水力压裂诱发地震研究进展

来源：中科院地质地球所

地震的发生往往造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失，其预测仍是一个国际难题。近些年，随着地球深部能源和空间的开发利用——非常规油气水力压裂（HF）、增强型地热系统（EGS）以及废弃盐水深部灌注（SWD），诱发地震越来越引起科研人员的广泛关注与高度重视（图1）。美国地调局研究发现造成美国中部近年地震增加的主因是废水处理。与美国不同，加拿大的诱发地震主要由水力压裂引起。在英国兰开夏郡，2011年发生的58起地震都与Preese Hall钻井水力压裂相关。由欧盟“地平线2020”计划资助的页岩气勘探开发风险研究项目（SHEER）旨在降低由页岩气勘探开发引起的负面环境效应。然而，目前尚不能准确预测水力压裂诱发地震的发生以及震级大小，对诱发地震的应对策略也有待进一步优化。 

图1 全球诱发地震分布（M代表矩震级，ML代表近震震级）（Atkinson et al., 2020）

加拿大韦仕敦大学的Gail M.Atkinson等人近期在Nature Reviews Earth & Environment上发表了关于水力压裂诱发地震的综述文章，从以下六个方面对其研究进展进行了系统总结：（1）水力压裂诱发地震的触发机理；（2）构造环境与水力压裂诱发地震的关系；（3）诱发地震与天然地震的相似性；（4）水力压裂诱发地震的潜在破坏；（5）水力压裂诱发地震是否可以被预测；（6）水力压裂诱发地震和天然地震的相对风险。文章对未来深地工程引起的诱发地震灾害预防和控制研究有重要的指导意义。

对诱发地震机理的研究揭示触发有感地震需具备以下三个条件：应力扰动、存在相当尺寸的处于临界应力状态的断层，以及两者之间存在直接或间接的偶联机制（即，应力扰动可通过某种方式改变断层原有的应力状态）。当应力扰动造成断层面上的库伦应力超过临界应力时，就会激活断层并引起断层滑动。引起断层激活主要有以下两种效应：（1）孔隙压力升高直接引起断层面正应力减小，或者通过高渗透性渗流通路传递至远距离断层；（2）孔隙弹性效应引起周围应力场的扰动。对于黏土含量高的非常规储层，由于速率强化效应引起的稳定断层无震蠕滑会持续作用于不稳定断层，最终导致其破裂。这一远程触发机制通常作用时间相对较长。总体来说，诱发地震的具体触发机制、触发距离以及其发生的概率在很大程度上取决于区域地质构造条件。由于区域构造地质条件的不同，不同地区诱发地震发生的频率以及震级大小有很大差异。  

在构造地震和诱发地震的区分上，常用方法是地震事件与工业活动之间的时空关联分析。其他方法还有：物理模型判识、统计相关分析以及震源机制区分。传染型余震序列模型（ETAS）被用于识别美国加州和中国四川盆地的诱发地震。以加州为例，诱发地震在统计学特征上表现为高背景速率、快时间衰减序列以及不同的空间聚类属性。然而在特殊情况下，对于二者的区分仅限于大致比例，不能精确到每一口井和每一次地震事件。一些案例分析表明：由水力压裂诱发的微震事件（M<0）可能不存在非双力偶分量，而在M>3的诱发地震事件中双力偶震源机制则占据主导地位，由其引发的应力释放也与浅源天然地震相当。当震级和震源距离相同时，诱发地震造成的地表运动也与天然地震程度类似。这点也从一个侧面说明水力压裂通过对天然断层的活化触发地震。由于诱发地震事件通常发生的深度较天然地震浅，二者造成应力释放和地表运动还是存在差异的。与天然地震类似，诱发地震通常也遵循古登堡-里克特关系式，即：在一定区域足够长的时段内，地震事件发生次数随震级增加呈指数下降。

美国地质调查局通过“你感觉到了吗”报告体系收集了大量由诱发地震事件引起的地表运动信息（图2）。他们比较了天然地震与诱发地震（M>3.5）造成的地表运动，并将观测数据与模型预测曲线进行了比较。破坏的度量标准主要采用两个指标：峰值地面速度（PGV）和修正麦加利烈度（MMI）。后者可以通过经验公式从峰值地面速度（PGV）或者峰值地面加速度（PGA）得到。对建筑物和基础设施造成外观损坏的PGV阈值为1-2cm/s，而对于MMI指标，其有感阈值、轻微损坏和严重损坏的阈值分为别2、6以及7-8。

图2 诱发地震造成的地表运动（Atkinson et al., 2020）。（a）地表运动记录及对应模型预测；（b）由PGV/PGA得到的强度数据及观测值

图2a中的数据点分别为美国俄克拉荷马州（OK）SWD及西加拿大沉积岩盆地（WCSB）HF引起的不同震级的峰值地面速度。蓝实线代表对OK地震事件的模型预测，灰虚线代表对加州天然地震的模型预测。图2b中分别给出了MMI的观测值、中位数以及模型预测曲线，阴影代表MMI观测值25%-75%的区域。可以看出，尽管主控触发机制不同，给定震级和震源距离，天然地震与诱发地震引起的地表运动和感应烈度量级相当。另外，观测值和模型预测曲线也有很高的吻合度。诱发地震事件造成的破坏程度取决于事件震级、与居民区和关键基础设施的距离、造成地表运动的强度以及当地基础设施的易损性。

对于诱发地震灾害预测与风险控制，事前规避已知的断层面并不能有效控制水力压裂诱发地震的发生。因此，最常用的风险控制策略是交通灯预警（TLP）：黄灯预警时降低注水量，红灯预警时停止注水。预警的阈值通常由震级来确定，也可以使用地表运动阈值。但是由于诱发地震引起的灾害严重程度随人口密度等因素而变，不同区域的预警阈值相差很大。TLP预警系统概念简单易懂，操作上只需要少量的输入信息，但本质上是一种被动反馈机制。该策略起作用的前提是停止注水可以消除地震事件并防止大震的发生并且大震之前会有先兆性的小震事件产生，然而实践发现这两个前提很多时候并不成立。  

此外，还有利用物理和统计模型估计事件震级的方法。物理模型方法由于需要的模型尺寸较大、自由参数较多而难以实时应用。统计模型采用从诱发地震时间演化中定义少量参数用以外推并预测大震事件震级，由于易于操作而获得了广泛应用。不同的经验公式也被提出用以描述最大破裂尺寸以及累计地震矩。然而，不满足比例关系的异常值也时有出现（如图3），图中的五个菱形数据点分别代表了五个不同地方发生的诱发地震事件，灰线和黑线分别代表两种不同的累计液体注入量与地震矩之间的线性关系，左上角到右下角的渐变色代表从失控破裂到稳定破裂的过渡，插图给出了A-A'截面不同破裂类型的分布直方图。由于无法准确预测诱发地震的时间、地点及震级，因此地震灾害评估通常只具有概率意义，由此发展起来地震灾害概率分析法（PSHA）。由于模型对灾害预测的不确定性，未来研究还需在PSHA中考虑不同地点的作业参数以优化算法。诱发地震在低中震级区域带来的灾害会远超天然地震，因此在关键基础设施附近进行水力压裂作业时一定要综合运用多种手段确保其安全性。 

图3 累计液体注入量与地震矩之间的关系（Atkinson et al., 2020）

主要参考文献

Foulger G R, Wilson M P, Gluyas J G, et al. Global review ofhuman-induced earthquakes[J]. Earth-Science Reviews, 2018, 178: 438-514.

Atkinson G M, Eaton D W, Igonin N. Developmentsin understanding seismicity triggered by hydraulic fracturing [J]. NatureReviews Earth & Environment, 2020, 1: 264-277.