人類活動是否會引發地震？

據調查發現，自2009年以來，因人類活動而造成的地震數量在美國中西部地區急劇上升。大部分這些事件是由在石油與天然氣的開採過程中產生的大量廢水回注所造成的。 2016年2月，在幾次重大地震事件（震級高達5.8）發生之後，美國俄克拉荷馬州的監管機構呼籲降低注入率。

在大西洋的另一邊，荷蘭格羅寧根地區在開採了天然氣之後，地震數量也達到了空前的地步。在2012年8月發生了一次致使房屋結構損壞的3.6級地震事件之後，荷蘭政府對開採量進行了削減。而深入地對這兩例誘發地震活動進行研究後發現，它們背後的成因機制差異很大；但在這兩種情況下，先於地表下岩石活動的自然條件都起著主導作用。

在格羅寧根附近的貝杜姆，一棟已被疏散的房屋因消耗引發的地震而受到損害。 |圖片來源：HUISMAN MEDIA/ANP/NEWSCOM

五十年前，地質學家就確定了地底深層的流體注入會導致孔隙壓力在原有斷層中上升，從而降低斷層的強度並可能導致其失效。相反，在深層進行流體開採則會降低孔隙壓力，從而導致岩石層的壓實（compaction）；上升的岩石壓力會導致原有斷層的失效。

在這兩個案例情況下，兩個影響誘發地震的因素分別為：運行參數（例如注入或產生的廢水體積）和自然條件（例如原有斷層的存在以及其周圍環境的應力水平）。通常，運行參數被認為佔有更主導性的地位，但這反映的或許正是由於對原有斷層的位置及其環境應力水平的了解有限。要使監管措施能有效地減輕誘發地震活動，那麼理解這些先於人類活動存在的自然條件就至關重要。

最近，有的研究已經開始在流體注入或產生之後展開測量，以幫助驗證在流體力學建模中，對由流體注入或產生而導致的孔隙壓力和應力變化結果的預測。例如，在對美國中西部地區的地震事件分析中，研究人員找到了孔隙壓力的增加與地震發生之間的聯繫。從InSAR（干涉合成孔徑雷達）獲得的地表形變測量結果表明，孔隙壓力僅增加 0.1 MPa，就會影響到距離注入井約10到30公里位置所出現的誘發事件。

這些數據表明的是廢水回注會引起地震活動的機制（見下圖）。在廢水回注過程中，孔隙壓力波前沿著含水層處理系統中具有高滲透性的渠道，從注入井中四散。一旦壓力波前抵達與儲層地下底層相交的大斷層，並且接近構造再活化區域的話，那麼即便是再小的壓力增長也能觸發地震。為了支持這一概念模型，統計評估顯示，與凈注水量相比，注水點和底層之間的距離與地震活動有更高的相關性。為了減輕誘發地震，對斷層的存在及其周圍應力水平的認識是至關重要的。

誘發地震活動的機制。廢水的注入和天然氣的開採都能引起誘發地震。從美國中西部地區和格羅寧根的詳細觀測表明，在兩種情況下，地殼中存在的先存條件是至關重要的。|圖片來源：BICKEL/SCIENCE

在格羅寧根的天然氣田裡，沉降測量現在被常規地應用於校準模擬中的儲層壓實。通過沉降測量表明，已觀測到的地震活動多集中於高壓實和高沉降區域，從而證實了壓實和地震活動之間的因果關係。但是，除了儲層壓實之外，只有當有斷層出現的情況下，才能讓模型的預測結果與觀測結果之間呈現良好匹配。然而在注入活動發生之前，美國中西部地區易發生地震的斷層往往沒有被繪製出來；而對於格羅寧根氣田來說，地質學家則掌握了其詳細的地下信息，它包含600多個原有斷層。

研究表明格羅寧根地區的天然氣開採，會通過以下機制誘發地震活動（見上圖）。在天然氣生產過程中，儲層的壓實會導致應力沿著斷層累積。由於斷層原本就有的偏移，具有不同壓實級別的儲層部分會沿著斷層保持接觸。這種有差異的壓實可以放大積累的斷層應力，從而加速地震的發生。

據記錄，格羅寧根地區的誘發事件只發生在當儲層孔隙壓力減少?10 MPa、導致岩石應力也增加相應的等級時。這通常被認為是在開採進行之前，大多數格羅寧根的斷層還遠不到構造再活化的證據。這一觀察結果與俄克拉荷馬州的情況形成鮮明對比。在俄克拉何馬州，壓力只需浮動約0.1 MPa，就可能引發地震。這表明那裡的地殼受到了嚴重的應力，也就是說，它包含了一系列接近失效的斷層，只需通過輕微的應力擾動就能將其重新激活。

通過對這兩例情況進行對比，地質學家得出的結論是，誘發地震的時間和位置會受到先於地表下活動的原有斷層和周圍環境應力條件的空間分布和幾何結構的影響。但是這些誘發事件的規模有多大呢？一個可行的假設是誘導破裂仍會受到因流體壓力或應力變化影響的岩石體積的限制。而更新的研究對這一假設提出了挑戰，它們指出，在誘發地震中，破裂的也可能是那些在不受流體影響的岩石。在這種情況下，誘發地震的最大規模可能受到沿著斷層應力的自然原有波動的影響，與自然地震的情況相同。

無論是美國中西部地區的流體注入，還是在格羅寧進行的天然氣開採，一系列的證據都強調了，在人類開展地下活動之前就存在的那些原有斷層及其應力水平，在誘發地震中所起到的中心作用。僅依靠運行參數（例如注入或產生的體積）來作為減輕誘發地震的緩解措施，或許可被用作為一個初級近似，但很大程度上更多的附加值取決於斷層數量和環境應力的地下特徵。

在對地表下岩石信息了解欠佳的情況下，連續監測地震活動有助於發現未知的斷層。對於這種操作，人工智慧應該是優化實時地震檢測和定位能力的關鍵。這些原有斷層的應力狀態能通過流體力學建模來加以定義，通過用那些與運行參數無關的測量來進行校準，例如從InSAR導出的地表變形。

與其將地表下岩石視為一個受井下作業影響而發生變化的均勻容器，連續的基於數據和物理學的建模方法應包含所有受影響岩體的性質，包括儲層和斷層的性質。只有這樣才能優化針對誘發地震活動的緩解策略，例如在高風險區域進行有針對性的注入或減少產量。

撰文：Thibault Candela、Brecht Wassing、Jan ter Heege、Loes Buijze

翻譯：二宗主

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