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              什么是誘發地震
              2023-09-28 11:32:42

                  我們的地球每時每刻都在發生地震,地震的發生往往是由于板塊邊界或板塊內部的錯動和破裂而突然釋放能量導致的。在一般情況下,地震的發生與人類的活動無關,但是從20世紀60年代開始,人們發現了許多人類活動引發地震的現象,這就是誘發地震。誘發地震是指由于人類活動改變了地殼應力和應變而引發的地震,這些人類活動包括:油氣開采、礦床開采、地熱開采、廢水注入深井、修建水庫等。

              全世界人類活動誘發地震分布(1930-2014)
               

              人類活動示意圖

              油氣開采

                  油氣開采誘發地震在于其開采過程中的注水以及開采后的廢液處理。目前,原油的開采一般使用三次采油技術,一次采油是靠地層本身的驅動力把油頂出來的,這種形式采油率很低,一般是在5%—15%之間;隨著原油的抽取,儲層驅動力會慢慢地下降,降到一定程度以后,就得往油層中注水或注入二氧化碳和其他氣體來提高地層的壓力,把油從地層中擠出來,這是二次采油,采油率在35—40%之間;三次采油主要向地層注入熱蒸汽、表面活性劑等,通過增強原油的活動性進一步提高油層的采油率。深井注水可導致地層構造應力場變化,使得巖層發生破裂,首先發現向深井注水誘發地震的現象是在美國的科羅拉多州,Rangely油田位于科羅拉多州的西北部,從1957年向油層注水加壓,以提高原油產量,附近的地震臺記錄到Rangely附近的地震活動,從1969年10月到1970年11月期間有1000多次小地震的發生,誘發地震的數目和大小直接與注水的壓力和注水量有關。

              原油開采示意圖
               

              注水誘發地震原理圖
               

                  最近十幾年特別火的頁巖氣開采采用水平井水力壓裂技術:先從地面打一口豎直井,進入儲藏頁巖氣的地層里,再在其中水平打井,用高壓泵將99%是水的壓裂液注入儲層之中,巨大的壓力使巖石產生一系列裂縫,將封閉在巖石孔隙中的頁巖氣聯通起來,頁巖中的油、氣就能順著裂縫流出。水力壓裂這一過程通常伴隨著地震事件,這些地震震級一般在1以下,以至于在地表無法被感覺到。但是較大的震級并不排除,例如,在加拿大Alberta和British Columbia省的非常規資源中記錄了數起規模較大的地震事件(震級M4)。

              水力壓裂示意圖

                  在油氣開采過程中耗用了大量的水和其他混合液,這些液體在開采過程中注入油氣儲層中,開采完后又被抽回,同時帶出來地層處的重金屬、放射性物質等,成為污染性廢水。那么這些廢水怎么處理呢?目前主流的處理方式是:讓來自地下的回歸地下,把這些挾帶地層深處污染物的廢水,直接注入地底深處的礫石層。如果注水區存在天然斷層,廢水進入后就會產生高孔隙壓、對斷層起到潤滑作用從而導致地震發生。自2009年以來,美國頁巖氣的主要產區——俄克拉荷馬州的地震變得極為頻繁,震級為3級的地震從每年1到2次增加到每天1到2次,2015年4月21日俄克拉荷馬州地質調查局發布了一份聲明“地質勘探局認為,最近發生的大多數地震,尤其是俄克拉荷馬州中北部的地震,很有可能是由廢水井中的注水引發的。”2016年9月3日,俄克拉荷馬州波尼附近發生5.8級更強烈的地震,在3個半小時內發生了9次2.6-3.6級余震,俄克拉荷馬州州長宣布當地進入緊急狀態,下令關閉當地廢水井。

              美國中部地震數量(紅點最密集的區域是俄克拉荷馬州)

              礦床開采

                  采礦誘發的地震稱為礦震,在地下開礦挖井時會形成大面積空洞,改變了原本穩定的地殼結構,受局部構造應力、采挖附加應力和大地應力場變化的影響,在局部地區形成高應力集中區,在一定的誘發條件下,急劇而猛烈地釋放出來,引起強烈的地面晃動和搖動。礦震震源較淺,面波豐富,周期比天然地震的要長,這與礦震所激發的地震波在較淺的地層傳播有關。2014年8月5號,南非西北省克勒克斯多普區的金礦小鎮Orkney附近發生里氏5.5級的地震,震源深度為5.0公里,8月5日發生84次余震,8月6日發生31次余震,震級為里氏1.0級至3.8級,這次地震是南非歷史上采礦誘發的最大地震。

              地下礦井工作

              地熱開采

                  增強型地熱系統(EGS)是一種不需要依靠自然熱液對流的新型地熱發電技術,過去的地熱系統只開發能自然產生的熱量、水和巖石滲透性足以提取地熱資源的地區。然而,大部分地熱能都存在于干燥和不透水的巖石中,EGS技術通過“水力刺激”向巖石中泵入高壓冷水來提高滲透率,以增強和創造熱干巖中可獲取的地熱,然而這與誘發地震活動密切相關。美國加州the Geysers地熱田周圍的誘發地震活動與注水數據密切相關;2017年11月的5.5級地震發生在韓國Pohang市,造成廣泛地破壞,在地震發生的幾個月前其附近的EGS進行了注水操作,多項研究認為這次地震是EGS作用誘發的。

              增強型地熱系統
               

              幾次較大的EGS地震事件

              修建水庫

                  20世紀初開始,各國都廣泛修建水庫等大型水利工程。人們發現:水庫的蓄水可以引發的庫區附近地震活動性(地震的次數和地震的震級)明顯增高,把其稱為水庫誘發地震,或簡稱水庫地震。大型水庫的蓄水可以增加地層的荷載、增加地層孔隙壓力以降低有效應力,從而顯著改變下伏斷層或裂縫的應力狀態,觸發地震發生。與其他形式的誘發地震活動相比,水庫誘發地震的震級相對較大。水庫誘發地震最早于1931年發生在希臘馬拉松水庫,1967年Koynanagar6.3級地震發生在印度馬哈拉施特拉邦,震中、余震都發生在Koyna大壩水庫下方,這是迄今為止確定的最大震級的水庫誘發地震。中國的紫坪鋪水庫是四川岷江上的一座大型水利樞紐,距2008年汶川地震的震中距離十幾千米,2001年3月正式開工,2005年9月下閘蓄水,2006年全部建成。關于汶川地震是不是由紫坪鋪水庫的蓄水引起的,2009年展開了一場關于汶川地震和紫坪鋪水庫修建關系的學術討論,有學者認為該水庫的修建是“四川大地震的人為誘因”;也有學者認為:從現象學和力學分析上來看,汶川地震與一般的水庫地震有很大的不同,汶川地震不是由蓄水引起的水庫地震。這種學術上的不同看法不限于汶川地震,對于三峽水庫的建設會不會引起誘發大地震,也是當前面臨的科學難題。

              世界一些主要水庫誘發地震表

              主要參考資料

              1.httpsen.wikipedia.orgwikiInduced_seismicity

              2.10000個科學難題. 人類活動能誘發地震嗎?陳颙

               




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