人为地震的关键因素

人为地震，也就是所谓的诱发地震活动，已经越来越引起人们的关注。这些事件可能发生在流体注入或抽取过程中，例如在石油或天然气储层、废水处理或地热储层中。在少数情况下，更大的所谓“失控诱发地震”的强度足以引起公众关注并停止项目(如2006年瑞士巴塞尔地震)或甚至造成重大损失(2017年韩国浦项地震)。然而，紧张的研究成功地避免了类似2018年赫尔辛基地热项目那样的失控事件。系统地避免大型诱发地震的关键是更好地了解潜在的物理过程。

发表在《科学》杂志上的一项新研究中美国国家科学院学报王磊博士和他在GFZ“地质力学和科学钻探”部门的同事以及来自挪威奥斯陆大学的研究人员报告称，地质储层中预先存在的断层的粗糙度和相关的应力异质性在导致此类失控事件中起着关键作用。

该研究将GFZ地质力学实验室在声学监测下进行的新型流体注入实验与数值模拟结果相结合。

“我们在实验室实验中发现，岩石中粗糙和光滑的断层表现完全不同。

“这是一个令人兴奋的观察结果，因为我们证明了微地震活动的渐进定位，表明在流体注入期间发生大规模诱发事件之前发生了应力转移，”设计并执行实验和建模的第一作者王博士说。

实验室中注射诱发的地震活动突出了断层粗糙度的重要作用

沿构造断层的活动断层和裂缝以及地质油藏中预先存在但不活动的断层的粗糙度难以表征。

为了克服在对自然界中的这种断层进行成像或监测时分辨率不足的问题，研究小组将断层的尺寸缩小到分米级，以确定表面粗糙度。

然后使用三轴MTS压缩装置将它们加压至接近临界应力状态。

岩石样本还配备了多个传感器，包括基于压电的实验室地震仪，以监测数千次微小地震，即所谓的声发射，表明受压岩石在破裂前发生了变形。

然后对样品进行流体注入，模拟地质油藏中的流体注入。

“在实验室中控制边界条件和使用密集的监测网络使我们能够对诱发的实验室地震的演变以及缓慢的无震变形进行成像，并得出关键参数，如断层滑动和滑动率，从而提供一个全面的图像来更好地了解注入诱发的地震活动的物理学，”GFZ地质力学和科学钻探部门的教授Georg Dresen说，他负责监督并发起了这项研究。

与光滑断层相比，粗糙断层上的注入诱发滑动会在高应力凸(凹)体周围产生空间局部声发射群。

正是在那里，诱发的局部滑动率更高，同时伴随着相对更多的大型事件。

这种机制通常以“古腾堡-里克特b值”来衡量压力。

流体注入首先通过缓慢的无震滑动重新激活断层带，并仅引起少量的小地震事件，随后是渐进的局部化，最终导致大的诱发事件。

“这项研究对诱发地震具有重要意义:这意味着当实时监测地质油藏中的流体注入时，这可能允许在更大的诱发事件成核之前识别这种局部化过程，从而避免它们，”教授说。

马尔科·博恩霍夫，GFZ地质力学和科学钻探部门的负责人。

实验室规模和现场规模诱发地震的相似性

为了进一步研究地质油藏中地震实验室实验的相关性，作者汇编了大量诱发地震活动的数据集，研究了来自实验室规模和原位流体注入实验以及来自世界各地地热和废水处理项目的油藏规模水力压裂的发射能量与水力能量的关系。

地震注入效率值(即地震释放的能量与流体注入系统的液压能之比)将压力控制破裂与失控破裂区分开来。

与具有高地震注入效率的失控事件相反，表现出扩展压力控制破裂的诱发地震活动通常表现出低得多的地震注入效率。

王博士强调，“我们的实验室观测结果与那些对应于压力控制破裂的现场诱发地震有相似之处，这反映在我们的实验中，诱发的断层滑动在我们停止流体注入后不久就终止了”。

目标是最终控制和避免大规模诱发地震

这项研究是最近开始的一项研究计划的一部分，旨在更好地预测地质水库诱发的地震，并最终预测大型灾难性自然地震。这一举措的一部分是将现场规模的过程带入实验室，在实验室中可以控制边界参数，并可以再现导致地震事件的过程。Marco Bohnhoff总结道:“只有新颖的数据处理方法和调整经典地震学方法来分析地震(现在也在实验室中)，才能为更详细地了解岩石变形过程奠定基础。王(音)和他的合著者现在发表的一项研究揭示了减轻人为地震灾害的潜力，这是将地下地质用于能源储存和提取作为能源转型的关键因素时获得公众认可的先决条件

来源: Materials provided by GFZ GeoForschungsZentrum Potsdam, Helmholtz Centre.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Lei Wang, Grzegorz Kwiatek, François Renard, Simon Guérin-Marthe, Erik Rybacki, Marco Bohnhoff, Michael Naumann, Georg Dresen. Fault roughness controls injection-induced seismicity. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; 121 (3) DOI: 10.1073/pnas.2310039121