什么是诱发地震?
发布时间:2019-07-24

 

转自: 小柴 中科院地质地球所 

我们的地球每时每刻都在发生地震,地震的发生往往是由于板块边界或板块内部的错动和破裂而突然释放能量导致的。在一般情况下,地震的发生与人类的活动无关,但是从20世纪60年代开始,人们发现了许多人类活动引发地震的现象,这就是诱发地震。诱发地震是指由于人类活动改变了地壳应力和应变而引发的地震,这些人类活动包括:油气开采、矿床开采、地热开采、废水注入深井、修建水库等。


全世界人类活动诱发地震分布(1930-2014

 

人类活动示意图

 

油气开采

油气开采诱发地震在于其开采过程中的注水以及开采后的废液处理。目前,原油的开采一般使用三次采油技术,一次采油是靠地层本身的驱动力把油顶出来的,这种形式采油率很低,一般是在5%?15%之间;随着原油的抽取,储层驱动力会慢慢地下降,降到一定程度以后,就得往油层中注水或注入二氧化碳和其他气体来提高地层的压力,把油从地层中挤出来,这是二次采油,采油率在35?40%之间;三次采油主要向地层注入热蒸汽、表面活性剂等,通过增强原油的活动性进一步提高油层的采油率。深井注水可导致地层构造应力场变化,使得岩层发生破裂,首先发现向深井注水诱发地震的现象是在美国的科罗拉多州,Rangely油田位于科罗拉多州的西北部,从1957年向油层注水加压,以提高原油产量,附近的地震台记录到Rangely附近的地震活动,从196910月到197011月期间有1000多次小地震的发生,诱发地震的数目和大小直接与注水的压力和注水量有关。

原油开采示意图


注水诱发地震原理图

最近十几年特别火的页岩气开采采用水平井水力压裂技术:先从地面打一口竖直井,进入储藏页岩气的地层里,再在其中水平打井,用高压泵将99%是水的压裂液注入储层之中,巨大的压力使岩石产生一系列裂缝,将封闭在岩石孔隙中的页岩气联通起来,页岩中的油、气就能顺着裂缝流出。水力压裂这一过程通常伴随着地震事件,这些地震震级一般在1以下,以至于在地表无法被感觉到。但是较大的震级并不排除,例如,在加拿大AlbertaBritish Columbia省的非常规资源中记录了数起规模较大的地震事件(震级M>4)。

水力压裂示意图

在油气开采过程中耗用了大量的水和其他混合液,这些液体在开采过程中注入油气储层中,开采完后又被抽回,同时带出来地层处的重金属、放射性物质等,成为污染性废水。那么这些废水怎么处理呢?目前主流的处理方式是:让来自地下的回归地下,把这些挟带地层深处污染物的废水,直接注入地底深处的砾石层。如果注水区存在天然断层,废水进入后就会产生高孔隙压、对断层起到润滑作用从而导致地震发生。自2009年以来,美国页岩气的主要产区??俄克拉荷马州的地震变得极为频繁,震级为3级的地震从每年12次增加到每天12次,2015421日俄克拉荷马州地质调查局发布了一份声明:“地质勘探局认为,最近发生的大多数地震,尤其是俄克拉荷马州中北部的地震,很有可能是由废水井中的注水引发的。”201693日,俄克拉荷马州波尼附近发生5.8级更强烈的地震,在3个半小时内发生了92.6-3.6级余震,俄克拉荷马州州长宣布当地进入紧急状态,下令关闭当地废水井。


美国中部地震数量(红点最密集的区域是俄克拉荷马州)

 

矿床开采

采矿诱发的地震称为矿震,在地下开矿挖井时会形成大面积空洞,改变了原本稳定的地壳结构,受局部构造应力、采挖附加应力和大地应力场变化的影响,在局部地区形成高应力集中区,在一定的诱发条件下,急剧而猛烈地释放出来,引起强烈的地面晃动和摇动。矿震震源较浅,面波丰富,周期比天然地震的要长,这与矿震所激发的地震波在较浅的地层传播有关。201485号,南非西北省克勒克斯多普区的金矿小镇Orkney附近发生里氏5.5级的地震,震源深度为5.0公里,85日发生84次余震,86日发生31次余震,震级为里氏1.0级至3.8级,这次地震是南非历史上采矿诱发的最大地震。


地下矿井工作

 

地热开采

增强型地热系统(EGS)是一种不需要依靠自然热液对流的新型地热发电技术,过去的地热系统只开发能自然产生的热量、水和岩石渗透性足以提取地热资源的地区。然而,大部分地热能都存在于干燥和不透水的岩石中,EGS技术通过“水力刺激”向岩石中泵入高压冷水来提高渗透率,以增强和创造热干岩中可获取的地热,然而这与诱发地震活动密切相关。美国加州the Geysers地热田周围的诱发地震活动与注水数据密切相关;201711月的5.5级地震发生在韩国Pohang市,造成广泛地破坏,在地震发生的几个月前其附近的EGS进行了注水操作,多项研究认为这次地震是EGS作用诱发的。


增强型地热系统


几次较大的EGS地震事件

 

修建水库

20世纪初开始,各国都广泛修建水库等大型水利工程。人们发现:水库的蓄水可以引发的库区附近地震活动性(地震的次数和地震的震级)明显增高,把其称为水库诱发地震,或简称水库地震。大型水库的蓄水可以增加地层的荷载、增加地层孔隙压力以降低有效应力,从而显著改变下伏断层或裂缝的应力状态,触发地震发生。与其他形式的诱发地震活动相比,水库诱发地震的震级相对较大。水库诱发地震最早于1931年发生在希腊马拉松水库,1967Koynanagar6.3级地震发生在印度马哈拉施特拉邦,震中、余震都发生在Koyna大坝水库下方,这是迄今为止确定的最大震级的水库诱发地震。中国的紫坪铺水库是四川岷江上的一座大型水利枢纽,距2008年汶川地震的震中距离十几千米,20013月正式开工,20059月下闸蓄水,2006年全部建成。关于汶川地震是不是由紫坪铺水库的蓄水引起的,2009年展开了一场关于汶川地震和紫坪铺水库修建关系的学术讨论,有学者认为该水库的修建是“四川大地震的人为诱因”;也有学者认为:从现象学和力学分析上来看,汶川地震与一般的水库地震有很大的不同,汶川地震不是由蓄水引起的水库地震。这种学术上的不同看法不限于汶川地震,对于三峡水库的建设会不会引起诱发大地震,也是当前面临的科学难题。


世界一些主要水库诱发地震表