貴陽分部 │ 廣州分部
網站地圖聯系我們所長信箱建議留言│內部網│English│中國科學院
 
 
首頁概況簡介機構設置研究隊伍科研成果實驗觀測合作交流研究生教育學會學報 │ 圖書館 │ 黨群工作創新文化科學傳播信息公開
  新聞動態
  您現在的位置:首頁 > 新聞動態 > 學術前沿
【前沿报道】Nature Geoscience:美国俄克拉荷马州深部废水回注诱发的地震机理研究
2019-11-18 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  2009年以來,美國中部和東部大部分地區中小地震數量顯著增加,尤其是以非常規油氣高産量著稱的俄克拉荷馬州的地震活動在大範圍內急劇增加,引起廣泛關注,這直接影響了正常的油氣開發和地區生存環境的安全。針對上述地區的地震問題,2014年康納爾大學的Keranen等在Science上撰文,建立了地震活動性和水文地質模型,研究了深部注入流體的壓力傳播範圍及其觸發地震的阈值壓力,建立了深部廢水回注與誘發地震理論上的聯系;2015年,斯坦福大學的Walsh and ZobackScience Advances上撰文,將俄克拉荷馬州深部廢水回注作業與地震發生的時間和空間上的關聯性進行了統計分析。目前普遍認爲,深部流體注入導致斷層帶內孔隙壓力增大與(或)流體注入産生的孔隙彈性應力傳遞是導致斷層失穩滑動的主要機制,但是斷層以穩定的無震蠕滑形式發生,還是以非穩定破裂的地震形式發生,很大程度上取決于斷層帶的物質組成簣D虞d條件。盡管人們對流體注入誘發地震的機理有了定性認識,但是對于俄克拉何馬州廢水注入引起的地震問題,由于缺乏地區基底岩石結構方面的研究,很難明確該地區地震發生的過程和機理。 

  爲了研究這一問題,美國俄克拉荷馬大學的Kolawole等研究了俄克拉荷馬南部前寒武紀基底岩石出露區的斷層和裂縫體系,以及地震活動區地下基底的斷層結構特征,並通過實驗確定了基岩的地震穩定性。研究結果首次證明了基底岩石結構與當前地震之間的聯系,揭示了廢水注入與更深的前寒武紀基底岩石之間的聯系和地震震源深度的分布規律,從而解釋了爲什麽俄克拉荷馬州的基底斷層很容易被廢水注入激活,並導致廣泛而強烈的地震活動,研究成果發表在近期的Nature Geoscience上。 

1  俄克拉荷馬州地震與基底岩性。a. 2010-2017年俄克拉荷馬州地震;紅色圓圈代表地震震中;黑色細線代表斷層;Mw>5.0事件震源機制解,綠色爲2011Mw 5.7 Prague地震, 紫色爲2016Mw 5.1 Fairview地震, 藍色爲2016Mw5.8 Pawnee地震,橙色爲2016Mw 5.0 Cushing地震,黑色方块和白色星号表示指定圖形的位置;b. a中标识的圖1b區域特寫,顯示了重新定位的地震(紅圈)的斷層構造與之前所繪制的斷層之間的差異;c. 美國大陸中部前寒武紀地層;d. 前寒武纪基底出露的近距离卫星圖像 (Kolawole et al., 2019)

  他們采用5种独立方法(断层和裂隙网络现场测绘、断裂系统卫星尺度制圖、地下断层结构探测与制圖、地震群线性构造划定及地震震源机制解节点面汇编),发现俄克拉何马州主要的基底构造和最近的地震特征存在显著的关系,在前寒武纪基底内存在一个以不连续带为主的构造组构,其走向为北东-南西和北西-南東(2d),這些已經存在的斷層處于臨界應力狀態,當應力或孔隙壓力擾動達到2 MPa或更小時,可能被重新激活。 

  通過基岩斷層結構地震三維地震結構的研究,他們發現基岩斷層切入了上部的Arbuckle地層(俄克拉荷馬州廢水處理的主要地層)和淺部地層(2c),這個流體運移通道的存在是注水快速觸發地震的重要組成部分。 

2  三維地震數據及結構數據。ab.基于三维地震测量的地下结构地震探测结果,在圖1a(白星)所示的位置,顯示了頂部基底(a)和頂部Arbuckle (b)的时间结构圖相似,曲率和能量比值也相似,黑色箭头表示在ab中檢測到的線性構造特征;白色箭頭表示僅在b中檢測到線性構造(斷層帶);c. 地震剖面沿A –A’(a) 疊加解釋;d. 衛星尺度裂縫、露頭尺度裂縫、地震斷層的頻率-方位玫瑰圖叠加圖和焦平面机制解节点平面,箭头表示俄克拉何马州估计的最大水平压应力(SHmax)方向 (Kolawole et al., 2019) 

3  俄克拉荷馬州地震穩定性和地震的深度分布。a. 俄克拉荷馬州基底岩石樣品的地震穩定性,用速率-狀態-摩擦參數(a-b) 表示,符號表示速度步長平均值,誤差條表示各實驗樣品的取值範圍和深度。金色和黑色虛線分別表示純方解石和Westerly花崗岩的數據;b. 2010年至2017年期間俄克拉荷馬州不同深度地震(本研究)数量的直方圖和累积矩 (Kolawole et al., 2019)

  此外,該研究通過俄克拉荷馬基底岩石和熱液蝕變産物的岩石力學研究發現,這些岩石在3-6 km的深度條件(溫度、壓力和飽和度)下變得不穩定(3),由這些岩石組成的斷層帶,可能在>3 km深處形成地震破裂而非蠕變滑動。這種向不穩定滑移的過渡很好地解釋了震中和地震矩集中在3–6 km处的原因(圖3),也解釋了注水較少誘發3 km以內地震的原因。     

  主要參考文獻 

  Kolawole F, Johnston C S, Morgan C B, et al. The susceptibility of Oklahoma’s basement to seismic reactivation[J]. Nature Geoscience, 2019, 12(10): 839-844.鏈接 

  Keranen K M, Weingarten M, Abers G A, et al. Sharp increase in central Oklahoma seismicity since 2008 induced by massive wastewater injection[J]. Science, 2014, 345(6195): 448-451.鏈接 

  Walsh F R, Zoback M D. Oklahoma’s recent earthquakes and saltwater disposal[J]. Science Advances, 2015, 1(5): e1500195.鏈接 

(撰稿:趙海軍/頁岩氣與工程室)

 
地址:北京市朝阳区北土城西路19号 邮 编:100029 电话:010-82998001 传真:010-62010846
版权所有© 2009- 中國科學院地质与地球物理研究所 京ICP備05029136號 京公網安備110402500032號