能源開採中的「水力壓裂」技術可能誘發破壞性地震

去年，在韓國發生了里氏5.4級破壞性地震，而地震原因很可能是由於地熱開發中「水力壓裂」技術的使用。正如中國的那句老話，一「水」激起千層浪，即使向地層中注入少量的水也可能引發大災難。

2017年11月15日浦項地震後的破壞情況；圖片來自維基百科

來源 | AIP Inside Science

作者 | Nala Rogers

在韓國浦項市，能源開採公司為發展強化型地熱開採項目，不斷往地下注入水。但誰都沒有想到，注入如此少的水量居然會導致嚴重的地震災難。然而事實總是殘酷的，在2017年11月15日那天，該地區近一個世紀以來最嚴重的地震災害席捲了這個無辜的小鎮，共造成90人受傷，直接經濟損失達5200萬美元，約合3.3億元人民幣。

今年4月26日發表在《科學》雜誌上的兩項研究表明，該里氏5.4級大地震發生的罪魁禍首很可能就是地下4.3千米處的注入水。這也是有史以來與地熱能開發利用相關的最大的地震災害。該研究給相關專家敲響了警鐘：不得不重新審視在一些能源發展項目中往地下注水行為的風險性。

注水與能源開採

地質學家早前就已經知道，往地下深層注水後，水會滲入斷層，並造成斷層相對滑動，引發地震災害。儘管如此，在一些行業，包括化石燃料和地熱能源開採領域，往地底注水仍然是普遍行為。

在美國的俄克拉荷馬州，也曾發生過一些類似的大型破壞性地震災難，這其中就包括2011年發生在該州中部的里氏5.7級大地震。在石油和天然氣開採過程中，大量工業廢水被強行注入地下，被認為是造成該州地震災害的主要誘因。在世界各地，類似的由地底深層注水誘發的小規模地震還在不斷發生著。所謂的「水力壓裂技術」，就是通過往地底深層注入高壓水流，衝擊岩層製造裂縫。在化石燃料開採領域，這些裂縫正是石油流動的通道。

2011年美國的俄克拉荷馬州也因水力壓裂技術引發了地震。圖片來自網路

與開採化石燃料、再燃燒獲得能源（當然除了能量，也會產生溫室氣體）的過程不同，地熱能是一種可再生能源，它直接利用地球內部的熱能。通常情況下，能源公司會鑽井到很深的地層，直到可以獲得足夠多的地熱。然後從深井裡噴出的水或蒸汽會被直接用於驅動渦輪發電機。

地熱能最豐富的地方往往在火山附近。在那裡，人們往往會發現極熱的水流，滲透在岩石間自然流動。但是近些年來，一些能源公司開始使用「水力壓裂」技術，在地熱資源不豐富的區域強行提取地熱能。他們開發和建造所謂的「強化型地熱開採系統」：在兩個深鑽至地熱層的礦井之間，建立起一系列裂縫網，然後將水從一個深井注入，從另一個深井抽出，從而獲得地熱能。

研發人員計劃利用這種地熱水力壓裂技術在韓國浦項市建立韓國第一個地熱發電站，但2017年發生的地震災害直接叫停了該項工程計劃。

利用水力壓裂技術開採地熱能的示意圖。圖片來自網路

地震探測儀道出事情原委

來自韓國釜山國立大學的地震學家kwang-Hee Kim教授，早在2016年就開始對浦項市周邊地區的地質情況進行了細緻的研究。當時他就認為，在距該市40公里的地方會發生強烈的地震自然災害。通過研究地震探測儀的數據，他發現浦項市周邊地區地質活動頻繁，而這與之前幾年沉寂的地質活動形成了鮮明的對比。

Kim教授表示：「在2015年之前，該區域從來沒有發生過地震，甚至沒有過本底地震活動。然而，在地熱開採的深井鑽成並投入使用之後，小規模的地震便頻繁出現。

浦項市發生的大部分地震，其震源深度在地下4~6.4千米，這遠低於朝鮮半島通常自然地震震源深度的典型值——地下9.6~19.3千米。而且，這些接近地表的地震，其發生的時間和注入高壓水衝擊地底岩層的時刻恰好吻合。

2017年，Kim教授在這些不尋常區域搭建起密集的探測器網路。僅僅5天之後，里氏5.4級地震災害就襲擊了這些地區。

浦項市大地震的震源位置，其深度在地下4~6.4千米。圖片來自網路

來自美國斯坦福大學的地震學家比爾·埃爾斯沃斯，受韓國政府資助正在深入調查浦項市地震災害的起因，他說到：「Kim教授是很幸運的，因為當主震發生時，他所建立的地震探測器網路已經啟動並正常運轉了。這讓他能夠非常精確地確定主震的震源位置。」

事實證明，地震的震源中心正好在地熱深井的底部，無論是位置還是深度都很好的吻合了。另外，這些地震數據還揭露了一個前所未知的斷層系統。

Kim教授說到：「很明顯，他們在斷層的頂部注入了水。」

關於該次地震的另一項研究也發表在《科學》雜誌上，兩者的結論幾乎完全相同，只不過後者缺少了些地質方面的細節。後項研究是由來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院地震服務中心的Francesco Grigoli和他的來自歐洲的幾家機構的同事共同參與完成的，該研究結果僅依賴公開的地震數據，以及衛星測量數據中關於地震發生時地面的移動情況。

根據Grigoli的說法，研究人員現在仍然不能完全排除該次地震是自然發生的可能性，與地熱注水深井發生在同一位置也可能完全是一種巧合。但Kim教授堅持認為，發生這種巧合的可能性微乎其微。

Kim教授後來表示：「我堅信這次地震災害的發生是受到該區域強化型地熱開採系統活動的影響。」

注水僅僅是導火索

如果最後證明，浦項市的地震真的是由強化型地熱開採工程引發的，研究人員將不得不重新評估類似行為誘發地震災害的風險。

在該項研究中，Kim教授採用經驗公式評估誘髮型地震的最大強度時發現，能誘發浦項地區如此強烈的地震所需的注水量，理論上應是實際工程中注入量的800倍。這就表明，當使用計算模型來評估誘髮型地震的潛在強度時，不能僅僅考慮人工注水量，還得將斷層的內部壓力和幾何構型考慮在內。

Kim教授表示：「水的注入僅僅是提供了一個觸發機制。」

處於靜止狀態的斷層往往很難被覺察到，換句話說，如果很不幸注入的水流恰巧到達這些危險的斷層，即便很小的注入量，理論上都可以誘發任何規模強度的地震。

來自加州大學河濱分校的地球物理學家、名譽教授威爾弗雷德·安傑斯則覺得沒有必要大驚小怪，他現在正在設計研究另一個地熱開採工程。他說到，在化石燃料或地熱開採行業中，只有很少一部分的注水項目會導致問題。當然了，我們還是可以找到更加安全的方法來進行這些注水項目。地震學家比爾·埃爾斯沃斯也表示，一種最簡單直接的方法就是選擇遠離像浦項市這樣的城市中心的區域來築建地熱開採深井，那樣即便發生地震，其破壞性也將大大降低。

但Kim教授則認為，我們不能無視地球的警示。在浦項市地底的斷層，每次注入水流時都會發出警示性的顫抖。如果人們能夠早些發現這些警示信號，他們本可以及時阻止這個地熱項目，阻止這場悲劇。

水力壓裂技術技術除了可能引發地質災害之外，還有可能引發地下水污染。圖片來自網路

翻譯 | 谷大春

責編 | 高佩雯

https://www.insidescience.org/news/damaging-earthquake-south-korea-last-year-may-have-been-caused-geothermal-fracking

美國物理聯合會（AIP/American Institute of Physics）--InsideScience專欄獨家供稿

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