剪切应力的大小,或者影响阻力的正应力的大小(Gupta, 2002; Schoenball et al., 2014; Goebel and Brodsky, 2018; Schultz et al., 2018). 人类工业活动导致的诱发地震,一般认为都是外部因素改变了断层面的应力状态,从而引起诱发地震. 地表质量的加载导致地震,包括高大建筑物、沿海工程沉积物,或者水库蓄水均会导致诱发地震(Gupta, 2002; Lin, 2005). 虽然地表应力变化的量级不大,可能远小于地震发生时释放的应力大小(比如水库蓄水等加载在地表的应力量级大约0.1 MPa),但是大于由于地球潮汐引起的应力变化大小,因此其潜在机制可能是由于地表加载使应力突然变化,会引起地下某个深度的水力学条件改变,导致水向断层扩散,从而导致断层处的孔隙压力的改变,引起断层滑动(Gupta, 2002). 地下液体提取导致诱发地震的活动包括:地下水、油气、地热等开采(Lee et al., 2019). 由于地下液体的提取,例如天然气开采,天然气所在地层会压实,因此沿着断层应力会不断积累,由于沿着断层的不同储层分隔压实程度是不一样的,这种不同的储层压实会增大断层上的应力,加速地震的发生(Candela et al., 2018). 地下物质的注入包括液体和气体,也可能改变地层岩石的孔隙压力. 本小节将重点介绍高压注水导致诱发地震的原理,包括水力压裂、废水回注、注水增产等活动. 国际专家学者普遍认为的注水导致诱发地震发生的机制主要分为如图1所示的三种.

      图  1  三种可能的注水压裂诱发的断层活化(修改自Eyre et al., 2019a

      Figure 1.  Three models proposed for fault activation due to hydraulic fracturing (modified from Eyre et al., 2019a)

    • 往地下注入大量液体或者气体,孔隙压力可以通过含水层的高渗透率通道,从注射井向四周扩散开来. 当高压液体到达储层下方的基岩大断层时,如果该断层处于临界应力状态,即使非常小的孔隙压力增加也可能触发地震(King Hubbert and Rubey, 1959; Raleigh et al., 1976; Ellsworth, 2013; Eyre et al., 2019a)(见图1). 此处“注水”包括水力压裂与废水回注等不同的注水目的与方式.

      应力定义为地下介质中某个单位面积上所受到的力的大小,对于一个给定的位置,我们可以用应力张量来描述其应力状态,该张量可以表征如下:

      $ {{\mathit{\boldsymbol{S}}}} = \left({\begin{array}{*{20}{c}} {{S_{11}}}&{{S_{12}}}&{{S_{13}}}\\ {{S_{21}}}&{{S_{22}}}&{{S_{23}}}\\ {{S_{31}}}&{{S_{32}}}&{{S_{33}}} \end{array}} \right) $

      (1)

      根据力学平衡的条件,该张量是一个对称张量,因此其自由度为6,在任意坐标系下只需要6个分量就可以描述应力状态. 因此该张量也可以通过求解其特征向量和特征值实现对角化,这些特征向量所表述的空间就是主坐标系,特征值就是主坐标系下的三个主应力,在主坐标系下可以分析应力状态如下:

      $ {{\mathit{\boldsymbol{S}}}} = \left({\begin{array}{*{20}{c}} {{S_1}}&0&0\\ 0&{{S_2}}&0\\ 0&0&{{S_3}} \end{array}} \right) $

      (2)

      式中,$ {S}_{n} $n=1, 2, 3)为三个方向的主应力. 断层的滑动也跟断层面的孔隙压力有关,当增加孔隙压力后,断层面上的有效正应力会减小,因此如果要研究断层面的滑动问题,我们需要计算地下某个位置的有效应力状态,因此有效主应力为$ {\sigma }_{n}={S}_{n}-P $,其中$ P $为孔隙压力. 根据有效主应力可以得到相应的莫尔圆,利用莫尔圆可以非常直观地分析断层面的滑动(Zoback, 2010). 图2莫尔圆中的P点表示右边断层面对应的应力状态,在已知有效主应力的情况下,任意方向的断层面上的剪应力和有效正应力的分布都可以用图2左图中莫尔圆内的P点来表示.

      图  2  三维莫尔圆和断层示意图(修改自Zoback, 2010

      Figure 2.  The Mohr circle and the fault (modified from Zoback, 2010)

      断层破裂的条件我们可以用有效剪切应力表征:

      $ {\tau _{{\rm{crit}}}} = \mu \left({{S_n} - P} \right), $

      (3)

      式中,$ \,\mu $$ {S}_{n} $P分别为断层面上的静摩擦系数、正应力和孔隙压力的大小. 公式(3)右边可以表示为阻止断层滑动的阻力大小,左边为剪切应力大小. 摩擦系数对于大多数岩石而言一般取值为0.6~1.0,对于不同的摩擦系数,我们可以在莫尔圆图上表示为一定斜率的直线,当某断层面上的应力状态达到破裂线时,破裂滑动就会发生. 地下存在各种方向的断层,因此断层上的有效正应力和剪切应力大小都不一样,具体表现就是P点分布在莫尔圆的各个不同位置,当有效应力和剪切应力决定的P点落在破裂线或以上时,断层就会滑动.

      因此通过以上分析可知,如果我们通过注水,液体到达断层时孔隙压力会增大,从而有效主应力会减少,表现在图2中就是莫尔圆会整体向左移动,这样处于破裂线附近的断层(临界应力状态的断层)会发生滑动,从而诱发地震. 例如加拿大阿尔伯塔省福克斯河的诱发地震,研究表明该地区大部分诱发地震都是由于孔隙压力改变导致的(Schultz et al., 2017). 通过对该地区的诱发地震精细定位后发现,该地区注水井轨迹几乎和这些原生断层直接接触,因此孔隙压力能够快速传播到活动断层区域(Schultz et al., 2017). 美国俄亥俄州杨斯顿地区的诱发地震也是由于水力压裂作业使得原生断层处的孔隙压力增加导致的. 该地区在2011~2012年之间共检测到167个小地震,这些地震位置都非常靠近注水井,20多个地震沿着一对梯形断层分布,震源机制和主震一致(Kim, 2013).

    • 随着诱发地震的数量和研究越来越多,除了注水这一直接原因外,人们发现另外一种非常重要的地震诱发机制. 由于注水量比较大,注水区域加载到周围岩石基质上,在地球弹性介质的作用下使得这些加载的力会传播得很远(Martínez-Garzón et al., 2013; Goebel and Brodsky, 2018). 这些完全耦合的孔隙弹性应力可以延展到离液压链接区域很远的地方,从而引起远处断层的滑动(图1). 例如,大规模的注水可以诱发距离注水点远达30 km处的断层(Goebel and Brodsky, 2018). 在一个对已有断层做注水的可控科学试验中,诱发地震在液压大的区域没有发生,反而由于弹性应力的改变在那些周边岩体中发生(Guglielmi et al., 2015). 这些观测表明诱发地震的空间分布可能有助于我们了解其发生的机制. Schoenball等(2014)发现由于注水导致的地下应力场改变的证据,通过反演注水导致的诱发地震的震源机制解,然后再根据不同深度和时间的地震震源机制解反演相对应力,通过对比初始应力测量的结果发现,大量的注水导致了应力状态的改变,通过应力反演得到的结果已经不能反映初始应力状态,其水平应力的大小能够变化几十兆帕,应力结构也发生了很大的变化. 加拿大阿尔伯塔省的诱发地震虽然主要是由于孔隙压力变化的原因直接导致的,但是也有一部分诱发地震与注水导致的应力加载条件变化有关,从而导致了离注水点距离较远的断层滑动(Schultz et al., 2017).

      美国麻省理工学院环境工程实验室应用先进的视觉与声波测量仪器观测实验室模拟的水力压裂的过程,反复证实了上面提到的诱发机制(Li et al., 2019a).

    • 上述第一种改变断层面孔隙压力诱发地震的假说,要求水力致裂导致的孔隙压力增加足够大,从而导致断层上的有效正应力的减少,然而从诱发裂缝扩散的压力可能会被低渗透率的页岩阻止. 这种断层活化机制要求水力压裂系统到断层之间存在水文连接. 然而第二种改变断层荷载条件的机制虽然不需要水文连接,但是这种应力改变相对较小,并且随着距离的增加会消失. 近年来,新的诱发机制也陆续被发现,Eyre等(2019a)提出无震滑移引起的诱发地震机制,断层岩石可能包含高黏土矿物或者有机碳,注水会引起断层的慢滑动,断层远端不稳定区域受到无震滑移的荷载,从而诱发地震. 这种情况下,孔隙压力驱动的慢滑移面超过孔隙压力扩散面,因而由慢滑移引起断层远端滑动产生地震(图1). 这种机制首先在实验室10 m尺度上得到证明,断层加压的部分发生慢滑移,可以激活断层非加压的部分滑动. 2016年加拿大阿尔伯塔中部的MW4.1诱发地震发现就是这种机制,在千米尺度上证明了这种机制的可能性(Eyre et al., 2019b). 除了以上诱发机制,由于小地震级联发生,相互触发,也是注水诱发地震的重要原因(Brown and Ge, 2018). 气体的采注也会由孔隙弹性应力的变化而诱发地震(Jiang et al., 2020).

    • 世界各地油气开发的大部分地区没有频繁出现有感诱发地震,学术研究较为关注的诱发地震地区包括美国俄克拉何马州(Oklahoma)、加拿大阿尔伯塔省(Alberta)、荷兰的格罗宁根天然气田(Groningen Gas Field)和中国四川盆地页岩油气开采地区. 以下分别给予详述.

    • 美国中部与东部在2010~2012年之间,发生3级以上地震达300个以上,而在1967~2000年,平均每年只有21个3级以上地震. 地震活动性主要在美国阿肯色州、科罗拉多州、新墨西哥州、俄克拉何马州、得克萨斯州、弗吉尼亚州等明显加强(Ake et al., 2005; Llenos and Michael, 2013; Frohlich et al., 2014; Rubinstein et al., 2014; Skoumal et al., 2015; Kumar et al., 2017),这些州都是页岩油气开采地区. 在俄克拉何马州,2009年起地震事件开始呈指数增长. 2009年之前,该州平均每年只有一个3级以上地震,到了2015年,一年内有900多个3级以上地震(Walsh and Zoback, 2015). 从2009~2016年,总共2 250个3级以上地震被确定为“诱发地震”,其释放的应变总能量等效于该地区2000年以上发生的天然地震的总能量(Langenbruch and Zoback, 2016),地震震源机制解显示主要是近乎垂直的走滑断层,页岩气开发以后,地震b值在美国俄克拉何马州中部约1.41,在西部约1.33,传染型余震序列模型(ETAS)显示大量外力诱发地震(Llenos and Michael, 2013),地震发生指数(seismogenic index)大约相差两个数量级,表明多震地区的已有断层数量约是少震地区的百倍以上. 目前该州大约有20万口油气井在生产运行(Oklahoma Corporation Commission, 2018). 俄克拉何马州地质调查局(OGS)运行15个固定地震台站,美国地质调查局(USGS)在2016年曾布下1 800个垂直分量地震仪(400 m台间距)短期监测该州诱发地震(Dougherty et al., 2019),Nanometrics公司在2013年6月10日至2016年3月31日安装了30个宽频地震台站监测诱发地震(Zhang et al., 2020).

      许多研究表明,俄克拉何马州的诱发地震与废盐水回注(SaltWater Disposal, SWD)有关系(Zoback, 2012; EIA, 2013; Ellsworth, 2013; Keranen et al., 2013; Walsh and Zoback, 2015; Weingarten et al., 2015; Zoback and Kohli, 2019)(见图34),也与水力压裂有关(Skoumal et al., 2018). 多阶段的水力压裂工程的实施往地下注入大量液体,这些液体会随最初的油气返回地面(flow-back water),由于这种液体含盐度高,也含有其它污染物,需要注入到美国官方认证的2级地下深部可控井处理. 但这种废水的量非常少,在研究的三个区域里[切罗基(Cherokee)、佩里(Perry)、琼斯(Jones)]每年回注量不足1千万桶. 伴随产出的油水混合物也有大量废盐水,该州部分地区产出的油气含废盐水可高达80%,分离出来的废盐水也需要重新注入到地下处理(SWD),在切罗基与琼斯两个区域,SWD注水都曾高达每年1.5亿桶以上.

      图  3  每月俄克拉何马州中部与西部废水回注量(SWD)与诱发地震数量的结合图. 每月废水注水量(2000年至2016年6月)(蓝色线),诱发地震随注水量变化而延迟几个月发生(绿色),较大地震的余震序列也显而易见. 红色线是注水深度3 km以下的压力变化(振幅归一化),2016以后的压力数据为预测. 每个较大地震发生出现的地震量峰值是余震响应的结果(修改自Langenbruch and Zoback, 2016

      Figure 3.  Monthly injection rate (blue line) and number of induced earthquakes (green line) . The number of induced earthquakes varies with the injection rate and delayed several months, and we could observe the aftershock of the large earthquakes. The red line is the pressure variation bellow 3 km of the injection (Normalized amplitude). The pressure data after 2016 are the prediction. The peak value is related to the aftershocks (modified from Langenbruch and Zoback, 2016)

      图  4  俄克拉何马州废盐水回注量与地震分布. 图中颜色背景对应于2009年至2015年12月期间废盐水回注地域与注水量(m3),注水量是以任何点半径0.5°(约8000 km2)内累计计算的. 1979~2008年3级以上地震是黑色点,2009年至2016年9月的3级以上地震是灰色点,4.5级以上较大地震是彩色,黑色实线与黑色虚线分别画出西部与中部地区(修改自Langenbruch and Zoback, 2016

      Figure 4.  Salt water injection and earthquake distribution. The background color denotes the injection volume from 2009 to 2015. The injection volume is calculated by the accumulated amount of the radius of 0.5°. The black and gray dots are the earthquakes during 1979~2008 and 2009~Sep 2016. The color stars are the M4.5 earthquakes. The black line and dash line are corresponding to western and central areas (modified from Langenbruch and Zoback, 2016)

      如果把俄克拉何马州分为6个区域,研究发现只有3个区域(切罗基、佩里、琼斯)在废水回注(SWD)量增加的几个月后产生大量诱发地震,而在伊妮德(Enid)、俄克拉何马城(Oklahoma City)、阿德莫尔(Ardmore)三个区域,虽然废水回注量同样很大,地震活动却相对非常少,或延迟几年后才出现地震,这三个区域的注水主要是进入相对较浅的油藏,用于提高产量(water-flooding Enhanced Oil Recovery, EOR). 而SWD注水主要进入较深的、当地著名的阿巴克尔群(Arbuckle Group)地质层,这一地质层与下面的结晶基底构造是连通的,孔隙度大、渗透率高,因而废水回注量的增加导致阿巴克尔群地质层孔隙压力增强并传播到较远较深的地方,引发深层基底的已有断层发生滑动(Walsh and Zoback, 2015; Langenbruch and Zoback, 2016). 2016年俄克拉何马州政府要求减少40%的废水回注量,加之全球油价下跌,生产活动减少,图3显示地震活动也相应大幅度减少.

      美国地质调查局也分析研究了俄克拉何马州从2010~2016年水力压裂与诱发地震的关联性,发现274口井的压裂施工与诱发地震有关,包括700个2级以上地震,其中有12个M3.0~3.5地震(Skoumal et al., 2018).

    • 加拿大是仅次于美国的全球第二大页岩油气资源开采国家(Kao et al., 2018),页岩油气开采始于2005年,产量逐年大幅度增加(Schultz and Stern, 2015),至2014年页岩气和致密气的产量分别占加拿大天然气产量的4%和47%(EIA,2013),加拿大能源局(National Energy Board)预测2035年页岩气和致密气产量的总和将占到天然气产量的80%(EIA, 2013). 加拿大页岩气和致密气产量快速增加很大程度上得益于水力压裂技术的发展,特别是水平井多段压裂技术. 加拿大主要的页岩气开采地层有9个,大部分页岩气地层位于加拿大西部沉积盆地(western Canada sedimentary basin). 加拿大的页岩气产量主要来自于不列颠哥伦比亚省、阿尔伯塔省、新不伦瑞克省和魁北克省等省份,其中不列颠哥伦比亚省的东北部是主要的页岩气和致密气产区.

      近年来在采用水力压裂技术的非常规油气开采区域,特别是加拿大西部沉积盆地,地震活动急剧增加,研究认为水力压裂与诱发地震密切相关(Schultz and Stern, 2015; Atkinson et al., 2016; Clerc et al., 2016; Wang et al., 2016; Mahani et al., 2017; Schultz et al., 2017; Kao et al., 2018; Schultz et al., 2018; Yu et al., 2019). 从2009年开始,位于加拿大不列颠哥伦比亚省的霍恩河(Horn River)盆地系列地震事件引发关注(Farahbod et al., 2015),其中有21起地震的矩震级MW>3(Schultz et al., 2018);从2013年开始,加拿大阿尔伯塔省的福克斯克里克(Fox Creek)地区(如图5a中虚线方框所示)的地震活动开始增加(图5b);在2013~2015年期间,位于加拿大阿尔伯塔省的福克斯克里克地区,监测到震级MW1.7~3.9的系列地震(Schultz et al., 2015Shipman et al., 2018),其中,2015年1月份监测到震级MW3.6的地震,2015年6月份监测到震级MW3.9的地震(Wang et al., 2017). 该地区目前最大的地震发生于2016年1月12日,震级为MW4.4. 2019年3月4日阿尔伯塔省中部发生MW4.2地震,随后阿尔伯塔省能源局(AER)宣布该地震由页岩气水力压裂诱发.

      图  5  (a)地震事件的空间位置分布,虚线框为福克斯克里克地区,紫色区域为迪韦奈地层.(b)位于福克斯克里克西南的Crooked Lake地区方圆100 km累计震级大于2.5的地震事件,从2013年12月1日起,地震发生频率出现了陡增,与该地区第一起注水压裂活动同步发生(修改自Schultz et al., 2017

      Figure 5.  (a) The earthquake distribution; dot line box denotes the Fox Creak area; purple area is Duvernay layer. (b) The M>2.5 earthquakes located in Crooked Lake, Fox Creek. The earthquake rate increases beginning from 1 Dec., 2013, which occurred at the same time with the first injection (modified from Schultz et al., 2017)

      与美国的情况不同,加拿大水力压裂的液体注入与废水回注持续注入时间通常更短(几天至1周)以及液体总注入体积更小(Schultz et al., 2018). 例如,加拿大阿尔伯塔省的斯旺希尔斯(Swan Hills)地区水力压裂注入量约为25 000桶/月(Schultz et al., 2016),而美国的废水注入量大于3 000 000桶/月(Frohlich, 2012; Weingarten et al., 2015),此外,水力压裂的液体注入速率相对于废水回注更快(Friberg et al., 2014; Deng et al., 2016). Atkinson等(2016)利用1985~2015年水力压裂井、废水回注井和地震记录的数据库,分析了加拿大西部沉积盆地位于不列颠哥伦比亚省和阿尔伯塔省交界地区的12 289口水力压裂井和1 236口废水回注井与该地区地震事件的关系,认为该地区地震事件与水力压裂井在时间和空间上相关性更大,尽管只有0.2%~0.4%的水力压裂井与矩震级MW>3在时间和空间上相关. 地震b值在0.7~1.7,地震发生指数(seismogenic index)在−2.5~−0.5之间,但在计算这些统计分析数据时,阿尔伯塔省的地震数据有限,也给这些结果带来不确定性(Atkinson et al., 2016).

      从时间和空间的相关性上,研究认为加拿大阿尔伯塔省的诱发地震很大可能是由于水力压裂活动直接引起的(Schultz and Stern, 2015; Bao and Eaton, 2016),例如,福克斯克里克地区的CLS(Crooked Lake Sequence)系列地震事件:SS1~SS5系列地震事件(Ghofrani and Atkinson, 2016)和SS6~SS17系列地震事件(Schultz et al., 2017). 图6展示了SS1~SS17系列地震事件震源和水力压裂井场在空间上的分布,可以看出SS5系列地震事件外,每一系列地震事件中心位置对应一个井场. 图7展示了SS1~SS5系列地震与水力压裂活动时间上的关系,可以看出每一系列地震的产生与水力压裂液体的注入在时间上是对应的.

      图  6  应用双差定位确定的地震活动地图. 深灰色区域为福克斯克里克镇,蓝色区域为科鲁科尔德湖,紫色区域为迪韦奈地层,圆环和线的组合图形代表水平井,与地震事件相关的水平井线段被加粗(修改自Schultz et al., 2017

      Figure 6.  Apply the double difference method to locate the earthquakes. The dark gray area is Fox Creek; blue area is Crooked Lake, and the purple area is Duvernay layer; the circle and line figure denotes the horizontal well; the bold line denotes the horizontal well related to earthquakes (modified from Schultz et al., 2017)

      图  7  在CLS区域的系列地震事件和水力压裂完井在时间上的分布.(a)检测到的地震(红色柱)和通过交叉相关方法计算得到的地震(蓝色柱)柱状图,带有颜色的虚线框代表水力压裂完井作业.(b)监测到的地震的矩震级(红色圆圈)和通过交叉相关方法计算得到的地震的矩震级(蓝色圆圈)与水平井段压裂的平均注入压力(灰色柱子)在时间上的对照.(c)产生时间较晚的系列地震与水平井段压裂的平均注入压力在时间上的对照(修改自Schultz et al., 2015

      Figure 7.  The earthquake and hydraulic fracturing well distribution in CLS area. (a) The detected earthquakes (red) and the located earthquakes with cross correlation (blue), the colored dash box denotes the hydraulic fracturing well. (b) The monitoring of the earthquake moment magnitude and the moment magnitude calculated from cross correlation, which is compared with the injection pressure. (c) The comparison between the injection pressure and the delayed earthquake sequence (modified from Schultz et al., 2015)

      对于加拿大诱发地震产生的机制,研究认为主要为孔隙压力的扩散(Schultz et al., 2017)、孔隙弹性应力的改变(Clerc et al., 2016)和二者的共同作用(Frohlich, 2012; Maxwell et al., 2015; Goebel et al., 2017; Mahani et al., 2017). 当注入流体与断层相互作用时,研究表明断层的滑移可分为无震滑移(aseismic slip)和有震滑移(seismic slip),例如Cappa等(2019)通过实验观测和数值模拟研究发现增加注入流体压力可以加速无震滑移(如图8所示),断层的摩擦性质也随着流体的注入发生改变——从速率弱化(rate weakening)至速率强化(rate strengthening),断层的剪切应力随着无震滑移的传播而增大,直至有震滑移被触发. 相同地,Dublanchet(2019)基于速度—状态摩擦本构定律,利用解析模型分析了流体注入对断层剪切破裂的影响,认为断层的破裂可以分为两个阶段:(1)有效应力减小导致的断层滑移加速阶段;(2)断裂加速扩展阶段,并且断裂扩展速度大于流体压力扩散速度,该阶段类似于断层的成核阶段. 从阶段1到阶段2的转变受到断层的摩擦性质、流体注入历史和应力条件等影响. 相对于孔隙压力的增加,孔隙弹性应力的变化对液体注入反应更快(Deng et al., 2016). 这一结论也在其他研究中得到了验证,如Yu等(2019)认为距离水力压裂井小于或等于1 km的诱发地震主要受孔隙压力扩散的控制,而孔隙弹性应力的改变对距离水力压裂井1~4 km的诱发地震的产生很可能起主导作用,但是孔隙弹性应力产生作用的时间更短.

      图  8  来自于实验室实验以及数值模拟的结果:在流体注入的情形下,断层的摩擦性质的演化(修改自Cappa et al., 2019

      Figure 8.  The simulated and laboratory experiment results: the friction feature evolution after injection (modified from Cappa et al., 2019)

      此外,外部因素包括地质条件和水力压裂生产作业参数对诱发地震的产生起着主要作用(Green and Mountjoy, 2005; Hurd and Zoback, 2012; Schultz et al., 2017; Eaton and Schultz, 2018; Pawley et al., 2018; Zhang et al., 2019),如水力压裂区域其及周边断层的发育情况(Corlett et al., 2018; Eyre et al., 2019a; Li et al., 2019)、水力压裂井与断层的连通性(Davies et al., 2013b; Galloway et al., 2018)、液体注入量和液体注入速率等(De Barros et al., 2019). Frohlich(2012)发现当存在有利于滑移的断层时,只有当流体注入压力和注入速率足够大时才会诱发地震;Almakari等(2019)基于非均质断层模型,得到在一定注入速率范围内诱发地震产生的速率与注入流体速率成正相关的规律,超过该范围后,诱发地震的速率将近饱和而震级增加;Kettlety等(2019)利用霍恩河盆地水力压裂监测的微地震事件,通过分析认为作业区域存在两条断层,并且断层与压裂的水平井有连通,利用数值模拟发现断层的活化主要是由高压流体的注入导致的,而不是弹性应力的改变. 类似地,Rutqvist等(2013)通过数值模拟发现,水力压裂产生的水力裂缝成为流体与断层的通道,并且断层的渗透率越高,越容易产生诱发地震. 值得注意的是,Atkinson等(2016)对加拿大西部沉积盆地的诱发地震与水力压裂关系的研究发现McGarr(2014)提出的最大震级与液体注入体积关系的模型不适用于加拿大西部沉积盆地,而认为处于临界压力状态断层的面积控制着诱发地震的最大震级.

    • 荷兰北部的格罗宁根天然气田曾经是西北欧地区能源的主要来源,其开始开采时间为1961年,诱发地震的监测是从1991年开始的. 该地区天然气主要集中在地下3 km处的砂岩层,由于长时间的天然气开采,砂岩层压力会降低,不能承受其他地层的压力,导致地层的沉降,从而诱发地震的发生(Dost et al., 2004; Van Eck et al., 2016). 该地区发生的地震由于深度比较浅,因此即使较低震级的地震破坏性依然较大. 荷兰北部实际上构造比较稳定,历史上鲜有天然地震的发生,直到1991年12月5日第一次在格罗宁根地区记录到一个ML2.4的地震(van Thienen-Visser and Breunese, 2015). 从1993~2002年之间,地震活动也比较稳定,大部分地震均在ML1.5~2.5之间,直到2003年地震数量增加明显,并在2006年开始出现3.0级以上的地震. 在2012年发生了该地区最大的一个地震,为ML3.6. 由于地震深度比较浅,该地震引起了一定程度上的破坏,上报了超过1 000起损坏记录. 研究认为该地震是由于格罗宁根地区的天然气开采造成的,引起了公众的强烈反响. 到2018年年初止,荷兰格罗宁根天然气田因地震引起的房屋损坏总数超过85 000起(Van Elk et al., 2017; Mulder and Perey, 2018).

      格罗宁根天然气田原可开采量有28000亿立方米,经过50多年的开采后,依然有6 000亿立方米,假如每年开采200亿立方米,依然可以开采30年. 但是由于累积的应力越来越大,很多断层受到影响并可能发生滑动(Bourne et al., 2014; Nepveu et al., 2016; Dempsey and Suckale, 2017; Bourne et al., 2018). 根据荷兰官方2018年提供的地震信息,格罗宁根天然气田共有1000多个ML1.5以上的诱发地震(KNMI, 2018). 通过对每年的地震数量和开采量统计,可以得到如图9所示的关系. 由于不同的时间范围,两者之间的趋势关系不一样,因此图9中主要分为两个阶段来分析:第一个阶段是从1990~2000年;第二个阶段从2001~2018年. 1990~2000年之间开采量达到总量的45%~55%,每年ML1.5以上的地震数量虽然有所上升,但是总体保持平稳. 虽然从1996年开采量开始减少,但是地震总体上依然是增加的,因此开采量和地震活动性之间的统计相关性也不算很强(Vlek, 2019). 而且ML2.5以上的地震更少,一共只有5个,在这一阶段,显然储层构造的压力减少并没有引起特别严重的地震活动. 但是在2001年左右,随着几乎60%的天然气储量被开采,地震活动增加相当明显. 在2001~2013年期间,地震数量随着年开采量的增加而增加. 2012年8月该开采区发生了ML3.6地震,由于该地震破坏性较大,引起公众和社会的强烈关注(Dost and Kraaijpoel, 2013). 荷兰政府因此出台了逐步减少开采量的政策,从2013年的540亿立方米降为2014年的420亿立方米,并最终降为2017年的240亿立方米. 当开采量降低后,地震数量也明显减少,这些数据显示2001年以后天然气开采和地震活动之间可能具有某种因果关系.

      图  9  格罗宁根天然气田每年开采量和诱发地震数量时间变化图.(a)1990~2000年期间开采量(蓝色)和大于1.5级的地震数量(红色);(b)2001年之后的开采量(蓝色),大于1.5级地震数量(红色),以及大于2.5级的地震数量(绿色). 虚线为根据实线所示的数据插值拟合得到的结果(修改自Vlek, 2019

      Figure 9.  The gas extraction and number of induced earthquakes vs. time in Groningen gas field. (a) The gas extraction (blue) and the M>1.5 earthquakes (red) during 1990~2000; (b) The gas extraction after 2001 (blue), M>1.5 earthquakes (red), and the M>2.5 earthquakes (blue). The dash line is the interpolated result (modified from Vlek, 2019)

      格罗宁根天然气田的目标储层主要位于地下2.6~3.2 km处的砂岩层,整个油气田展布比较大,且被镁灰岩覆盖封存,其厚度有几百到上千米不等. 该地区分布着1800多个断层,其密度以及方向分布不均,而油气田中心地带断层尤其多,主要走向为西北到东南,这部分对应于最大的油藏压实(reservoir compaction)和诱发地震多发区. 由于格罗宁根天然气田覆盖900平方公里,大面积的沉降与天然气的开采导致的储层压实有关. 由于天然气的提取,导致砂岩层压力的释放,引起储层压实,从而导致地表沉降. 在原生断层附近储层压实导致断层面剪切应力的改变,导致断层面的滑动,从而引起地震事件(Bourne et al., 2014Bourne et al., 2018). Bourne等(2014)分析了该区域地震活动性和储层压实之间的关系,发现地震矩和累计压实之间存在指数函数的关系,地震矩是地震能量释放的直接反应. 因此,储层压实可能是诱发地震的一个关键原因.

      2014年1月主要有5个区块减少了开采率,为了研究减少开采率后地震活动性的变化,图9显示了地震密度分布和开采率之间的关系(Dost and Haak, 2007). 对比2013年和2014年的地震和开采数据发现,当相应区块的开采率下降后,地震活动性也随之下降. 当在2014年1月降低开采率后,由于水力阻力的作用,一般需要一定时间压力扩散才能穿过储层的含气孔隙压力空间. 如果给定储层的渗透率、压力、天然气密度等条件,相应的压力扩散在10个月内大约传播3.5 km,如我们看到如图10中所示的虚线圈范围. 在该区块中分析地震活动性,发现相比一年前,地震发生频度有减少. 上图说明地震的诱发机制可能跟储层压实有关,由于压实会改变原生断层的应力状态,从而引起滑动,因此地震活动性和生产率存在正相关.

      图  10  (a) 2013年4月1日至11月1日之间和2014年,地震密度差别(每平方公里地震个数)和开采量差别的空间分布图,其中绿色表示和2013年相比,2014年密度降低区域,红色表示升高区域. 黑色圆圈表示压力波10个月时间传播的距离(3.5 km);(b)2013~2014年期间开采量差别的空间分布,其中绿色表示和2013年相比,2014年开采量减少区域,红色表示升高区域(修改自van Thienen-Visser and Breunese, 2015

      Figure 10.  (a) The earthquake density and extraction amount difference distribution; the blue indicate the decreasing area of the comparison between 2013 and 2014; the red indicate the increasing area. The black circle indicates the propagation distance of the pressure after ten months (3.5 km); (b) The extraction different distribution during 2013~2014; the blue indicate the extraction decreased area of the comparison between 2013 and 2014; the red indicate the increasing area (modified from van Thienen-Visser and Breunese, 2015)

      为了研究诱发地震的震级与发生频率的关系,通过将1991~2018年期间的地震数据分为7个时段分析,对每个时段做震级和发生频率的分析,发现震级与发生频率成线性关系,其古登堡—里克特b值约为0.95(Gutenberg and Richter, 1944; Zöller and Holschneider, 2016; Bourne and Oates, 2017). 因此,如果假定2019年后震级大于1.5的地震发生频率为500次,并且利用估算的b值,可以建立相应的线性关系来估算其他大震的发生频率. 虽然在已有的28年数据中,只有3个3.5级左右的地震发生,并没有更大的地震,但是根据估算得到的b值构建的2019年后的震级—频率线性关系,可以预计2019年后依然可能会有几十个大于2.5级的地震、甚至超过3.5级的地震发生(Zöller and Holschneider, 2016; Bourne and Oates, 2017).

      荷兰格罗宁根地区近50年的天然气开采导致土地沉降,诱发地震并导致建筑物损坏,促使当地居民搬离该地区(Mulder and Perey, 2018). 荷兰政府相应做出关于天然气开采政策的改变:在一定年限内逐步减少天然气的开采量,减少天然气开采量的时空浮动,加强开发区相关的基础设施和建筑质量,和赔偿相关人员的损失等(Dost and Haak, 2007; Mulder and Perey, 2018). 2006年政府基于能源供应的考虑,10年期限内,总开采量为4250亿立方米. 由于后来多个较大地震的破坏性影响,荷兰政府于2015年降低年开采量为270亿立方米,又因为后续诱发地震的持续影响,在之后的几年,多次进一步降低产量. 但是在一些寒冷冬天的反常年份,为了保证能源供应,产量也允许稍微提升. 最终在2018年3月,荷兰政府决定逐步减少产量,并将于2030年关闭格罗宁天然气田.

    • 自2005年开始,我国在四川盆地西南地区开始了规模性的页岩气地质评价与勘探开发试验(王玉满等,2016),并于2008年开始页岩气开采试验(邹才能等,2011),先后在盆地南缘和东缘发现了长宁和涪陵焦石坝两个页岩气富集高产区,并以这两个区块为基础开展海相页岩气示范区建设并扩大了开采范围(任勇等,2015). 2014年以后,规模化页岩气开采启动,该地区地震发生频度大幅度上升(Lei et al., 2013, 2017, 2019; 何登发等, 2019; Meng et al., 2019; Sheng et al., 2020; Tan et al., 2020; Wang et al., 2020a; Yang et al., 2020). 在有限的几篇相关科研论文中,对于由水力压裂引起的地震活动性增强几乎没有疑问,有争议的问题是该区域的中强级地震是自然发生的天然地震,还是水力压裂诱发的天然地震. 威远地区在页岩气开采活动启动之前的10年里,地震活动比较平静,页岩气开采启动后的地震活动剧增显而易见,2019年接连发生了一系列4级以上的地震,而长宁区域历史上地震一直活跃,页岩气开采启动后,地震活动性增强的成因更为复杂,亟待研究探索. 我国也有部分科研工作曾探索了在重庆、四川自贡注水诱发中强级地震的问题(王小龙等,2011,2012张致伟等,2012雷兴林等,2014).

      四川盆地西南地区处于南北地震活动带南段的东侧边缘,历史上来看,四川盆地活动断裂带主要分布在四川北部和西部的造山带和盆山过渡带,四川盆地西南断裂的活动性并不强(邓起东等,2003邓起东和闻学泽,2008王椿镛等,2015王玉满等,2016徐锡伟等,2016). 其中,四川盆地西南部的长宁背斜位于川、滇、黔结合部,构造部位为川南低缓褶皱带与大凉山—大娄山断褶带之间的过渡区,具有不同方向上的多期构造变形叠加特征(童崇光,1992郭正吾等,1996何登发等,2011). 其东侧受到了川东—湘鄂西构造带挤压应力影响,西侧受来自龙门山方向的挤压应力远程传递影响,北部为四川盆地及华蓥山断裂带所限,南部又叠加了紫云—罗甸断裂带构造转换作用导致的挤压、抬升作用(覃作鹏等,2013邓宾等,2016何登发等,2019). 因此,四川盆地西南油气开采区的现今地壳构造条件非常复杂,断层较多,在科学上严格论证该地区的地震是水力压裂诱发地震还是孤立的天然地壳构造型地震则更为困难.

      Lei等(2017)研究了上罗页岩油气开采区自1980年至2017年1月期间的地震记录,关注区域为图11中的A区,该区域只有水平井水力压裂活动,废水回注是在图11中的D区,除中国地震局地震目录与资料外,该研究也使用了四川省宜宾市防震减灾局安装在上罗地区的6个近地震台资料. 除地震活动性与该地区页岩油气开采时间段相关之外,该研究也从其它方面推断诱发地震:(1)应用统计的传染型余震序列模型(ETAS)分析该区域余震序列特点(Reasenberg and Simpson, 1992; King et al., 1994; Parsons et al., 1999),发现87%的余震可能是外来液体进入断层引发的,只有13%的余震符合大森定律,属于应力触发模型;(2)对6个近地震台站记录的2015年以后的地震(ML≥1.0)进行重定位,水平误差在几百米,大部分地震分布在水平井注水破裂区域或附近,包括4.0级以上地震,地震深度主要集中在3~4 km,多数地震位于页岩层之下的构造. 但同时也发现该地区与北美页岩气开采区域的地震序列b值不同,平均值为0.9,与地壳构造型地震没有明显区别,另外发现震源几乎没有非双力偶分量,与加拿大阿尔伯塔省注水破裂诱发地震的特点也不同. 目前论文报道的全球水力压裂诱发地震震级普遍比废水回注诱发地震小,常见的是3~4级的地震. 上罗页岩油气开采区的地震震级偏大,Lei等(2017)认为有多个原因,包括脆性较强的前三叠纪沉积岩、区域临界应力、大量的断层、页岩上下缺少闭合构造等.

      图  11  中国四川盆地及其周边的地震分布图. 灰色点代表1980~2013年期间2.5级以上的地震,彩色点代表2014~2016年期间1.5级以上的地震. 背景线条为该地区的活断层分布图. A(上罗)是本研究关注区域,B(威远)也是页岩气开发区域,C和D是两个废水回注的区域(修改自Lei et al., 2017

      Figure 11.  The earthquake distribution around Sichuan Basin, China. The gray dot denotes the M>2.5 earthquakes during 1980~2013; the colored dot denotes the M>1.5 earthquakes during 2014~2016. The background line is the active fault. A (Shangluo) is the studying area; B(Weiyuan) is the gas production area; C and D are two injection area (modified from Lei et al., 2017)

      2017年2月至2018年7月,一个有13个短周期地震台站的当地台网布置在四川省长宁页岩气开采区. Tan等(2020)分析处理了地震记录,识别了11400个地震事件(MW>0),对比了该区域两个页岩气作业平台的压裂时间表,发现与地震事件有明显的相关性. 采用双差层析成像分析VP/VS变化,显示压裂液体扩散至老断层,导致地震频发.

      2018年12月16日在与四川省长宁页岩气开采区相邻的宜宾市兴文县发生了ML5.7地震,2019年1月3日又在附近的珙县发生了ML5.3地震. 这两个地震是天然地震还是诱发地震?两组研究人员得出不同的结论. Lei(2019)认为两个地震都是水力压裂诱发地震,而何登发等(2019)认为两个地震都是天然地震. 两组科研人员对两个地震序列的重定位结果相差较大,因此两组人员分别应用地震动力学与构造地质学的分析依据与结果差异也很大.

      Lei等(2019)采用同时搜索地震矩张量与震源深度参数的方法(Zhu and Ben-Zion, 2013; Lei et al., 2019),应用300 km内的33个宽频地震台站体波与面波波形数据拟合得出2018年12月ML5.7地震深度在3.09 km,应用24个宽频地震台站体波与面波数据拟合得出2019年1月ML5.3地震深度在1.84 km. 何登发等(2019)由“地震编目系统”下载了四川长宁地区2018年12 月16 日ML5.7 地震和2019 年1 月3 日ML5.3 地震序列的国家台网震相报告,采用走时双差定位方法对两次主震及其余震序列进行重定位,得出ML5.7 地震的深度为10.5 km,ML5.3地震深度为15.1 km,与中国地震局台网中心的结果非常接近(分别为12 km和15 km). 应该指出,两组科研人员不仅使用不同的地震定位方法与不同的速度模型,也使用了不同的地震数据,Lei等(2017)使用了30~300 km内记录的波形数据,何登发等(2019)使用的是汇编的国家台网与四川台网的地震走时数据. Lei等(2019)采用波形拟合得到的是矩心深度,而何登发等(2019)是采用走时数据得到的震源深度,对于小地震而言,两者相差不大,但对于5级以上地震,存在较大差别.

      Lei等(2019)通过重新地震定位、求解地震震源机制解、应力反演、库仑破裂应力分析等,得出支持诱发地震结论的三点依据:(1)ML5.7与ML5.3地震都位于水力压裂水平井深度;(2)应用统计的传染型余震序列模型(ETAS)分析两个地震的余震序列特点,得出89%的余震为外来应力作用的结果,只有少量地震符合大森定律的天然地震序列模型;(3)莫尔圆应力分析得出结论,所需启动当地发生的MW3.5以上地震的应力应该在0.2~5.8 MPa,只有外来超压可能启动这些地震.

      何登发等(2019)认为两个地震既不是超压直接诱发型,也不是重力负荷变化间接诱发型,因为:(1)重新地震定位结果显示,其主要地震序列都位于较深的前震旦系基底中,并不在志留系页岩层中(图12);(2)从高分辨率二维、三维地震资料看,页岩气产区不存在已有大断层,没有发现志留系页岩层中或相邻层发育较大的“先存断层”;(3)从构造变形机制看,龙马溪组的变形仅为层平行剪切过程中微裂缝的反复发育,而地震多是剪切破坏,龙马溪组内部并无大断层,不能积累起大地震需要的应力;(4)页岩压裂引起龙马溪组内的流体增压是否可以向下传递,引起下伏断层弱化与再次活动呢?原作者认为不可能,因为两者之间并不存在这样的流体通道.

      图  12  长宁背斜区天然地震的投影及其构造地质背景(修改自何登发等,2019

      Figure 12.  Projection and tectonic geological setting of natural earthquakes in Changning anticline area (modified from He et al., 2019)

      Meng等(2019)处理了2015~2017年期间昭通与长宁页岩气开采区域当地移动地震台网(21个地震台站)记录的ML> 1.0地震数据,对5345个地震重定位,结果显示几乎所有地震活动都在水力压裂井的5 km之内,7个大于ML3.0地震的深度也分布在2.5~4.0 km,与水平井距离小于3 km,在页岩层之下,在发生时间与空间上与当地注水破裂作业紧密相关,而当地的废盐水回注井离地震活动区域有30 km远.

      我国四川盆地页岩气开采区域地震活动显著增强,但国家地震台网过于稀疏,当地台网数据难以得到,并且水力压裂井位置和注水量公开的数据有限,分析结论难以得到多方验证. 最近也陆续出现不少针对威远地震的研究,该区域发生的系列震级中等的浅震,这些地震深度一般不超过3 km,并且有的地震在注水井2 km范围内,因此为注水诱发地震的可能性比较大(Sheng et al., 2020; Wang et al., 2020a; Yang et al., 2020; 易桂喜等, 2020). 另外,在页岩气开采活动增强了该地区地震活动性的同时,频发的4~5级地震会不会也帮助减小了发生7~8级地震的可能性?这些挑战性问题还亟待探索.

    • 诱发地震的风险控制近年来成为一个重要议题(Nygaard et al., 2013; Rivard et al., 2014; Bommer et al., 2015; McGarr et al., 2015; Walters et al., 2015; Grigoli et al., 2017). 多个国家和地区采用“红绿灯系统”来实时管理和指挥页岩油气开采生产(Bommer et al., 2015; McGarr et al., 2015; Walters et al., 2015). 所谓红绿灯系统就是指油气田的三种基本状态与相应行动:地震较小,油气生产按正常计划进行(绿灯);由于地震活动与震级的升级导致油气生产工程需要马上调整(黄灯);由于地震活动增强与地震震级进一步增大,预示高风险,而需要马上停止相应区域内的油气生产工程(红灯). 类似的红绿灯系统其实在其它领域也有过应用,如美国地热能源开发,也是采用了红绿灯系统实时管控生产(Ellsworth, 2013). 红绿灯系统给管理单位与生产单位提供了明确的实时操作的指导方案,在地震活动监测的基础上实施水力压裂,收回的压裂水回注,以及油气产品所含废水回注. 尽管多年监测发现生产活动与地震活动之间具有高度的相关关系,但不能保证使用该系统就一定可以避免发生较大地震. 目前美国俄克拉何马州、俄亥俄州,加拿大阿尔伯塔省、不列颠哥伦比亚省,英国等都采用红绿灯系统实时管控油气开采生产(Mignan et al., 2017; Zoback and Kohli, 2019). 各个国家或地区在具体红绿灯标准的设计上略有不同,有的甚至设计5级为最高震级的红绿灯系统(见图13).

      图  13  不同地区或国家的红绿灯系统,在具体标准上都有很大不同(修改自Zoback and Kohli, 2019

      Figure 13.  Traffic light systems in different regions or countries adopt very different specific standards (modified from Zoback and Kohli, 2019)

      Walters等(2015)提出了一个水力压裂的基本普适性红绿灯系统,即绿灯:水力压裂工程进行过程发生的地震都小于-1级;黄灯:如果“较大异常地震”发生了,这个较大异常地震显然与地区有关,如美国俄克拉何马州定为2.0级,美国俄亥俄州定为1.5级,加拿大阿尔伯塔省定为2.0级,英国定为0级;红灯:更大震级的地震出现,生产马上停止,如美国俄克拉何马州定为3.5级,俄亥俄州定为2.5级,加拿大阿尔伯塔省定为4.0级,英国定为0.5级.

      Walters等(2015)也提出了一个管控废水回注的普适性红绿灯系统,与水力压裂的红绿灯相似,但是对于深部废水回注的地震监测一般都要实施很多年. 较大地震当然会带来危险,但对于小地震的迁移也非常关注,因为小地震可能显示液体移动路径,如果液体流入到活动断层,也是非常危险的.

    • 板块内部的地震灾害概率分析方法已经有很久的历史了,是长期强震预报方法的依据(Cornell, 1968; Frankel et al., 1996),但不适用于诱发地震,因为诱发地震与外部因素联系紧密. Shapiro等(2010)提出地震发生指数(seismogenic index)Σ的概念,用于评估一个地区由于注水量所引起的诱发地震风险性,Σ揭示的是局部区域在一定时间段内注水量与该区域诱发地震发生的关系,在物理上反映的是注水量对应于地下应力变化量(Dinske and Shapiro, 2013). 地震震级与注水量的关系比与时间的关系更均匀,也就是说,地震事件发生的概率大小是与孔隙压力变化成正比的. 给出一个局部区域的地震活动数据,以及每月液体注入量,可以依据公式定量地计算地震发生指数Σ,反映出某个震级以上的地震将要发生的可能性和当前独立于水力压裂参数的环境状态. 在地震发生指数的计算公式里,当地地震b值是输入参数,计算结果可用于对比不同区域的诱发地震概率问题,较大的地震发生指数意味着较大的地震发生概率(Hajati et al., 2015; Mousavi et al., 2017).

      然而,Shapiro等(2010)的地震发生指数概念无法描述地下应力减少的情况,Langenbruch等(2018)修正了地震发生指数的表述,采用应力变化而不是注水量来计算,应力变化可以来自区域性应力场计算,也可以来自于测井数据,因此,可以同时包括应力增加与减少的情况,修正的地震发生指数不仅适用于废水回注,也适用于水力压裂,该修正的指数空间变化反映了已有断层系统对压力变化的敏感性. 利用地震发生指数,可以进一步推导出一年内在某个震级或之上地震发生的概率. 图14显示在美国俄克拉何马州与堪萨斯州页岩气开采区域,从2015~2020年基于物理模型的M≥4地震发生的概率预测. 该预测工作是2018年做的,利用2018年以及之前已经发生的M≥3(灰色圆)和M≥4(黄色圆)地震验证2015~2018年期间的预测,2015年以后地震发生概率逐年下降,与注水量减少以及相应减缓的压力增加有关.

      图  14  美国俄克拉何马州与堪萨斯州:2015~2020年基于物理模型的M≥4以上地震发生的概率预测. 本研究计算1257 km2(20 km半径)的区域里的一年的超越概率预测. 在做预测这一年已经发生的M≥3(灰色圆)和M≥4(黄色圆)地震显示在图中. 当地的地震风险是由其当地的压力增加以及孕震状态决定的. 2015~2020年期间的概率降低主要是由于减少注水量的原因,减缓了孕震带的压力增加. 地震风险的最大缓解区域是在尼马哈断层东部,那里注水量大幅度减少. 2018~2020年期间假设均衡的注水率. 该预测图可以根据未来注水情况的变化相应更新(修改自Langenbruch et al., 2018

      Figure 14.  The Oklahoma and Kansas, US: The probability prediction based on the physical model of the M≥4 earthquakes during 2015~2020. The probability prediction is calculated in a 1257 km2 area in one year, and the M≥3 and M≥4 earthquakes are denoted in the figure. The local earthquake risk is determined by the stress increasing and state of earthquake preparation. The decreasing of 2015~2020 results from the decreasing of the injection. The largest decreasing area of the earthquake risk is the east part of Memaha fault, and the injection is decreased dramatically. The prediction figure could be updated according to the future injection condition (modified from Langenbruch et al., 2018)

    • 为了评估和减少诱发地震的危害,相关研究也提出一些其它措施. 斯坦福大学诱发地震研究中心与10余家石油公司合作,推出油气田地震风险评估系统(Oklahoma Corporation Commission,2018). 该系统设计了风险评估流程(Nygaard et al., 2013),依据地质、水文、地震、地质力学等资料制定一个矩阵,用于风险概率估算(Nygaard et al., 2013; Oklahoma Corporation Commission, 2018). Clarke等(2019)认为水力压裂的微地震事件b值大小和发生速率的变化等可以用来检测裂缝和断层的导通情况,从而指导人们现场作业时避免断层的方案;相比于红绿灯系统,微地震事件可以实时监控,在一定程度上起到预防诱发地震的作用. Hofmann等(2018)提出“软压裂”(soft stimulation)方案,即利用很低的流体注入速率周期性的压裂,Zang等(2019)利用实验的方法在岩性尺度上验证了“软压裂”方案对减小诱发地震是有效的,但是,该方案在实际工程中的适用性还有待商榷(Hofmann et al., 2019),例如,尽管韩国的浦项地热项目采用“软压裂”方案,但是仍然发生了MW5.4的诱发地震(Grigoli et al., 2018).

      Hu等(2018)针对四川宜宾上罗页岩气开采区诱发地震风险性应用层次分析法(Analytic Hieracchy Process, AHP)和模糊综合评价方法(Fuzzy Comprehensive Evaluation, FCE)建立风险评估系统. 层次分析法是美国运筹学家T. L. Saaty教授应用网络系统理论和多目标综合评价方法(Saaty, 1980),提出的一种层次权重决策分析方法,FAHP方法在一些灾害风险评估领域已经得到有效的应用,如滑坡、水库诱发地震问题等(Zhong and Zhang, 2013). 在四川上罗页岩气开采区的地震风险模型分析中,考虑的因素包括2008~2016年的地震活动性、b值、水库、区域地质构造、应力场和水力压裂平台的分布等. 该系统对625个格点区域做风险评估,并用2017年数据得到较好的验证.

    • 从地下提取油气、在地下水力压裂,以及废水回注地下可能诱发地震是全球的普遍现象(Ellsworth, 2013; Foulger et al., 2018). 有些地区,随着油气生产运行,地震活动很快增强(Edwards and Douglas, 2014; Guglielmi et al., 2015),也有些地区,地震活动有延迟并在生产活动停止后还持续多年(Herrmann et al., 1981). 不是所有油气生产都会诱发地震,研究表明诱发地震的发生与当地地质情况有非常大的关联,包括影响地下液体扩散的因素,如孔隙度、渗透率、地质结构,以及注水深度、注水量(Foulger et al., 2018; Li et al., 2019a). 大量研究论文提出最为关注的问题是获取油气生产附近区域已有断层的分布信息. 液体流入断层,从而大大降低断层滑动的临界应力条件,最终导致断层滑动是诱发地震的关键问题(Galloway et al., 2018). 还有一种情况,即使液体没有流入当前断层,上方或周围应力场的变化,导致已经处于临界滑动的断层发生滑动(Schultz et al., 2017). 因此,预先应用三维地震资料调研断层的分布、并设计相应的优化生产开采计划来回避断层十分重要(Walters et al., 2015).

      一些国家或地区实施的“红绿灯系统”值得借鉴,该系统为一线生产提供了实时施工指导措施,是可操作的、有可能避免较大地震发生的一项基本措施(Ellsworth, 2013). 但是,另一方面,虽然地面可感知的小地震活动性与页岩气生产作业有关,如我国四川上罗页岩油气开采区,当地群众反映节假日有感地震活动明显减少,但“红绿灯系统”是一个基于观测与直觉的响应系统,在理论上是不能一定保证可以避免大地震发生的. 世界各地的诱发地震研究表明:实时监测油气生产区域地震活动、掌握与分析地震资料是首先要解决的基本问题. 在诱发地震监测设计方面,可采用三分量移动地震台网,一般台间距在1~15 km之间(Zhang et al., 2020; Li et al., 2019c). 及时处理微小地震、监测地震活动性十分关键,但是微小地震数量比较大,任何时候都可能发生,靠人工处理比较困难,目前人工智能技术已经应用于解决诱发地震的自动检测与定位问题(Zhang et al., 2020). 许多地区应用红绿灯制度的经验表明,把问题都留给红绿灯系统来处理,经常中断生产也是比较昂贵的操作. 比较经济有效的方法还是做好前期勘探、查明断层、避免断层附近作业(Walters et al., 2015). 诱发地震发生的概率预测与灾害风险评估目前处于研究阶段,也有较好的前景,这方面技术的成熟也将有助于推动页岩气开发的深入发展.

      总之,全球对诱发地震的研究与油气生产积累的实际经验表明:诱发地震是可能得到控制或避免的. 从提高实时地震监测能力,研究什么地震发生了,为什么发生,到加强地质勘查与地震勘探,制定基于科学依据的安全生产设计方案,油气开采将会更有效地避免诱发较大地震,确保生产环境安全(McClure and Horne, 2011; Dempsey et al., 2014; White and Foxall, 2014; Mignan et al., 2017; Trutnevyte and Ejderyan, 2018).

      我国四川盆地近年来的地震活动显著增强与页岩油气开采活动存在多方面的关联性. 四川盆地历史上也是多震地带,尚不明确的是当地发生的中强级地震是否由工业活动诱发还是自然发生. 理论地质力学分析认为水力压裂或废水回注都可能“诱发”或“触发”较大天然地震,这并不是外界施加的能量大小问题. 对于已经处于临界状态的大地震,较小的孔隙压力或应力变化都可能导致大地震的发生,这是在我国四川盆地特别值得研究与关注的问题. 为了更好地服务国家能源战略,同时保障安全生产,当前迫切需要相关各方力量积极监测与研究诱发地震,学习国外先进技术与经验,综合多种地球物理与地质数据,加深对四川盆地诱发地震的认识,提供科学的研究成果和合理有效的实际应对方案.

    • 感谢多位从事诱发地震研究的专家的帮助,为本文的撰写提供了建设性意见和支持,包括王蕊嘉、杨宏峰、鲍学伟、何登发、雷兴林、William Ellsworth、Mark Zoback、Cornelius Langenbruch等.

参考文献 (193)

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