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​注水井可诱发远距离地震

2018/9/27 16:23:34本站原创 字体:




人工诱发地震是科学家、政府和社会公众广泛关注的重要议题。人们早就知道,水库蓄水、地下采矿、从地下注入、抽采流体或气体,都能够诱发地震。特别是向地下注入流体诱发地震(这里面包括水力压裂,泡沫压裂,污水回灌等),已成为一个研究焦点,因为新的钻井和开采技术需要通过注入法,从地层中取出更多的石油和天然气。

Science曾刊发过美国地质调查局Ellsworth(2013)的一篇论文,专门就注水诱发地震展开讨论。传统理论大都认为,由于流体注入,断层附近岩石孔隙中的流体压力增加,导致断层更易滑动(直接的流体压力扩散效应),或流体注入/抽采导致断层所受的上覆岩层压力发生变化(无直接的水力联系)(图1),进而诱发地震。 



图1 诱发地震的机制示意图(Ellsworth,2013)  



2018年8月31日,加州大学圣克鲁兹分校地球和行星科学教授Emily Brodsky等在Science发表研究论文,认为独立的注水井可诱发约10公里外的地震,与向底层基岩注水相比,向沉积岩注水,水会对周围的岩石产生压强并产生弹性应力,从而对远处断层施加压力,正是这种“孔隙弹性耦合”,影响了岩石将流体应力传递到固体岩基中的能力,从而产生强度更大、距离更远的地震。 


论文提出了两种模式第一种向基岩注入流体,发现诱发地震更倾向于发生在注入井周围,呈密集地震群,在远离注入井的地方,地震数量急剧下降。第二种向沉积岩注入流体,发现诱发的地震数量随着与注入井距离的增大而逐渐下降,呈幂指数关系,并且可能在距离注入井较远处(大于10公里)发生地震。


第一种模式的机制是因为注入使岩石孔隙中的流体压力增加,导致断层更易滑动,与沉积岩相比,结晶基底的岩石更硬并且具有较低的孔隙度,因此孔隙压的增大仅限于井周围的孤立区域,与总应力场的耦合程度较低。


而第二种模式是另一种机制,即“孔隙弹性耦合”,通过注水对周围的岩石产生压强,使岩石产生弹性应变,即孔隙弹性,从而可以在水不进入断层的情况下,对远处断层施加压力,影响范围更广(图2)。 


  自2010年以来, 美国俄克拉荷马州的地震数量激增,每年的地震数量甚至已经超过加利福尼亚州的地震总数。因为无法隔离出单个注水井来进行研究,本研究并没有采用俄克拉荷马州的数据,但他们的发现有助于解释在该地区的人工诱发地震活动范围的广泛性。



图2 诱发地震与离井距离间的函数关系。蓝色和红色区域分别表示注入基岩(蓝色)和上覆沉积层(红色)后诱发地震活动的空间范围大小,灰线代表断层网络  



该发现意味着水力压裂、废水处置、地热开采等方案都需要重新审视并进行必要的修改,关键难题是确定注水井周边诱发地震的空间范围。

但文章也认为,“这项研究结果并不意味着向基岩注水就绝对安全,因为注水的过程中仍可能遇到基岩中的断层,从而进一步引发更大规模的地震。但是这种可能性相对较小,因为基岩中的诱发地震空间范围更小一些。”