注水诱发地震的研究进展

黄元敏 马胜利 李晓慧

摘要：

研究注水诱发地震的特征、发生机理和最大可能震级等对开展诱发地震的预防、危险性评价、减灾策略制定等方面的工作具有重要意义。文章系统地梳理了国内外关于注水诱发地震研究的主要认识和分歧。结果表明：（1）诱发地震的最大可能震级由断层大小和应力状态等地质条件决定，受注水压力和累积注水量等参数的影响;（2）识别诱发地震的可靠方法取决于地震和注水之间的时空相关性，统计模型的参数以及断层活化分析等一系列证据链条;（3）当断层与流体储层之间存在水力连接时，孔隙压力扰动是诱发地震的主要发生机制，反之岩石基质体积变形引起的孔隙弹性应力变化主導了诱发地震的过程。此外，注水诱发的稳定滑动传播到断层的孕震部分、流体的化学作用和小地震级联触发效应也可能在注水诱发地震中发挥重要的作用。研究结果将为注水诱发地震机理研究和减轻破坏性诱发地震灾害提供一定的科学参考。

关键词：

诱发地震; 地震活动特征; 诱发机理; 最大震级

中图分类号： P315      文献标志码：A   文章编号： 1000-0844（2023）02-0387-14

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220708006

Research progress on injection-induced earthquakes

HUANG Yuanmin1，2， MA Shengli1， LI Xiaohui2

（1. State Key Laboratory of Earthquake Dynamics， Institute of Geology， CEA， Beijing 100029， China;

2. Guangdong Earthquake Agency， Guangzhou 510070， Guangdong， China）

Abstract：

The characteristics， mechanisms， and maximum possible magnitude of injection-induced earthquakes are important to study for induced earthquake prevention， risk assessment， and disaster reduction strategy formulation. This paper systematically collates the main understandings and disputes of injection-induced earthquake research at home and abroad. The results indicate that the maximum possible magnitude of an induced earthquake， which is affected by water injection parameters such as injection pressure and cumulative injection volume， is determined by geological conditions such as fault size and stress state. The reliable method for identifying induced earthquakes depends on a series of evidence chains， including the time-space correlation between earthquakes and water injection， the parameters of the statistical model， and the analysis of fault activation. When a hydraulic connection exists between the fault and the fluid reservoir， the pore pressure disturbance is the main induction mechanism; when the fluid pathway is unavailable， the change in pore elastic stress caused by the volume deformation of the rock matrix plays a dominant role. In addition， the chemical action of fluid and the triggering effect of small earthquakes may also play an important role in injection-induced earthquakes. This study provides a scientific reference for studying the mechanism of injection-induced earthquakes and the mitigation of destructive induced earthquake disasters.

Keywords：

induced earthquake; seismicity characteristics; induction mechanism; maximum earthquake magnitude

0 引言

众所周知，地震是活动断层在构造应力作用下突发失稳的结果。除了构造地震，人们早已知道水库蓄水和工业废水注入等人类活动也可以诱发地震活动，甚至诱发大到足以伤害基础设施和人类财产的地震［1-5］。近年来，随着经济社会发展，人类对能源需求日益增大，伴随着技术进步，能源开发从传统方法扩展到页岩气压裂、地热资源开发、天然气储气库调峰等。在这些工业活动中，大规模高压水被注入地下，势必引起深部流体压力增加和岩石变形，并有可能导致已存断层活化，在一定条件下引起断层的不稳定滑动，诱发地震活动甚至发生破坏性地震［3，5-15］。

目前，在世界多个地区都观测到了注水等工业活动诱发的地震活动。如美国中东部的地震活动从2009年起显著增强，发生了多次5级以上地震，研究表明这些地震与石油和天然气作业的废水处理有关［5，8，14，16］。加拿大西部沉积盆地的地震活动也随页岩气开采水力压裂的增加而显著增强［9，17-20］。随着工业废水处理和页岩气开采的快速增长，我国的四川盆地也观测到了显著的诱发地震活动［3，12-13，21-23］。

相对于构造地震，注水诱发地震多发生在地震活动较弱的区域。由于发生中强地震的频次较低，当地抗震设防和应急响应能力一般较弱，诱发地震引起的危害可能会超过天然地震［17］。如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［24］;韩国浦项的地热开采诱发了2017年MW5.5地震，造成135名居民受伤，1 700多人转移到紧急住所，损坏57 000座建（构）筑物［25］;四川盆地的页岩气开采诱发了2018年兴文ML5.7地震，造成大规模滑坡，致使17人受伤、390座房屋严重损坏和9座房屋倒塌［13］。因此，如何平衡地下能源的安全开采与地震活动之间的关系，已成为一个重要的研究课题。

关于注水诱发地震，国内外已有大量的案例和机理研究，取得了许多重要的进展。但对于这一现象的许多关键问题仍未得到解答，如某些地震活动是否是诱发地震仍存在着争论。虽然高压流体注入被认为是诱发地震活动的主要“罪魁祸首”，但发生机理和最大诱发震级及其影响因素还存在着争议。因此，本文从注水诱发地震活动特征、诱发机理，和最大可能震级等角度入手，系统梳理了国内外同行的研究进展，为开展注水诱发地震机理研究和防灾策略制定提供科学参考。

1 工业注水与诱发地震

自美国科罗拉多州丹佛地区洛基山Arsenal诱发地震［6］和美国地质调查局随后在Rangely油田的地震控制实验［26］开始，高压废液回注诱发地震就已广为人知。近年来，美国中部地震活动显著增强，许多地震都与油气开采过程的废水增压回注有关［5，16，27］。伴随着大量工业废水源源不断地注入地下，俄克拉荷马州的地震活动从2009年起呈指数增长，先后发生了2011年布拉格MW5.7地震［28］、2016年费尔围MW5.1地震［29］、波尼MW5.8地震和库欣MW5.0 地震［14］等5级以上地震（图1）。Langenbruch等［30］的研究结果显示，俄克拉荷马州绝大部分的M≥3地震都发生在注入大量废水的区域，且地震活动在废水回注量减少40%后出现大幅度减少（图1），表明油气开采过程的废水增压回注诱发了这些地震。

相比于美国中部的废水处理，页岩气开采水力压裂在加拿大西部的诱发地震中发挥了重要作用［9，17-19，31］。Atkinson等［9］利用1985—2015年的注水和地震数据，分析了加拿大西部沉积盆地不列颠哥伦比亚省和阿尔伯塔省交界地区12 289口水力压裂井和1 236口废水回注井与地震事件的关系，认为地震活动与水力压裂井时空相关性更大。根据阿尔伯塔省中部Fox Creek地区水力压裂作业与诱发地震的时空关系，Schultz等［19］认为水力压裂作业导致孔隙压力增加诱发了该区的地震活动。

此外，地热开采过程的注水活动也可以诱发地震活动。例如，瑞士巴塞尔地区的地热开采诱发了ML2.6地震和ML3.4地震［32-33］。2017年韩国浦项MW5.5地震也与地热开采过程的高压注水活动有关［10，25，34］。

近年来，我国四川盆地中南部的荣昌、自贡、遂宁、威远和长宁等地的地震活动显著增强，研究表明这些地震或与废水处理和井盐生产而进行的长期注水有关［12，21-22，35-39］，或与页岩气开采水力压裂的短期注水有关［11，13，23］。其中，荣昌和自贡地区的地震活动主要是长期注水的结果［21-22］，而威远、长宁地区的地震活动则与水力压裂短期注水的相关性更大［11，13，23］，且2018年兴文ML5.7地震是目前为止最大的水力压裂诱发地震［13，17］（图2）。

2 誘发地震和构造地震

对于诱发地震的识别，目前已开展了大量的研究，积累了丰富的科学认识，主要包括以下几个方面：

（1） 地震与注水的时空相关性

目前，地震与工业注水的时空相关性是识别诱发地震最可靠的依据。一般而言，诱发地震大多发生在注水井附近地区，如美国俄克拉荷马州绝大部分M≥3地震发生在注入大量废水的区域［30］。加拿大阿尔伯塔省Fox Creek地区每一丛诱发地震的中心位置都对应一个水力压裂井［19］。然而，一些研究表明，与工业注水相关的地震也可能发生在作业井数公里之外。例如，在美国阿肯色州、俄亥俄州、俄克拉何马州和加利福尼亚州，许多诱发地震活动都发生在注入层以下10 km的地下［28，40-41］。在加拿大西部和四川盆地南部，水力压裂引起的应力变化也可以激活页岩地层下结晶基底古断层的活动［11，18］。Goebel等［42］甚至认为工业注水可以诱发超过40 km以外地区的地震活动。

对于地震与注水的时间关系，一些诱发地震在注水初期就显著增强，如科罗拉多州Rangely油田的诱发地震在注水开始后1天便逐渐增加［26］。受注水井与周边断层之间流体扩散速率的影响，一些诱发地震可能发生在注水开始之后很长的一段时间，甚至注水停止之后几个月或几年［5，8］。如瑞士巴塞尔［32-33］和韩国浦项［10，25，34］地热开采诱发的最大地震都发生在注水停止之后。美国俄克拉荷马州布拉格地区的地震活动在注水开始后18年，且注水压力增高后5年才显著增强［28］。

显然，地震与工业注水的时空相关性是判定诱发地震的重要依据，但还不够充分。

（2） 基于统计和物理的地震活动模型

由于断层系统的复杂性，工业注水诱发地震是一个十分复杂的过程。传染型余震序列模型 （epidemic-type aftershock sequence，ETAS） ［43］，能有效地发现地震活动的变化［43-44］，发现有关流体作用的信息［45］，被广泛应用于注水诱发地震的研究中［2，11，13，21-22，46］。如Llenos等［46］根据俄克拉何马州和阿肯色州中小地震发生频率的变化，分析认为注水诱发地震活动与构造地震存在明显差异，而ETAS参数的绝对值和余震或震间距离分布的变化可能是区分自然地震和诱发地震的方法。利用ETAS模型，Lei等［13］分析了2018年兴文ML5.7地震和2019年珙县ML5.3地震的余震序列特点，其中89% 的余震为外来应力作用的结果，只有少量地震符合天然地震序列模型（图3）。荣昌气田［22，37］和自贡气田［21］的地震活动也具有相似的特征，说明这些地震活动主要是由流体压力驱动的。

（3） 诱发地震的震源特征

一般而言，大多数构造地震的点源破裂机制可以用双力偶模型描述，一些研究认为注水诱发地震因具有复杂的局部压裂可能存在明显的非双力偶分量。例如，Zhang等［47］利用全波形反演了加拿大西部诱发地震的矩张量，发现诱发地震存在不可忽视的非双力偶分量。然而，Wang等［20］的计算结果表明，诱发地震与构造然地震在震源机制上具有相似性，二者在非双力偶分量上没有明显差异。四川盆地威远页岩气开采示范区MW≥3.5地震的矩张量反演也表明诱发地震的非双力偶分量可以忽略不计［3］。显然，震源机制并不是区分注水诱发地震和构造地震的充分条件。

除了矩张量解，应力降反映了地震过程断层应力释放的程度。Hough［48］根据美国中东部诱发地震和构造地震地震动有效强度分布，分析认为诱发地震的应力降可能低于构造地震。2017年韩国浦项MW5.5诱发地震的应力降也低于2016年庆州MW5.6构造地震的应力降［49］。然而，加拿大西部水力压裂区地震的频谱分析显示，诱发地震的应力降在1～100 MPa之间变化，与构造地震的应力降統计上限相当（0.1～100 MPa）［47］。加拿大不列颠哥伦比亚省北部和美国德克萨斯州北部诱发地震的应力降分别为1～35 MPa［50］和1.18～21.73 MPa［51］，也与构造地震基本相当。此外，应力降计算通常还存在很大的不确定性［2］，因此应力降是否能区分诱发地震和构造地震仍需要更深入的研究。

尽管震源参数不能直接区分诱发地震和构造地震，但根据震源参数反演断层的应力状态和孔隙压力，进而分析孔隙压力变化对断层活化的影响已成为分析注水诱发地震的重要手段。近年来，一些研究利用震源机制反演瑞士巴塞尔地区［52］和意大利L'Aquila地区［53］的孔隙水压变化，分析认为注水诱发了这些地区的地震活动。雷兴林等［3］基于MW≥3.5地震震源机制解分别反演了威远页岩气开发示范区和长宁页岩气开采示范区震源断层的流体超压。结果显示，威远页岩气开采区、长宁上锣页岩气开采区和长宁双河盐矿区的流体增压分别为1.3～10.6 MPa、0.2～3.5 MPa和0.1～67 MPa［3，12-13］，分析认为2018年兴文ML5.7地震和2019年珙县ML5.3地震是水力压裂诱发的地震［13］，而2019年长宁M6.0地震则与这里长达40年的注水采盐活动有关［12］。

3 诱发地震的发生机制

工业注水导致的诱发地震，一般认为是注水改变了断层的应力状态，引起断层活化，其发生机制主要包括两种：流体注入的直接压力效应和流体注入导致固体孔弹性应力的变化［5］，两者的区别在于注水储层与发震断层是否存在水力连接（图4，表1）。

（1） 流体注入的直接压力效应

自20世纪60年代中期美国科罗拉多州丹佛地区诱发地震［6］和随后在Rangely油田的实验研究［26］以来，孔隙压力增加就已被认为是石油和天然气开采诱发地震的主要原因，其发生机制可以用有效应力定律来解释［54］，即：

Δτ=μ（Δσn-ΔP） （1）

式中：Δτ和Δσn分别为剪切应力变化和正应力变化;ΔP为孔隙压力变化;μ为断层上的摩擦系数，通常在0.6～0.8之间。Δσ′=Δσ-ΔP为有效正应力变化。当注水引起孔隙压力增加时，断层的有效应力降低，反映断层应力状态的莫尔圆会整体向左偏移，处于临界应力状态的断层就会发生滑动，诱发地震活动（图5）。例如，美国俄克拉何马州的诱发地震主要发生在2～5 km的注水储层和地壳上基底内，分析认为高速废水处理井的流体运移可能是引起地震活动显著增加的原因［8］。在俄亥俄州Youngstown水力压裂区，诱发地震沿原生断层从注水井附近向外迁移，表明高流体压力的扩散使孔隙压力沿其路径增加，逐步触发了地震活动［55］。在加拿大阿尔伯塔省Fox Creek地区，诱发地震的定位结果也显示注水井与原生断层存在近乎直接的接触，因此孔隙压力增加诱发了大部分地震［19］。

显然，工业注水只有扩散到断层面上才能影响断层的应力状态。但在油气开采过程的高压水一般被注入到低渗透性的沉积层中，孔隙压力扩散受到页岩等沉积层低渗透率的抑制［56-57］，影响诱发地震的时空演化。如在美国俄克拉荷马州高压流体被注入到近乎密封的地层中，因而地震活动从注入开始后近20年，且注水压力大幅增加后5年才显著增加［28］。

（2） 流体注入导致固体孔弹性应力的变化

除了直接的流体增压作用，工业注水也可以引起周边岩石变形，通过孔弹性应力变化影响周边断层的应力状态，诱发地震活动［58］。由于孔弹性应力主要通过岩石框架传递，因此注水引起的应力变化可以延伸到孔隙压力扩散以外的区域，在没有流体压力连接的情况下改变断层的加载条件，诱发地震活动（图4，表1）。如美国俄克拉何马州 Fairview地区的注水活动诱发了40 km外断层的地震活动［42］。在法国东南部的原位注入实验中，诱发地震没有发生在加压区内，反而发生在周边岩体中［7］。Murphy等［59］的数值模拟也表明注水引起的应力扰动可以影响周边非连通断层的应力状态。

相比与持續数年的工业废水处理，页岩气开采水力压裂的注水时间一般只持续数小时到数天。由于页岩的低渗透性，孔隙压力扩散很难在这个时间尺度上对周边断层产生应力扰动，因此孔弹性应力传递可能比孔隙流体扩散对地震活动的影响大［56，60］。例如，Deng等［60］利用孔隙弹性模型计算各向异性介质中注水引起的固体应力变化和流体压力扩散，结果表明固体应力变化对液体注入的反应更快，因此孔弹性应力在页岩气开采中对诱发地震起主导作用。Yang等［23］分析认为水力压裂通过孔弹性应力传递诱发了2019年2月荣县—威远ML4.9（MW4.3）地震。

（3） 注水引起断层稳滑传播的诱发作用

前述的诱发机制，主要讨论了工业注水对断层滑动的应力扰动作用。然而，流体注入引起断层活化是一个复杂的过程，它依赖于流体压力和断层摩擦的相互作用［61］。除了地震活动，注水也可能引起断层的稳定滑动，如法国南部原位实验的测量结果［7，62-63］显示，注水引起了断层稳滑，滑动速率仅为～0.01 mm·s-1［7］。美国南加州布劳利地热田的高压注水也引起了浅部正断层的稳滑，随后才诱发了两次M～5地震［64］。室内岩石实验也观察到了注水引起的断层稳滑［65］。

近期的研究表明，注水引起断层稳滑传播到断层的发震部分可能也是一种潜在的地震诱发机制［66-67］，如美国南加州布劳利地热田的高压注水引起了浅部正断层的稳滑，随后诱发了两次M～5地震［64］。在这种情况下，注水引起附近断层稳滑，并逐渐对断层系统中不稳定段落施加载荷，导致断层不稳定滑动，诱发地震活动（图4，表1）。由于孔隙压力驱动断层稳滑的滑移面可以超过孔隙压力的扩散面，所以断层稳滑诱发的地震一般发生在孔隙增压以外的区域［7，67］。

（4） 裂缝表面的化学性质变化诱发地震

除了断层应力，干热岩开采和深部碳酸盐热储存等工业注水也可能通过固-液-热-化学等多场耦合作用引起断层内物质的化学变化。一方面改变断层的摩擦系数。当摩擦系数减小时，容易诱发微震，反之则容易诱发较大震级的地震事件［68］。另一方面改善断层的渗透性，使孔隙水更容易扩散到发震断层，降低断层的有效应力，诱发地震活动。如雷兴林等［3］分析认为四川长宁双河盐矿长期的高压注水融化了岩盐，使得周围的白云岩层通过直接暴露或渗透性较好的断层带与高压水连通，为发生震群性地震活动提供了条件。

此外，最近的研究还表明，孔隙压力增加引起小地震的级联触发效应可能也是一个重要诱发机制［69］。

显然，工业注水可以改变断层应力状态和摩擦强度，从而诱发地震活动，但断层能否发生地震由断层构造应力决定，工业注水仅起到应力扰动的作用。根据地震应力触发的研究结果，应力扰动只有当断层处于临界应力状态时，才能引起断层失稳，诱发地震活动［70-73］。因此，讨论工业注水对地震的诱发作用时，既需要考虑区域应力场和现今地壳应力状态，也要考虑已有断层与区域应力场的关系，特别是优势产状断层应力的临界水平。

4 最大可能震级的估计

随着工业注水的快速增长，全球多个地区都发生了破坏性诱发地震，如美国俄克拉荷马州的布拉格MW5.7地震［28］、波尼MW5.8 ［14］、韩国浦项MW5.5地震和我国四川盆地的长宁MS6.0地震［3，12］。预测特定场地的最大可能震级和发生概率对评估地震灾害风险至关重要［27］。

一些研究认为，注水诱发地震的最大可能地震与注入参数相关。例如，Mcgarr［74］分析注水诱发地震实例表明，诱发地震的最大震级受到流体注入总量的限制，地震矩与累积注入量ΔV成正比，即，MO（max）=GΔV，G为剪切模量。Dieterich等［75］的模拟结果也表明，诱发地震的最大震级与注水量存在类似的比例关系。由于很多与废水处理、水力压裂和增强型地热开发有关的注水诱发地震都满足上述关系，基于注水参数预测最大诱发震级的方法已被用于指导注入策略的制定［76-77］。然而，最近的研究显示一些区域的诱发地震可以远超过McGarr模型预测的上限值。如在加拿大西部沉积盆地的水力压裂中，相对较小的总注水量诱发的地震大于McGarr模型预测的震级上限［9，78］。韩国浦项增强型地热开发诱发的MW5.5地震也远大于McGarr模型预测的最大震级（MW3.7）［34］。而美国中部诱发地震的另一项统计研究指出，诱发地震主要受注水速率影响，与总注入量和注水压力关系不大，控制注入速度可能是降低潜在诱发地震风险的有效途径［16］。因此，最大诱发震级与注水参数的关系仍是一个重要且需要进一步研究的问题。

除了注入参数，诱发地震的震级也受断层结构和应力水平等构造因素的影响。例如，van der Elst等［79］提出当流体诱发预存断层地震滑动时，地震的最大震级应满足G-R关系，且没有上限。数值模拟则表明，断层应力水平控制了诱发地震的破裂方式，影响地震震级。例如，Gischig［80］模拟了均匀剪应力下一维断层的准动态破裂。结果显示，工业注水引起的断层滑动存在两种截然不同的破裂行为。当断层的背景应力水平较高时，断层滑动在压力增加区内成核并向外扩展，表现为失稳型破裂，地震震级由断层大小和断层应力水平等构造因素决定;当断层的应力水平较低时，破裂仅在压力增加区内扩展，诱发地震的震级受注水影响区大小限制。近期，关于局部应力扰动对断层滑动影响的理论模型分析显示，引起断层失稳的扰动应力与构造应力的归一化参量t′s成反比（图6），表明构造应力是影响诱发地震破裂方式的重要因素。在这个模型中，断层呈周期性失稳，t0和Tinter为地震活动周期的开始时间和长度，ts为扰动开始的时间，那么t′s=（ts-t0）/Tinter为扰动时断层处于失稳周期中的位置，反映了断层应力的临界程度。当应力扰动作用到临界应力断层或断层段时（t′s=0.9），断层破裂可以突破扰动范围，扩展到断层的边界［图7（a）］，其震级由断层的大小控制;断层应力的临界度较低时（t′s=0.7时），扰动仅诱发了断层的局部破裂［图7（b）黑框］，且破裂范围受扰动边界控制［图7（b）虚线］，震级受扰动范围影响［81］。然后在构造应力作用下，断层发生整体滑动失稳［图7（b）］。非均匀剪应力下二维断层模型［75］、基于速率-状态本构关系的流体力学耦合模型［82］和断裂力学模型［83］研究也获得了类似的结果。对于发生在压力增加内的地震破裂，地震震级与注水体积的关系也与观测到的诱发地震一致［83］。

此外，一些研究認为断层渗透率也可以影响断层的破裂方式，影响地震的震级，如Cappa等［84］利用流体力学模型研究渗透率增强对压力扩散和断层滑移增长的影响。当断层渗透率增大时，断层滑移可以扩展到受压区以外区域;当断层渗透率与初始滑移相一致时，断层滑移仍保持在受压区后方。

5 讨论

5.1 主要认识

目前，在世界多个地区都观测到了注水诱发的地震活动。针对注水诱发地震实例，国内外学者已开展了大量的研究。结果表明，无论是与工业废水处理有关的长期缓慢的低压注水［5，14，22，40］，还是与水力压裂相关的快速的高压注水［9，13，17-18，23］都可以诱发地震活动。然而，并不是所有的工业注水都会诱发地震，注水诱发地震在不同地区、不同构造部位和不同井段之间都存在很大差异［3］，许多注水活动也没有诱发明显的有感地震。注水区的地质构造是决定注水能否诱发地震的关键因素。越来越多的研究表明，已存断层的快速滑动是诱发地震的必要条件之一，在评估工业注水对地震的诱发作用时既要分析注水区的区域应力场和现今地壳应力状态，也要分析断层的规模、密度和应力模式，重点分析具有优势产状断层的成熟度和滑动稳定性。因此，工业注水区的应力场反演和断层稳定性分析对评估诱发地震风险具有重要意义。

注水诱发地震的最大可能震级是地震危险性分析的一个重要参数。现有研究通过统计和分析方法建立最大可能震级与压力、体积和速率等注入参数相关的预测模型［74-75，83］。然而，较大的诱发地震是已存断层活化的结果［12，17，56］，van der Elst等［79］的研究表明，注水诱发预存断层地震滑动时，地震的最大震级应满足G-R关系，且没有上限。关于注水诱发地震数值模拟研究显示，诱发地震的最大可能震级与断层构造应力相关，低应力断层上注水诱发地震的最大震级受注水参数影响，而临界应力断层上诱发地震的最大震级主要由断层大小和应力状态等构造因素决定［81-83］。在实际应用中，断层和注水参数都存在相当大的不确定性，很难准确地评估构造因素和注水参数与最大震级的关系，但相关研究成果可为制定油气开采策略，减轻诱发地震灾害提供参考。

虽然注水诱发地震已经取得了许多重要进展，但判断一个地震是诱发地震还是构造地震仍然是一个具有挑战性的科学问题。研究显示，诱发地震与构造地震在时空聚类特征和平均震源深度等方面存在明显差异［13，17，21，46］，但二者在地震学特征方面没有明显区别［3，13，17，20，47］。因此，识别诱发地震的可靠方法取决于一系列证据链条，包括地震和注入之间的时空相关性，统计模型的参数以及断层活化分析等，需要更深入的案例和模型研究。

根据断层与流体储层的水力连通性，大部分注水诱发地震的发生机制通常归因于孔隙压力扰动或岩石基质体积变形引起的孔隙弹性应力变化［5］。在工业废水处理等长期注水活动中，高压水有足够的时间扩散到周边断层，孔隙压力增加无疑是主要的诱发机理［2，5，8］。然而，在页岩气开采水力压裂中，高压水在数小时到数天内被快速注入到低渗透性的页岩地层中，高压水很难扩散到断层面，岩石基质体积变形引起的孔隙弹性应力变化可能发挥更大的作用。根据速率与状态依赖性摩擦本构关系［85-86］，注水也可能引起断层的稳定滑动，稳定滑传沿断层传播诱发速度弱化段的不稳定滑动也被认为是一种潜在的诱发机制［66-67］。在干热岩开采和深部碳酸盐热储存过程中，流体与断层存在固-液-热-化学等多场耦合问题，因此，注水对断层物质的化学作用同样不能忽视［15，87］。通过化学作用，高压水既可以改变断层的强度，也可以改善断层的渗透性。如四川长宁双河盐矿的长期注水融化了岩盐，改善断层的渗透条件，为诱发地震提供了条件［3］。注水诱发地震是一个复杂的力学过程，是多因素和多机理共同的作用。在某个注水诱发地震的案例中，虽然某种诱发机制可能占主导作用，但其他机制也可能在某个环节发挥重要的作用。因此，在讨论注水诱发地震的案例时，既要分析诱发地震的主要机制，也要考虑不同机制间的共同效应。

上述注水诱发地震的发生机制较好地解释了注水能否引起断层滑动的问题，但不能解决滑动开始后断层的稳性问题。根据速率与状态依赖性摩擦本构关系，断层的摩擦稳定性受岩石物性、局部弹性刚度和断层摩擦性质等因素影响［88-89］，而速度弱化是地震成核的必要条件。在实际震例中，发生在基底断层的诱发地震可能满足这样的条件，但更多诱发地震发生在具有速度强化性质的浅部沉积岩中，如2019年威远ML4.9地震［23］。此外，一些研究表明，恒定剪切应力条件下，孔隙压力变化可以诱发速度强化断层的动态滑动失稳［90-91］。因此，地壳浅层断层，特别是沉积岩断层的摩擦性质和孔隙压力变化对断层摩擦特性的影响都是需要深入探究的问题。

5.2 对我国注水诱发地震风险防控的启示

随着非常规能源开采的快速发展，与工业注水有关的诱发地震问题受到了广泛的关注。为确保能源开采顺利进行和社会公众的地震安全保障，我国的学术界、产业界和政府需要加强合作，采用技术措施，制定科学合理的策略，减少或避免地震灾害风险。应采用的技术措施应包括但不限于以下几个方面。

（1） 加强对开采场地的地震安全性评价。我国地处于环太平洋板块、欧亚板块和印度洋板块等板块的碰撞推挤区，构造运动强烈，非常规能源开采面临诱发地震灾害的风险高。加强对开采场地的地震安全性评价，在油气开采前查明断层分布并开展稳定性分析，使井场尽量远离具备发震能力的活断层是减轻诱发地震灾害风险最经济的方法。

（2） 在开采场区建立完善的地震监测系统。世界各地的诱发地震研究表明，实时监测油气生产区域的地震活动，掌握与分析地震资料是评估油气开采诱发地震风险的基础。完善的地震监测系统可以快速测定震源机制和应力降等震源参数、监控注入流体运移状态、优化地震预测模型等，为评估注水作业过程的诱发地震风险提供技术支撑。

（3） 建立诱发地震灾害风险管控体系。国外的应用实践表明，面向风险分级管控和辅助科学决策的红绿灯系统（Traffic Light System，TLS）可为一线生产提供实时施工指导，是可操作、有可能避免较大地震发生的基本措施。在地震监测的基础上，综合利用观测数据、统计模型、物理模型和数值模拟相结合的方法进行诱发地震风险预测、评估和管理，建立多方联动的风险管控和应急处置体系，是降低诱发地震灾害风险的有效途径之一。

5.3 未来的研究方向

（1） 诱发地震的活动特征研究

现有研究结果显示，诱发地震与构造地震在地震学特征方面没有明显区别，注水与地震的时空相关性仍是推断诱发地震的重要依据。关于地震与注水时空相关性的标准目前缺乏严格的科学论证。此外，注水诱发地震在不同地区、不同构造部位、不同井段和不同注水类型之间存在很大的差异，也有许多注水活动没有诱发明显的有感地震。判定注水是否诱发地震活动，或识别某个地震是否为注水诱发地震取决于地震和注入之间的时空相关性，统计模型参数以及断层活化分析等一系列证据链条。关于诱发地震的活动特征研究，仍需要进一步深入地开展案例研究，通过地震定位、震源机制反演、地震学参数计算、地震统计分析等，建立诱发地震基础数据库，服务于破坏性地震预测和灾害风险评估。

（2） 诱发地震发生机理研究

注水诱发地震总体上被认为与注水区岩石的应力状态改变和断层活化有关。 其发生机理涉及孔隙压力扩散、固体孔弹性应力变化、断层稳滑传播、裂隙表面化学性质变化和地震相互触发等多个物理过程。现有关于诱发机理认识的震例分析表明，注水诱发地震是一个复杂的力学过程，是多因素和多机理共同作用的结果，其具体的物理演化过程仍是诱发地震研究的重要发展方向。此外，现有关于诱发地震机理的研究主要关注断层活化的条件，对断层滑动稳定性的讨论较少。根据断层摩擦理论，断层滑动稳定性由其速度依赖性性质决定，因此注水区岩石的摩擦稳定性和注水对断层摩擦性质的影响也是诱发地震机理研究的重要方向。一方面，需要通过更多的案例研究来积累基础数据并建立分析模型的边界条件;另一方面，也需要开展系统的岩石实验和数值模拟研究，探索流体注入的作用过程和控制断层滑动的关键因素。

（3） 诱发地震的监控技术和前瞻性预测研究

精准、可靠、实时的微地震活动有助于识别未知断层和断层活化的早期迹象，是注水诱发地震灾害风险管控的重要基础。为了评估工业注水诱发破坏性地震的风险，需要监测到尽可能小的地震，了解其时空演化。因此，井下和地表密集微震监控系统、高精度微震定位和震源参数测定技术等也是诱发地震研究的一个重点方向。

另外，破坏性诱发地震的前瞻性预测也是减轻注水诱发地震灾害风险的重要手段。由于较大诱发地震是断层活化的结果，因此潜在地震的最大震级由已存断层的大小确定，并受注水活动和注水参数影响。在现有的诱发地震案例中，大部分地震都满足G-R关系的统计预测，但也有部分地震超出了G-R关系的预期值，表现为极端事件。因此，破坏性地震的前瞻性预测也是需要进一步研究的紧急问题。

6 结论

本文回顾了注水诱发地震、诱发机理以及最大震级等领域的研究进展，获得以下认识：

（1） 较大的诱发地震是已存断层活化的结果。诱发地震的最大可能震级由断层大小和应力状态等地质条件决定，受注入压力和累积注入量等注入参数影响。

（2） 诱发地震与构造地震在地震学特征方面没有明显区别，识别诱发地震的可靠方法取决于地震和注入之间的时空相关性，统计模型的参数以及断层活化分析等一系列证据链条。

（3） 根据断层与流体储层的水力连通性，诱发地震的机制通常归因于孔隙压力扰动或岩石基质体积变形引起的孔隙弹性应力变化。此外，注水誘发的断层稳定滑动传播到断层的孕震部分、流体的化学作用和小地震级联触发效应也在流体注入诱发地震中发挥了重要的作用。

（4） 分析和总结注水诱发地震的研究成果和进展，可以为注水诱发地震的机制研究和防灾策略制定提供科学参考。

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