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?注水井可誘發遠距離地震

2018/9/27 16:23:34本站原創 字體:





人工誘發地震是科學家、政府和社會公眾廣泛關注的重要議題。人們早就知道,水庫蓄水、地下采礦、從地下注入、抽采流體或氣體,都能夠誘發地震。特別是向地下注入流體誘發地震(這里面包括水力壓裂,泡沫壓裂,污水回灌等),已成為一個研究焦點,因為新的鉆井和開采技術需要通過注入法,從地層中取出更多的石油和天然氣。

Science曾刊發過美國地質調查局Ellsworth(2013)的一篇論文,專門就注水誘發地震展開討論。傳統理論大都認為,由于流體注入,斷層附近巖石孔隙中的流體壓力增加,導致斷層更易滑動(直接的流體壓力擴散效應),或流體注入/抽采導致斷層所受的上覆巖層壓力發生變化(無直接的水力聯系)(圖1),進而誘發地震。 




圖1 誘發地震的機制示意圖(Ellsworth,2013)  




2018年8月31日,加州大學圣克魯茲分校地球和行星科學教授Emily Brodsky等在Science發表研究論文,認為獨立的注水井可誘發約10公里外的地震,與向底層基巖注水相比,向沉積巖注水,水會對周圍的巖石產生壓強并產生彈性應力,從而對遠處斷層施加壓力,正是這種“孔隙彈性耦合”,影響了巖石將流體應力傳遞到固體巖基中的能力,從而產生強度更大、距離更遠的地震。 


論文提出了兩種模式第一種向基巖注入流體,發現誘發地震更傾向于發生在注入井周圍,呈密集地震群,在遠離注入井的地方,地震數量急劇下降。第二種向沉積巖注入流體,發現誘發的地震數量隨著與注入井距離的增大而逐漸下降,呈冪指數關系,并且可能在距離注入井較遠處(大于10公里)發生地震。


第一種模式的機制是因為注入使巖石孔隙中的流體壓力增加,導致斷層更易滑動,與沉積巖相比,結晶基底的巖石更硬并且具有較低的孔隙度,因此孔隙壓的增大僅限于井周圍的孤立區域,與總應力場的耦合程度較低。


而第二種模式是另一種機制,即“孔隙彈性耦合”,通過注水對周圍的巖石產生壓強,使巖石產生彈性應變,即孔隙彈性,從而可以在水不進入斷層的情況下,對遠處斷層施加壓力,影響范圍更廣(圖2)。 


  自2010年以來, 美國俄克拉荷馬州的地震數量激增,每年的地震數量甚至已經超過加利福尼亞州的地震總數。因為無法隔離出單個注水井來進行研究,本研究并沒有采用俄克拉荷馬州的數據,但他們的發現有助于解釋在該地區的人工誘發地震活動范圍的廣泛性。




圖2 誘發地震與離井距離間的函數關系。藍色和紅色區域分別表示注入基巖(藍色)和上覆沉積層(紅色)后誘發地震活動的空間范圍大小,灰線代表斷層網絡  




該發現意味著水力壓裂、廢水處置、地熱開采等方案都需要重新審視并進行必要的修改,關鍵難題是確定注水井周邊誘發地震的空間范圍。

但文章也認為,“這項研究結果并不意味著向基巖注水就絕對安全,因為注水的過程中仍可能遇到基巖中的斷層,從而進一步引發更大規模的地震。但是這種可能性相對較小,因為基巖中的誘發地震空間范圍更小一些。”






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