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【前沿報道】PNAS:多孔彈性應力強化的孔隙壓力擴散控制了俄克拉荷馬州的誘發地震活動
2019-11-18 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  由于世界各國能源需求的增加,地熱資源開發、水力壓裂及廢水地下灌注誘發的地震活動正成爲全球性的問題(Ellsworth, 2013)。2008年以來,美國中部和東部地震活動數量的增加就與大量廢水注入深部地層有關。盡管在地震活動監測和流體注入誘發地震潛在機制方面已取得了一些進展,但要成功量化和預測這種地震危害還需要更多研究工作(Frohlich, 2012Shirzaei et al., 2016Goebel et al., 2018)。 

  以美國俄克拉荷馬州爲例,自2008年以來地震頻度增加了900倍(圖1),其中包括45級以上重大地震事件。在俄克拉荷馬州中部地區,從1995年就開始高鹽廢水注入,之後注入量逐年增加,但地震頻度卻從2008年才開始增大並于2015年達到峰值(圖1B)。在俄克拉荷馬州西部地區,自2005年開始廢水地下注入,地震頻度的急劇增加始于2013年,之後地震頻度的飙升才與流體注入速率的迅速上升相吻合(圖1C)。爲應對2015年激增的地震活動並減輕地震災害風險,地方監管機構將2016年地震活躍度較高地區的廢水注入總量減少到2014年總量的40%,之後地震活動相對減弱,但在注入區內地震矩釋放速率仍在飙升,並在2016年底發生了幾個大地震。 

1  1995年至2017年美國俄克拉荷馬州流體注入和地震活動。A.3級以上地震及廢水注入井位置。藍色圓圈表示2008-2017年期間地震,黑色圓圈表示2008年之前地震,三角形代表注入井(根據平均月注入率進行著色和縮放),黑星表示5級以上地震,黑實線是斷裂位置,黑色虛線是Nemaha斷層帶和隆起區,其將俄克拉荷馬分爲中部(CO,紅色框)和西部(WO,藍色框);B.俄克拉荷马中部地区每月总注入量(红线)与地震活动(黑色直方圖);C.俄克拉荷马西部地区每月总注入量(蓝线)与地震活动(黑色直方圖)(Zhai et al., 2019)  

  俄克拉荷馬州的例子表明,流體注入與其誘發地震活動之間的關系是非常複雜的。總體而言,地殼應力變化決定了地震活動性,而地震災害的發生與地震活動性成正比。當流體被注入目標地層後,孔隙壓力發生擴散,地應力場就會受到擾動,從而降低了斷層的抗剪強度並促進了它們的滑動(Shirzaei et al., 2016)。此外,注入誘發地震的最大震級受總注入量、區域構造狀態和局部水文地質條件控制,總地震矩主要與注入量和基底深度相關,而中到大等級的誘發地震受背景構造應力和基底斷層構造決定。以上證據和研究表明,一個成功的誘發地震預測模型需要全面整合控制多孔彈性介質中流體擴散過程和誘發地震成核過程的物理學機制,而當前預測模型中對此考慮不足(Zhai et al., 2018)。 

  針對此問題,美國亞利桑那州立大學Zhai及其合作者通過對俄克拉荷馬州誘發地震區的地質地層、水文地質、地震層析成像、地震活動性遷移、和潮汐應變等分析,構建了同時考慮孔隙壓力和多孔彈性應力的注入流體誘發地震預測模型,相關成果近期發表在PNAS上(Zhai et al., 2019)。研究人員利用該模型求解了地殼中孔隙壓力和多孔彈性應力的時空演化,並計算了總庫侖破壞應力(CFS)(圖2)。在模擬情景中假設全部流體注入于20174月關閉,模拟的孔隙压力、多孔弹性应力和CFS在此之前都增加了,而關閉之后则逐渐衰减。 

2  通過數值模擬得到的平均庫侖應力變化率(CSR)和地震頻度隨時間的變化,A爲俄克拉荷馬中部地區,B爲俄克拉荷馬西部地區。實心藍色和紅色曲線分別是平均CSR和相對地震頻度隨時間的變化序列,藍色和紅色虛線表示孔隙壓力和多孔彈性應力分別對CSR和相對地震頻度的影響,黑色實心圓是3級以上地震活動增量分布(Zhai et al., 2019)

  由圖2可見,平均庫侖應力變化率(CSRCoulomb Stressing Rate)隨時間的變化主要受孔隙壓力擴散的影響,且爲非線性模式。模擬得到的CSR与注入量一致性较好(圖1 B、圖1C),通過敏感性分析還發現孔隙壓力的變化主導著CFS的時空變化。研究人員應用基于速度-狀態定律的地震成核模型(Segall and Lu, 2015)對CFS變化導致的地震次數進行模擬分析。該模型僅適于流體注入之前斷層系統已經受到了較強壓力的情況,而研究區流體注入最多的地層在自然條件下是欠壓狀態的。因此,在流體注入的早期階段,流體被用來補償地層壓力缺欠,只有當流體壓力足夠高以傳播到基底時,它才能觸發地震作用。這就解釋了爲什麽俄克拉荷馬中部和西部的地震活動性分別是在流體注入後13年和8年后才开始剧增的(圖1B、圖1C)。 

  該研究認爲孔隙壓力擴散引起的斷層帶應力擾動是俄克拉荷馬州誘發地震的主要驅動力,而孔隙壓力擴散作用又因多孔彈性應力被強化。研究突出了在多孔彈性介質中流體擴散對誘發地震災害時空演變的關鍵作用,因此將流體擴散機制與地震成核機制相結合對誘發地震預報具有重要意義。 

  主要參考文獻 

  Ellsworth W L. Injection-induced earthquakes[J]. Science, 2013, 341(6142): 1225942.鏈接  

  Frohlich C. Two-year survey comparing earthquake activity and injection-well locations in the Barnett Shale, Texas[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2012, 109(35): 13934-13938.鏈接  

  Goebel T H W, Brodsky E E. The spatial footprint of injection wells in a global compilation of induced earthquake sequences[J]. Science, 2018, 361(6405): 899-904.鏈接  

  Segall P, Lu S. Injectioninduced seismicity: Poroelastic and earthquake nucleation effects[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2015, 120(7): 5082-5103.鏈接  

  Shirzaei M, Ellsworth W L, Tiampo K F, et al. Surface uplift and time-dependent seismic hazard due to fluid injection in eastern Texas[J]. Science, 2016, 353(6306): 1416-1419.鏈接 

  Zhai G, Shirzaei M. Fluid injection and timedependent seismic hazard in the Barnett Shale, Texas[J]. Geophysical Research Letters, 2018, 45(10): 4743-4753.鏈接  

  Zhai G, Shirzaei M, Manga M, et al. Pore-pressure diffusion, enhanced by poroelastic stresses, controls induced seismicity in Oklahoma[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, 116(33): 16228-16233.鏈接  

  (撰稿:董豔輝/頁岩氣室)

 
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