流体注入诱发地震活动*



流体注入诱发地震活动*

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年以来，美国中部地区持续增强的地震活动被认为是由流体注入诱发的结果[1]。 尽管已经建立了有关流体注入导致断层滑移的基本机制[1-5]，但美国中部M≥5破坏性地震的出现和地震活动的急剧增强引起了人们对这一问题的高度重视。 此类地震活动的增强仅限于有限的几个地区，越来越多的证据表明，这些地区的地震活动与周边地区的工业生产直接相关。 该期地震研究快报(Seismology Research Letters，SRL)重点选取了7篇科技文章，内容涵盖基础地震、 地面运动观测、 案例分析、 断层活化数值模拟和风险减轻等。

Rubinstein和Babaie Mahani[6]为公众、 媒体、 工业界和学术界的受众提供了流体注入与诱发地震的入门读本。 该读本描述了石油和天然气工业流体注入的过程及其诱发地震的基本物理机制，以及对这些过程普遍存在的一些误解及其与水压致裂的关系。 石油与天然气工业有大量液体注入地下： ①盐水与油长期混合生产过程中产生的废液； ②为提高烴的生产量，混有添加剂的液体高压喷射产生裂缝网络，造成水压致裂； ③将液体注入衰竭油田进行强化采油。 在这些过程中，废水注入是引发震感的最常见机制。 最近，由废水注入诱发的地震有： 2011年俄克拉荷马州(Oklahoma)布拉格(Prague)M5.6地震[7]； 2011年科罗拉多州(Colorado)特立尼达(Trinidad)M5.3地震[8]和2011年阿肯色州(Arkansas)盖伊-格林布赖尔(Guy-Greenbrier)M4.7地震[9]。

Lamontagne等[10]提供了加拿大新不伦瑞克(New Brunswick)区域地震台网中心的观测材料，该台网中心建于2012年，旨在监测该地区若干次盆地区域的天然地震活动及水压致裂造成的地震。 新不伦瑞克省的部分地区未来具有非常规石油和天然气开发的显著潜力，但有相当多的公众担心会引发地震。 2009年9月至2010年11月和2014年8月至9月，经过对两阶段的水压致裂监测，并没有观测到地震活动。 这一区域的浅源地震很难区分是自天然地震或是诱发地震。

利用加拿大亚伯达(Alberta)省最近增加地震台网覆盖率的优势，Eaton和Babaie Mahani[11]估测了最近几次中等规模诱发性地震的震源机制。 近20年来，相对鲜有诱发地震发生，然而，2014年8月9日，在落基山庄(Rocky Mountain House)附近发生了M3.8逆滑断裂。 这是自20世纪70年代后期以来活动的地震群中最大的一次地震，有科学家认为，该地震活动是传统气体生产过程中多孔弹性介质应力变化所致[12]。 2015年1月23日，在杜拉页岩区块发生了由水压致裂引发的M4.4斜法线方向滑移。 这是在歪湖(Crooked Lake)连续发生的最大地震事件，该地区自2013年12月以来间歇地发生地震。 Eaton 与Babaie Mahani[11]强调了区域差异： 加拿大西部是由流体注入导致水压致裂从而诱发地震，而在美国诱发地震的主要因素则是大面积废水排放。

Novakovic和Atkinson[13]利用加拿大亚伯达省最近安装的区域台网，讨论了震级为1～4级的900余次地震事件的地面运动比例关系。 该调查结果显示，绝大多数地震事件由油气生产活动诱发。 利用1.0，3.33和10.0 Hz的伪谱加速度，从实际观测与数值模拟两个方面进行了分析。 该项研究结果说明，诱发的地震事件与天然发生的地震有显著差异。

Kaven等[14]提供了美国地质调查局(U.S. Geological Survey，USGS)关于伊利诺斯州(Illinois)迪凯特(Decatur)地区的微震监测报告，该地区为碳捕获与存贮(carbon capture and storage，CCS)技术示范点。 2011～2014年间，约有百万吨超临界CO2被注入砂岩盐水层。 美国地质调查局在2013年7～8月间，设置了一个有13个台站的局部监测网，为参与的地震研究机构免费提供监测数据。 识别了震级-1.13～1.26的3组地震活动。 6次(地震)事件的震源机制解与先存断裂面上的右旋走滑运动一致，该断层多半由区域应力场所致。 所观测到的地震活动显示，孔压离注入位置扩散的模式，这可能是由于主含水层的各向异性和不均匀渗透造成的。

Dieterich等[15]应用高效计算的三维边界元代码编制的考虑速率-状态断层摩擦模型RSQSim，研究了长期流体注入的地震活动时空模式[16]。 结果表明，要想确定流体注入如何影响断层，注入前的应力状态至关重要。 增加模型的初始剪应力会导致： ①加速地震活动的发生； ②增加地震次数； ③增大最大震级； ④增加地震活动的空间范围； ⑤增大以后发生更大地震的可能性。 此外，模拟地震关闭后，地震活动持续是由于超孔隙压力的扩散需要一定的时间，其主要机制是由于断层速率-状态性质产生的延迟核化。 该实验结果同时也说明，诱发地震的最大震级与注入流体的总体积有关[17]。 有证据显示，孔隙流体压力的改变引起了地震矩的释放，部分会随着震级的升高和初始应力平均值的增大而减小。

Walters等[18]给出了灵活而全面的关于大面积废水注入和/或水压致裂的风险评估的工作流程。 科学家搭建框架的同时形成了该课题越来越多的文献资料。 考虑的主要因素为： ①地震危险性，使用已建立的概率震害危险性评估方法进行量化； ②操作因素，如注入速率及注入地点与已知断层的接近程度； ③暴露性，也叫脆弱性，即考虑到流体注入对基础设施、 人口密度与局部风险承受能力的影响。 以美国中部、 加拿大西部及英国的诱发地震实例来开发和论证了风险矩阵方法。 同时详细论述了“红绿灯”方法评估既得利益者和公众之间的风险管理与有效沟通的作用。

该期SRL重点推出的7篇文章提供了流体注入诱发地震活动的最近研究进展，和这一复杂问题所涉及的诸多方面，以及需要深入研究的领域。 更为重要的是，为未来的监管与发展提供了一个强有力的科学框架。

文献来源： 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

(中国地震局工程力学研究所曹金名徐文杰译)

(译者电子信箱，徐文杰： xuwenjie915@163.com)

参 考 文 献

[1] Ellsworth W L. Injection-induced earthquakes. Science，2013，341(6142): 142-143. doi:10.1126/science.1225942

[2] Healy J H，Rubey W W，Griggs D T，et al. The Denver earthquakes. Science，1968，161(3848): 1301-1310

[3] Raleigh C B，Healy J H，Bredehoeft J D. An experiment in earthquake control at Rangely，Colorado. Science，1976，191(4233): 1230-1237. doi:10.1126/science.191.4233.1230

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[5] McGarr A，Simpson D，Seeber L. 40 case histories of induced and triggered seismicity. Int. Geophys.，2002，81(2): 647-661

[6] Rubinstein J L，Babaie Mahani A. Myths and facts on waste-water injection，hydraulic fracturing，enhanced oil recovery，and induced seismicity. Seismol. Res. Lett.，2015，86(4)： 1060-1067. doi:10.1785/0120150067

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[10] Lamontagne M，Lavoie D，Ma S，et al. Monitoring the earthquake activity in an area with shale gas potential in southeastern New Brunswick，Canada. Seismol. Res. Lett.，2015，86(4)： 1068-1077. doi:10.1785/0220150051

[11] Eaton D，Babaie Mahani A. Focal mechanisms of some inferred induced earthquakes in Alberta，Canada. Seismol. Res. Lett.，2015，86(4)： 1078-1085. doi:10.1785/0220150066

[12] Baranova V，Mustaqeem A，Bell S. A model for induced seismicity caused by hydrocarbon production in the western Canada sedimentary basin. Can. J. Earth Sci.，2011，36(1)： 47-64

[13] Novakovic M，Atkinson G M. Preliminary evaluation of ground motions from earthquakes in Alberta. Seismol. Res. Lett.，2015，86(4)： 1086-1095. doi:10.1785/0220150059

[14] Kaven J O，Hickman S，McGarr A. Surface monitoring of microseismicity at the Decatur，IL，CO2sequestration demonstration site. Seismol. Res. Lett.，2015，86(4)： 1096-1101. doi:10.1785/0220150062

[15] Dieterich J，Richards-Dinger K，Kroll K. Modeling injection-induced seismicity with the physics-based earthquake simulator RSQSim. Seismol. Res. Lett.，2015，86(4)： 1102-1109. doi:10.1785/0220150057

[16] Richards-Dinger K B，Dieterich J H. RSQSim earthquake simulator. Seismol. Res. Lett.，2012，83(6): 983-990. doi:10.1785/0220120105

[17] McGarr A. Maximum magnitude earthquakes induced by fluid injection. J. Geophys. Res.，2014，119(2): 1008-1019. doi:10.1002/2013JB010597

[18] Walters R，Zoback M，Baker J，et al. Characterizing and responding to seismic risk associated with earthquakes potentially triggered by saltwater disposal and hydraulic fracturing. Seismol. Res. Lett.，2015，86(4)： 1110-1118. doi:10.1785/0220150048

中图分类号：P315.72+3；

文献标识码：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。