遠離板塊邊界的人類工業活動導致的誘發地震已經成為了一個引起廣泛關注的全球性問題。過去的主流觀點認為與水力壓裂和注水行為相關的誘發地震的機理為潛在活動斷層內部孔隙壓力的升高導致的斷層抗剪強度的降低(Guglielmi et al., 2015; Rubinstein and Mahani, 2015; Weingarten et al., 2015)，比如美國中部大陸的誘發地震活動，但這種機制不適用於深部基底斷層與淺部注水含水層之間存在隔水層的情況，這導致了一場關於人類注水活動誘發地震的產生機理的爭論。
為了探究淺層注水行為誘發與其存在水力隔離的深部基底斷層的機制，近期，美國加州大學的Guang Zhai和Manoochehr Shirzaei等人統計了德克薩斯州西部Delaware盆地內的工業、地震、大地測量和地質資料，假定未破裂的頁岩在十年的時間尺度上是隔水層，使用耦合的孔隙彈性模型計算了孕震深度的應力和孔隙壓力變化，發現Delaware盆地廣泛的深部地震活動主要是由淺層廢水的注入活動透過孔隙彈性應力的傳遞所驅動的。Delaware盆地的北部是地震平靜區，然而作者計算的由注水引起的孔隙彈性應力將促進地震活動，這種計算結果與現實之間的偏差表明區域構造也控制了誘發地震的發生。作者最終認為，板內地震活動可能是由淺層的人類活動引起的，這些活動在與淺層注水層位存在水力隔離的孕震深度對應力產生了孔隙彈性擾動，並且其對地震活動的影響會受到區域構造條件的制約。該研究成果發表於PNAS。
圖1 德克薩斯州Delaware盆地內的工業和地震活動（Zhai et al., 2021）。(A)廢水處理井、生產井和去掉前震和餘震的原始TexNet地震的空間分佈的地圖和橫斷面圖。分層模型中的地震和井深相對於特拉華州砂岩地層底部進行了校正，作為垂直參考。黑線是縣界，黑色三角形表示佩科斯鎮的位置。左上角的插圖未研究區域的位置。(B)研究區域內記錄的注入量和產油量以及四個不同地震目錄的時間演變。這些目錄包括原始的TexNet目錄和透過模板匹配和TXAR目錄製作的改進的TexNet和ANSS目錄
作者統計了Delaware盆地內廢水注入和油氣開採點的分佈情況(圖1A)和2014~2020年間各井的注入和採出量以及原始TexNet、改進的TexNet、改進的ANSS和TXAR地震目錄(圖1B)，發現這些地震事件中只有一小部分與短期的水力壓裂有關，其餘的大多數地震都與廢水處理和油氣開採相關。Delaware盆地的地下2-4.5km深度範圍內是分隔了上部1.3km厚的Delaware滲透性砂岩和下部產生了大量地震事件的基岩地層的頁岩儲層，如圖1A所示，石油和天然氣開採活動位於整個低滲頁岩儲層內的一個狹窄地帶，該產層裂縫嚴重，滲透率較高。考慮到水力壓裂裂縫的長度大多小於200m（Fisher and Warpinski, 2012），未破裂的、極低滲頁岩在十年尺度內以該層或緩衝層的形式合理地夾住裂隙帶，避免了深層與淺層砂岩和裂隙泥岩之間的有效水力連通。考慮到以上的地質條件和監測結果，作者表明直接的孔隙壓力擴散不太可能是Delaware盆地觀測到的大多數地震活動的主要驅動因素。此外，在分散的地震活動的演變與流體的注入和產出之間沒有可測量到的時間延遲(圖1B)。這兩者共同表明基底和淺層儲層在十年的時間尺度上彈性地相互作用。除了注水行為引起的滑移之外，流體和固體材料之間的孔隙彈性耦合和重力載入都可以將彈性應力的變化傳遞到加壓區域之外。
圖2 2014-2020年間基底孕震深度(5Km)孔隙彈性應力的累積總CFS(庫倫破裂應力)（Zhai et al., 2021）。(A)淺層砂岩注入導致的CFS。(B)深層Ellenberger注水導致的CFS。(C)頁岩油氣開採導致的CFS。(D)A-C之和。深色曲線表示斷層，藍色方塊表示相應型別的井的位置。紫色圓圈表示分散的TexNet地震震中
為了量化砂岩層的注入和頁岩層的開採所導致的孔隙彈性應力的擴散過程，並研究其與觀測到的地震活動之間的聯絡，作者建立了一個受到地下地層學、當地水文地質和地震層析成像約束的線性分層孔隙彈性模型以研究基底內5km孕震深度的孔隙彈性應力和孔隙壓力的時空分佈。它本質上是描述了注水和開採儲層內的流體耦合流動過程，其膨脹和收縮決定了震源深度的孔隙彈性響應。作者利用地球模型和注入與開採流體的時間序列，求解了地殼中孔隙壓力和孔隙彈性應力的時空演化。分別計算了孔隙彈性應力和孔隙壓力的變化對累積庫倫破壞應力(CFS)的貢獻以確定CFS的主要來源。對於流體的注入和採出而言，是孔隙彈性應力而不是孔隙壓力主導了CFS變化量的空間分佈。注入導致的孔隙彈性應力引起的CFS變化為正值(促進破壞)，而採出導致的CFS變化為負值(阻止破壞)。這是因為注採行為分別在儲層下方引起了岩石的水平伸展和擠壓，而區域構造應力為伸展型。有趣的是由於孔隙彈性耦合，淺層的注水行為導致了深部的孔隙壓力降低而不是升高，但對於可能透過預先存在的裂縫與基底之間存在水力聯絡的深層注水行為而言，向下的流體擴散的附加效應則可能會在區域性尺度上增加基底斷層上的孔隙壓力。在將孔隙彈性應力和孔隙壓力的變化疊加起來之後，作者得到了每種型別的井的總CFS及其累積效應圖(圖2A-C)。從圖2可以看出深層注水對CFS的影響只在區域性區域之內，而淺層注水的影響主導了孕震深度的總CFS分佈(圖2D)。總CFS最大可達1bar。Delaware盆地的地震活動發生在CFS變化值為正的區域內，這表明淺層的注水和深層的地震活動之間在整個盆地範圍內的因果聯絡(圖2D)。考慮深部不同走向的斷層的CFS計算進一步證實了這種全盆地範圍內的聯絡的正確性。
孔隙壓力和孔隙彈性應力之間的耦合關係(Cheng, 2016; Segall and Lu, 2015)導致了孔隙彈性耦合值越大(即Biot有效應力系數α越大)的情況下儲層孔隙壓力和孔隙彈性應力都越小。當使用有效儲層應力(Cheng A H-D, 2016)來描述與注採層相關的儲層擴張和收縮時，對於高滲地層而言，較大的孔隙彈性耦合和流體流動會導致較小的岩石變形。這意味著與破裂的頁岩層相比，以流體流動較慢為特徵的沉積砂岩中的流體體積變化導致了整體有效應力和岩石變形的較大變化(圖2)。因此，儘管Delaware盆地的沉積砂岩比頁岩離震中更遠，但由於其水文地質性質，它對應力和誘發地震的影響更大。
圖3 2016至2020年間SAR視線(LOS)速度分佈的變形圖（Zhai et al., 2021）。紅色和藍色分別表示地表朝向和遠離衛星的移動。左上角插圖為PV含水層和研究區域的足跡。洋紅色曲線內的範圍為圖2中的地震平靜區。黃色曲線和灰色曲線分別是PV中淺水位和厚沖積層的近似區。正方形表示井的位置，其大小表示與形變相同的觀察期內的月平均井流量
為了進一步檢驗應力和地震活動之間的力學關係，作者研究了整個盆地範圍內能夠提供與流體注入和開採有關的地下應力變化的線索的地表形變。採用多時相合成孔徑雷達(SAR)干涉分析方法，作者對Sentinel-1A/B衛星在Delaware盆地上空於流體的注入和產出量最大的2016年9月至2020年12月期間獲取的C波段SAR影象進行了干涉分析。干涉合成孔徑雷達(InSAR)視線(LOS)速度圖如圖3所示。南部(約31.4°N)地區的形變特徵是地面沉降達3cm/yr，該地區的注採井位於同一位置，注水量大於生產井的抽取量。考慮到特拉華州盆地的注水深度較淺，而且砂岩層更容易因注水而變形，由砂岩注水引起的地表隆起將主導頁岩開採引起的沉降。然而，從淺層和半封閉(基本上無封閉)的Pecos Valley(PV)含水層開採地下水會引起額外的下沉訊號。圖3的特點是，地下水位較淺、含水層較厚的地區沉降速度較快，這表明觀測到的沉降主要是由淺層地下水開採而不是儲層壓實造成的。在PV含水層壓實影響不大的北段(地震平靜區，約31.8°N)，地表形變圖(圖3)顯示了分別與注水井位和生產井位相對應的地表隆升和地面沉降。作者的地表變形分析最終表明淺層注入可以引起地表隆起和淺層地下壓力和應力的累積，這主導瞭如圖2所示的孕震基底中的CFS。
本研究中作者的分析表明，淺層注入活動和孔隙彈性變形控制著深部的應力分佈，是Delaware盆地誘發地震活動的主要原因。然而，地質、水文地質和構造條件的非均質性可能會擾亂區域性尺度的誘發過程。更好地瞭解地下應力演化是預測斷層的重新啟用和評估工業活動造成的地震危險性的關鍵。儘管隨著地震監測能力的提高，可檢測震級的閾值也隨之降低，但確定誘發地震活動的主要機制需要將地下地質學與物理模型結合起來。由於孔隙壓力通常被認為是注入誘發地震的主要驅動因素，孔隙彈性應力則是次要的，然而本文的分析和計算結果表明，在某些情況下，孔隙彈性應力可能是誘發地震的主要誘因。
隨著未來全球能源需求的增加，處理大量的共生廢水仍然是一個具有挑戰性的問題，本文的研究表明安全的淺層注入處理比深層注入或水處理更具成本效益。作為這項研究提出的主要機制，孔隙彈性應力也可能與主動設計淺層注水策略、觀察地殼應力變化和評估地震潛力有關。這些過程對於其他人類活動可能也可以提供有用的資訊，如地熱勘探、二氧化碳封存和天然氣地下儲存。
主要參考文獻
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（撰稿：張蘇鵬，張召彬，李守定/頁岩氣與工程室）
美編：傅士旭
校對：張騰飛
