人类活动是否会引发地震？

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转载自公众号：原理

微信号：principia1687

作者： T· Candela

据调查发现，自2009年以来，因人类活动而造成的地震数量在美国中西部地区急剧上升。大部分这些事件是由在石油与天然气的开采过程中产生的大量废水回注所造成的。 2016年2月，在几次重大地震事件（震级高达5.8）发生之后，美国俄克拉荷马州的监管机构呼吁降低注入率。

在大西洋的另一边，荷兰格罗宁根地区在开采了天然气之后，地震数量也达到了空前的地步。在2012年8月发生了一次致使房屋结构损坏的3.6级地震事件之后，荷兰政府对开采量进行了削减。而深入地对这两例诱发地震活动进行研究后发现，它们背后的成因机制差异很大；但在这两种情况下，先于地表下岩石活动的自然条件都起着主导作用。

○ 在格罗宁根附近的贝杜姆，一栋已被疏散的房屋因消耗引发的地震而受到损害。 | 图片来源：HUISMAN MEDIA/ANP/NEWSCOM

五十年前，地质学家就确定了地底深层的流体注入会导致孔隙压力在原有断层中上升，从而降低断层的强度并可能导致其失效。相反，在深层进行流体开采则会降低孔隙压力，从而导致岩石层的压实（compaction）；上升的岩石压力会导致原有断层的失效。

在这两个案例情况下，两个影响诱发地震的因素分别为：运行参数（例如注入或产生的废水体积）和自然条件（例如原有断层的存在以及其周围环境的应力水平）。通常，运行参数被认为占有更主导性的地位，但这反映的或许正是由于对原有断层的位置及其环境应力水平的了解有限。要使监管措施能有效地减轻诱发地震活动，那么理解这些先于人类活动存在的自然条件就至关重要。

最近，有的研究已经开始在流体注入或产生之后展开测量，以帮助验证在流体力学建模中，对由流体注入或产生而导致的孔隙压力和应力变化结果的预测。例如，在对美国中西部地区的地震事件分析中，研究人员找到了孔隙压力的增加与地震发生之间的联系。从InSAR（干涉合成孔径雷达）获得的地表形变测量结果表明，孔隙压力仅增加 0.1 MPa，就会影响到距离注入井约10到30公里位置所出现的诱发事件。

这些数据表明的是废水回注会引起地震活动的机制（见下图）。在废水回注过程中，孔隙压力波前沿着含水层处理系统中具有高渗透性的渠道，从注入井中四散。一旦压力波前抵达与储层地下底层相交的大断层，并且接近构造再活化区域的话，那么即便是再小的压力增长也能触发地震。为了支持这一概念模型，统计评估显示，与净注水量相比，注水点和底层之间的距离与地震活动有更高的相关性。为了减轻诱发地震，对断层的存在及其周围应力水平的认识是至关重要的。

○ 诱发地震活动的机制。废水的注入和天然气的开采都能引起诱发地震。从美国中西部地区和格罗宁根的详细观测表明，在两种情况下，地壳中存在的先存条件是至关重要的。| 图片来源：BICKEL/SCIENCE

在格罗宁根的天然气田里，沉降测量现在被常规地应用于校准模拟中的储层压实。通过沉降测量表明，已观测到的地震活动多集中于高压实和高沉降区域，从而证实了压实和地震活动之间的因果关系。但是，除了储层压实之外，只有当有断层出现的情况下，才能让模型的预测结果与观测结果之间呈现良好匹配。然而在注入活动发生之前，美国中西部地区易发生地震的断层往往没有被绘制出来；而对于格罗宁根气田来说，地质学家则掌握了其详细的地下信息，它包含600多个原有断层。

研究表明格罗宁根地区的天然气开采，会通过以下机制诱发地震活动（见上图）。在天然气生产过程中，储层的压实会导致应力沿着断层累积。由于断层原本就有的偏移，具有不同压实级别的储层部分会沿着断层保持接触。这种有差异的压实可以放大积累的断层应力，从而加速地震的发生。

据记录，格罗宁根地区的诱发事件只发生在当储层孔隙压力减少〜10 MPa、导致岩石应力也增加相应的等级时。这通常被认为是在开采进行之前，大多数格罗宁根的断层还远不到构造再活化的证据。这一观察结果与俄克拉荷马州的情况形成鲜明对比。在俄克拉何马州，压力只需浮动约0.1 MPa，就可能引发地震。这表明那里的地壳受到了严重的应力，也就是说，它包含了一系列接近失效的断层，只需通过轻微的应力扰动就能将其重新激活。

通过对这两例情况进行对比，地质学家得出的结论是，诱发地震的时间和位置会受到先于地表下活动的原有断层和周围环境应力条件的空间分布和几何结构的影响。但是这些诱发事件的规模有多大呢？一个可行的假设是诱导破裂仍会受到因流体压力或应力变化影响的岩石体积的限制。而更新的研究对这一假设提出了挑战，它们指出，在诱发地震中，破裂的也可能是那些在不受流体影响的岩石。在这种情况下，诱发地震的最大规模可能受到沿着断层应力的自然原有波动的影响，与自然地震的情况相同。

无论是美国中西部地区的流体注入，还是在格罗宁进行的天然气开采，一系列的证据都强调了，在人类开展地下活动之前就存在的那些原有断层及其应力水平，在诱发地震中所起到的中心作用。仅依靠运行参数（例如注入或产生的体积）来作为减轻诱发地震的缓解措施，或许可被用作为一个初级近似，但很大程度上更多的附加值取决于断层数量和环境应力的地下特征。

在对地表下岩石信息了解欠佳的情况下，连续监测地震活动有助于发现未知的断层。对于这种操作，人工智能应该是优化实时地震检测和定位能力的关键。这些原有断层的应力状态能通过流体力学建模来加以定义，通过用那些与运行参数无关的测量来进行校准，例如从InSAR导出的地表变形。

与其将地表下岩石视为一个受井下作业影响而发生变化的均匀容器，连续的基于数据和物理学的建模方法应包含所有受影响岩体的性质，包括储层和断层的性质。只有这样才能优化针对诱发地震活动的缓解策略，例如在高风险区域进行有针对性的注入或减少产量。

撰文：Thibault Candela、Brecht Wassing、Jan ter Heege、Loes Buijze

翻译：二宗主

原文标题为“How earthquakes are induced”，首发于2018年5月11日的《科学》杂志。原文链接：http://science.sciencemag.org/content/360/6389/598。中文内容仅供参考，一切内容以英文原版为准。

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