地下注水诱发地震的风险管理｜Science述评

来源：ScienceAAAS

评述论文：Managing injection-induced seismic risks (Science 24 May 2019: Vol 364, Issue 6442)

现代社会快速发展，不可避免地出现了一些发展不平衡的问题。例如，清洁能源的获取与地震安全之间的矛盾受到广泛关注 (例如, Langenbruch and Zoback, 2016; Walsh and Zoback, 2016; Lei et al., 2017)。最近Science发表题为“地下注水诱发地震的风险管理”的报告，以韩国浦项地震为例，否定了注水总量决定诱发地震最大震级的猜想，认为以此为基础的现行方法和举措，对地震发生风险考虑不足，难以正确评估和管理诱发地震灾害。

地球深部的热能开发，通常采用“增强地热系统”技术，通过向地下注水，致使新裂隙形成和旧裂隙扩张，在一些不渗水的岩石中生成流体循环的通道，导出和利用热能。但是，不少地热增强项目都遇到了诱发地震的难题，其中2017年韩国浦项地热增强项目诱发了一次高达Mw 5.5的地震。韩国浦项的地热增强项目旨在通过水压致裂，在两口注水井PX-1和PX-2之间打通流体循环通道（图1），进而在低渗透结晶基底区域形成人工地热田，预计电力产能为1.2 MW。但是，PX-2井的高压注水活动诱发了一系列小地震，并最终激活地震断层，于2017年11月15日发生了Mw 5.5地震，造成约七千五百万美元的直接经济损失和至少三亿美元的间接经济损失 (Lee et al., 2019)。与浦项地热增强项目类似，在欧洲、加拿大、美国和其他国家和地区也已经发生了地下注水诱发地震事件，造成了巨大的经济损失 (Lei et al., 2017; van der Baan and Calixto, 2017)。

图1 浦项注水后的地震活动性(改自Lee et al., 2019)

对韩国浦项地震研究表明，在大城市、港口和工业区附近安置地热增强系统，必须考虑地下注水诱发地震的潜在风险。首先，在钻探施工之前，需要弄清楚项目工区是否存在可能发生错动的大型断裂；其次，在钻探过程中应该进行实时监测。当PX-2井掘进到3.8 km深处时碰到未知断层，至少160 m3钻井泥浆流入地层，产生了不少于20 MPa的额外压力，触发了多次微震，可能意味着钻井穿过的这条断层已经达到了应力临界状态。然而，这些微震活动并未引起重视，施工过程中没有意识到这条新断层的严重危害性，也未调整工程进度。因此，如果通过实时监测及时发现断层活化，调整施工方案，可能能够规避地震风险。

一旦向地下注水，就存在诱发地震的潜在风险。诱发地震的大小并非简单地受控于注水量、压力、速度和注水位置，而且与现存的构造条件和能够诱发的地震数量有关。数量越多，出现强震的几率就越高 (vander Elst et al., 2016)。深部隐伏构造活化，可能诱发较大震级的地震，所以仅根据注水量与震级的统计关系设定安全阀值也过于简单。此次浦项地震就是由水力压裂引起的地震活动激活一条隐伏断层，触发了Mw 5.5的主震。因此，诱发地震震级不受注水量的限制，而且地震破裂尺度可能会超出注水岩体的范围 (vander Elst et al., 2016)。已有的几种地震成核模型都不能充分预测主震前断层上的应力变化或压力扰动引发超出压裂范围断层滑动的可能性，所以，进一步发展诱发和触发地震活动的物理和统计模型对评估地震风险非常必要。

对于靠近主要城市，港口和工业中心的高压注水项目，诱发地震风险评估、治理和减灾尤为重要。通过制定地震风险预案，评估可能的后果，确定减灾措施等，建立有效的诱发地震监测、减灾和信息发布机制。在未来的地热增强等注水项目中，项目团队和相关科学机构应致力于全面和持续的地震监测分析，合理评估随注水活动变化的地震灾害风险。相关数据和结果向公众开放，明确沟通渠道，让公众及时了解所面对的地震灾害风险和对应的减灾措施。浦项注水诱发地震事件的教训告诫韩国政府主管部门需要和独立监管审查部门协同建立一套标准的流程，对潜在的诱发地震风险进行持续的评估和审查 (McGarret al., 2015, Lee et al., 2019)。

参考文献

Langenbruch, C., and M.D. Zoback (2016), How will induced seismicity in Oklahoma respond to decreased saltwater injection rates? Science Advances, 2 (11), e1601542, doi: 10.1126/sciadv.1601542.

Lee, K.-K., W.L. Ellsworth, D. Giardini, J. Townend, S. Ge, T. Shimamoto, I.-W. Yeo, T.-S. Kang, J. Rhie, D.-H. Sheen, C. Chang, J.-U. Woo, C. Langenbruch (2019), Managing injection-induced seismic risks, Science, 364(6442), 730-732, doi: 10.1126/science.aax1878.

Lei X., X. Wang, J. Su, H. Fu, G. Jiang, H. Wang (2017), Fault reactivation and earthquakes with magnitudes of up to Mw4.7 induced by shale gas fracking in the Sichuan Basin, China, Scientific Reports, 7: 7971, doi: 10.1038/s41598-017-08557-y.

McGarr,A., B. Bekins, N. Burkardt, J. Dewey, P. Earle, W. Ellsworth, S. Ge, S. Hickman, A. Holland, E. Majer, J. Rubinstein, A. Sheehan (2015), Coping with earthquakes induced by fluid injection, Science, 347(6224),830-831, doi: 10.1126/science.aaa0494.

van der Baan, M., and F.J. Calixto (2017), Human - induced seismicity and large-scale hydrocarbon production in the USA and Canada, Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 18(7), 2467-2485, doi: 10.1002/2017GC006915.

van der Elst, N. J., M. T. Page, D. A. Weiser, T. H. W. Goebel, and S. M. Hosseini (2016), Induced earthquake magnitudes are as large as (statistically) expected, J. Geophys. Res. Solid Earth, 121, 4575–4590, doi: 10.1002/2016JB012818.

Walsh, F. R., and M. D. Zoback (2016), Probabilistic assessment of potential fault slip related to injection induced earthquakes: Application to north-central Oklahoma, USA, Geology, 44(12), G38275.1, doi: 10.1130/G38275.1.