尹欣欣， 蔣長勝， 翟鴻宇， 張延保， 姜叢，來貴娟， 祝愛玉， 尹鳳玲

1 中國地震局地球物理研究所， 北京 100081 2 甘肅省地震局， 蘭州 730000

0 引言

地熱能是一種清潔的可再生能源，在地球上廣泛分布、可穩(wěn)定持續(xù)供應(yīng).在世界能源協(xié)會2000年發(fā)布的《能源和持續(xù)性的挑戰(zhàn)》報告中，地熱能處于各種可再生能源的首要之位(廖志杰等, 2015).按照理論計算，地殼上部10 km的地熱能儲量高達1.3×1027J，以2012年全球能源消耗量約6.0×1020J為參考，這些地熱能儲量可以供應(yīng)全球約2.17百萬年使用(Lu, 2018).開采深度在數(shù)千米之內(nèi)的深部地熱能，主要是地殼3～10 km深度的不含水或少量含水的干熱巖地熱能，占全球地熱資源的90%.保守估計全球蘊含的干熱巖資源儲量相當于全球所有石油、天然氣和煤炭儲藏能量的30倍(許天福等, 2012; 陸川和王貴玲, 2015).由于干熱巖埋藏深、溫度高，已成為世界各國地熱能開發(fā)的重點.歐洲、北美、澳洲、亞洲的諸多國家相繼開啟了國家級的開采計劃，例如美國在2015年開啟的“地熱能前沿觀測站研究計劃”(FORGE)(張森琦等, 2019)等等.經(jīng)過發(fā)達國家40多年研究改進，干熱巖開發(fā)的流體循環(huán)換熱以及壓裂造儲等關(guān)鍵技術(shù)目前獲得了較大成功，例如德法兩國交界處的舒爾茨(Soultz)增強型地熱系統(tǒng)(EGS)項目，目前已達到了兆瓦級的發(fā)電能力(Breede et al., 2013).中國是最早利用地熱能的國家之一，擁有豐富的干熱巖資源，但開發(fā)利用仍處于起步階段(Zhu et al., 2015).

目前在碳氫化合物提取和天然氣儲存作業(yè)、頁巖氣開采、深層地熱能開發(fā)、采礦作業(yè)、二氧化碳封存、水庫蓄水等多種工業(yè)活動中，均可觀測到誘發(fā)地震活動(Mcgarr et al., 2002).盡管這些工業(yè)開采活動的誘發(fā)地震在開采原理上分為重力地震(例如采礦誘發(fā)地震等)、重復(fù)注水和水力壓裂誘發(fā)地震、加載地震(Doglioni, 2018)，但總體上主要是改變了淺層地殼的應(yīng)力狀態(tài)而引起的(Grigoli et al., 2017).目前對這些工業(yè)活動誘發(fā)地震的預(yù)測和風險管控的難度極大(Petersen et al., 2016)，全球多數(shù)國家對此類工業(yè)活動已實施嚴格的監(jiān)管計劃(Kettlety et al., 2020).干熱巖開采目前在全球范圍內(nèi)尚未形成完全的商業(yè)化，其中一個重要因素就是受到誘發(fā)地震的影響(Trifu, 2002).干熱巖儲層建造過程中引發(fā)了較大規(guī)模的誘發(fā)地震并造成災(zāi)害、引發(fā)系列的公共安全問題，一些開采項目甚至因此而終止，例如瑞士巴塞爾(Basel)干熱巖項目在注水期間引發(fā)了四個3級以上的地震、造成建筑物破壞，迫使該項目終止、導(dǎo)致巨額投資失敗、引發(fā)大量法律糾紛(H?ring et al., 2008).2017年韓國浦項(Pohang)的干熱巖開采項目，引發(fā)了附近斷層上的MW5.4地震并造成嚴重經(jīng)濟損失，韓國政府被迫中止該項目的運行(Kim et al., 2018).誘發(fā)地震還引起了系列的社會問題，公眾甚至?xí)谖丛斐山ㄖ锝Y(jié)構(gòu)性破壞情況下也會向保險公司提出索賠要求，例如法國蘇爾蘇斯發(fā)(Soultz-sous-Forêts)的干熱巖開采項目(Majer et al., 2007)，嚴重影響了深部地熱資源的順利開發(fā).

干熱巖開采的多個生產(chǎn)階段都能觀測到誘發(fā)地震(Rathnaweera et al., 2020)，包括：增產(chǎn)階段的地熱工作流體初始注入、從地熱儲層中抽出工作流體、抽熱后重新注入工作流體、閉井后(Okamoto et al., 2018)等等.圍繞干熱巖開采誘發(fā)地震的機理研究、風險管控技術(shù)、行業(yè)監(jiān)管和社會治理等多環(huán)節(jié)問題，已成為國際上的研究熱點.鑒于誘發(fā)地震的減災(zāi)研究在實現(xiàn)包括干熱巖開采等綠色新型能源戰(zhàn)略順利實施中的關(guān)鍵影響，本文收集整理了全球干熱巖開采和誘發(fā)地震活動的數(shù)據(jù)，并對目前國際上干熱巖開采誘發(fā)地震的總體情況、成因機理、采取的減災(zāi)措施等的研究進展進行了分析，以期通過上述梳理，為推進相關(guān)基礎(chǔ)研究、發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)和裝備、解決監(jiān)管和社會治理問題等，提供科學(xué)參考.

1 干熱巖開采與誘發(fā)地震活動

1.1 全球干熱巖開采與誘發(fā)地震活動總體情況

適合商業(yè)開發(fā)的干熱巖儲層主要是花崗巖或其他結(jié)晶基底巖石，深度約為5～6 km時溫度應(yīng)在150 ℃至500 ℃范圍內(nèi)(Potter et al., 1974).目前全球的干熱巖開采主要采用增強型地熱系統(tǒng)(EGS)的方式進行，主要是通過人工在滲透率較低的干熱巖中建立熱儲，通過冷水注入再回抽，帶出干熱巖中的熱能(郭盼等, 2020)，利用抽出的熱水進行熱電交換(Massachusetts Institute of Technology, 2007; 許天福等, 2018)，圖1為一般干熱巖開采站點示意圖. EGS的主要步驟包括：資源勘探與評估、開采/回注井鉆探、儲層建立、注入井和生產(chǎn)井循環(huán)采熱、電廠運行、儲層維護，實現(xiàn)的主要技術(shù)環(huán)節(jié)包括干熱巖資源的靶區(qū)定位、儲層建造或改造、微震示蹤、能源轉(zhuǎn)換等等.

圖1 干熱巖開采站點簡單示意圖.據(jù)Olasolo等(2016)改繪Fig.1 Simple schematic diagram of hot dry rock mining site. Modified from Olasolo et al. (2016)

作為EGS核心環(huán)節(jié)的儲層建造，在實現(xiàn)技術(shù)上包括水力壓裂法、爆炸法、熱應(yīng)力法和化學(xué)刺激法等(Luo et al., 2018)，其中的水力壓裂法是目前國際上人工熱儲建造的主流技術(shù).水力壓裂法源于油氣行業(yè)、目前已較為成熟.其原理是在干熱巖體中至少鉆兩口井并分段封隔，通過地面注入高壓流體產(chǎn)生裂縫從而實現(xiàn)兩井的連通，形成的裂隙網(wǎng)絡(luò)就構(gòu)成了人工地熱儲層.由于水力壓裂造縫往往受地應(yīng)力控制，實際開發(fā)場地的深部巖石構(gòu)造較為復(fù)雜，壓裂過程中遇到的不可控因素多，因而無法準確控制裂隙的延伸方向以達到事前預(yù)期效果.為此一般會使用微震監(jiān)測示蹤技術(shù)和數(shù)值模擬的方法來實時監(jiān)測地熱儲層的裂隙結(jié)構(gòu)和走向，進而評估人工熱儲的規(guī)模、推斷地應(yīng)力特征(Maurer et al., 2015; Cladouhos et al., 2016).

目前全球大部分EGS項目是商業(yè)目的，但仍有部分以科學(xué)實驗為目的，例如日本的肘折(Hijiori)和雄勝(Ogachi)的EGS項目(Tenma et al., 2008; Lu, 2018).其中，1990年實施的日本雄勝EGS項目嘗試在井深1000 m、井底溫度230 ℃的注入井分別在不同深度實施壓裂，在生產(chǎn)井OGC-2進行壓裂來提高回收率，以及對兩口井進行二次壓裂、在儲層系統(tǒng)中補充第三口井等科學(xué)實驗.隨著水力壓裂技術(shù)的成熟，EGS的成功率逐漸提高，例如法國舒爾茨(Soultz)、澳大利亞的哈瓦那羅(Habanero)和巴拉那那(Paralana)，德國的印希姆(Insheim)和蘭道(Landau)，美國的紐伯里(Newberry)、沙漠峰(Desert Peak)和蓋伊瑟斯(Geysers)等EGS項目.表1列出了可從公開發(fā)表的出版物中收集的全球已開展干熱巖開采的79個項目.這些開采項目主要分布在歐洲、北美、澳洲以及部分亞洲地區(qū)，共涉及21個國家和地區(qū).

誘發(fā)地震是干熱巖開采尤其是采用水力壓裂技術(shù)的EGS項目順利實施的重要決定因素，在EGS的人工熱儲建造過程和關(guān)井后常常引起誘發(fā)地震事件.其中部分誘發(fā)地震危害較大，例如韓國浦項(Pohang)以及瑞士巴塞爾(Basel)的EGS項目誘發(fā)的地震事件.如果EGS站點鄰近居民區(qū)，較小的地震事件也會造成一定的社會影響(Bommer et al., 2006).根據(jù)表1統(tǒng)計的79個干熱巖開采項目可查的數(shù)據(jù)表明，其中有33個項目的最大誘發(fā)地震震級超過2.0級(不區(qū)分震級標度)，占全部可查最大震級的48個項目的68.8%；最大誘發(fā)地震震級超過3.0級(不區(qū)分震級標度)的占比則超過31.2%，其中最大震級事件為韓國浦項(Pohang)2017年發(fā)生的MW5.5地震.圖2給出了與表1相對應(yīng)的干熱巖開采項目和最大誘發(fā)地震的空間分布.

圖2 全球干熱巖開采項目及其最大誘發(fā)地震的空間分布.其中最大誘發(fā)地震的震級由圓圈表示相對大小，并僅標出了表1中可查的最大震級數(shù)據(jù)Fig.2 Distribution of the hot dry rock mining sites and their related biggest induced earthquakes worldwide. The biggest induced earthquakes are marked as circles, the size of which indicates the relative magnitude, and only the data available in Table 1 are given here

表1 全球EGS項目和誘發(fā)地震信息表Table 1 Information table on global EGS projects and induced seismicity

續(xù)表1

續(xù)表1

1.2 干熱巖開采誘發(fā)地震案例

本文按照注水壓裂期間發(fā)生最大誘發(fā)地震、未發(fā)生有感地震，以及關(guān)井后和循環(huán)生產(chǎn)階段發(fā)生最大地震等情況，分別介紹表1中列出的部分案例.

(1)注水壓裂期間發(fā)生較大誘發(fā)地震的案例.瑞士巴塞爾(Basel)EGS項目在2006年12月8日開始壓裂，采用在16小時內(nèi)逐漸提高的流量(最高55 L/s)和井口壓力(最高29.6 MPa)的方式注水壓裂，期間引起數(shù)千次微地震、最大震級為ML2.6，而在壓裂停止后的2小時即發(fā)生震級最大的ML3.4地震(H?ring et al., 2008).瑞士圣加侖(St.Gallen)EGS項目的GT-1井在2013年7月14日開始的注水壓裂實驗中，2小時內(nèi)以最高54 L/s的注入速率注入175 m3水(Wolfgramm et al., 2015)，此后分兩次注入145 m3稀鹽酸、700 m3鉆井泥漿，微震活動隨著注入明顯增加，在20日先后發(fā)生ML2.1地震以及最大的ML3.5(MW3.3)地震(Diehl et al., 2017).法國舒爾茨(Soultz)EGS項目的3口井中，2號井(GPK3)在注水壓裂期間更容易產(chǎn)生較大震級事件，地震活動的b值達到與天然構(gòu)造地震活動相近的0.94，被認為這些地震與GPK3相交的主要斷裂帶的活化有關(guān).3號井(GPK4)在采用30～45 L/s注水速率、井口峰值壓力18.5 MPa情況下共注入21500 m3液體，記錄到128起事件、震級ML1.0～2.7，且在關(guān)井期間未發(fā)生ML2.0以上事件(Baria et al., 2004).德國巴特烏拉赫(Bad Urach)EGS項目采用35～50 L/s的注入速率和12.3 ～34 MPa的井口壓力進行注水壓裂，期間發(fā)生的地震分布在井口附近500 m范圍內(nèi)、震級范圍為MW-0.6～1.8(Tenzer et al., 2004).澳大利亞庫珀盆地(Cooper Basin)EGS項目在水力壓裂期間，在其中的Habanero地熱田以最大48 L/s注入速率注入20000 m3液體，期間檢測到60000多次ML1.6～MW3.7事件(Baisch et al., 2006, 2015)，被認為Habanero地熱田存在較大規(guī)模的逆沖斷層、被流體注入而活化(Holl and Barton, 2015).澳大利亞巴拉那那(Paralana)EGS項目在2011年7月10—15日的注水壓裂期間，以27 L/s的注入速率和62 MPa的井口壓力注入了總計3.1×106m3的水，期間發(fā)生3個MW2.4地震和1個MW2.5事件，這些地震被認為與井場存在的右旋逆斷層有關(guān)(Albaric et al., 2014).美國科索(Coso)EGS項目在2004年8—9月對34A-9井注水壓裂期間，在注入速率和井口壓力最高時發(fā)生了最大的2.8級地震(Julian et al., 2010).日本雄勝EGS項目在注水壓裂過程中，采用注入速率40 m3/h、注入峰值壓力20 MPa注入總計10140 m3水，期間記錄到1553次微地震事件，地震空間上沿地層巖石天然裂隙方向延伸，最大震級2.0級(Kaieda et al., 2010).

(2)注水壓裂期間未發(fā)生有感地震的案例.德國蘭道(Landau)EGS項目的兩口井均存在過井斷層，在2005—2006年期間的注水壓裂，盡管采用了190 L/s的注入速率和13.5 MPa的井口壓力，但未引發(fā)有感地震(Evans et al., 2012).德國舍納貝克(gro? Sch?nebeck)EGS項目的1號井(GrSk3/90)在2003年壓裂期間，采用80 L/s的速率注入了約10000 m3的水、井底壓力超過最小水平應(yīng)力Shmin約5 MPa，未發(fā)生有感地震(Evans et al., 2012).2號井(Gt GrSk4 /05)采用150 L/s的注入速率和59 MPa的井口壓力向火山巖注入了13000 m3水(Evans et al., 2012)，僅記錄到70個震級在ML-1.9～-1.1范圍的地震事件.澳大利亞庫珀盆地(Cooper Basin)的Jolokia地熱田，在水力壓裂期間只發(fā)生了ML<1.6的地震，Baisch等(2015)認為主要是不存在大規(guī)模斷層的原因.日本肘折(Hijiori)EGS項目對HDR-1井采用了短期內(nèi)大流量注入的策略，在12小時內(nèi)按照1.0、2.0和4.0 m3/min的注入速率注入2115 m3水(Kaieda et al., 2010)，期間記錄到107個微震事件，最大震級僅為0.3級(Sasaki and Kaieda, 2000).

(3)關(guān)井后發(fā)生最大誘發(fā)地震的案例.韓國浦項(Pohang) EGS項目在2016年開始實施了4次水力壓裂，注入總量為12800 m3、注入速率1.00～46.83 L/s，每次壓裂都產(chǎn)生一系列地震、最大事件為MW3.2，但最大的MW5.5發(fā)生在壓裂關(guān)井后的2個月(Yeo et al., 2020).目前認為水力壓裂施工激活了井場附近斷層，但具體成因上分別有高壓注水直接注入到臨界斷層上(Kim et al., 2018)、孔隙壓力增加和地震相互作用共同導(dǎo)致斷層弱化(Yeo et al., 2020)等不同認識.美國蓋瑟爾斯(Geysers)EGS項目的開發(fā)始于1969年，地震活動隨著注水壓裂迅速增加，發(fā)生了包括1982年的4.6級地震、2006年的3次4.0級以上地震(Majer et al., 2007).其中的P32井在2011年10月6日開始注水壓裂，采用了先進行24小時的60～65 L/s高注入速率、此后55天內(nèi)降至25 L/s的方式，在注入結(jié)束11個月后，P32注入井周圍記錄了約3000次微震事件，震級在0.4到3級之間，研究認為與區(qū)域構(gòu)造活動有關(guān)(Jeanne et al., 2014).

(4)循環(huán)生產(chǎn)階段發(fā)生較大誘發(fā)地震的案例.德國蘭道(Landau)EGS項目2008年2月—2009年11月的循環(huán)生產(chǎn)階段，注水速率65～70 L/s、井口壓力3.0～6.0 MPa，期間發(fā)生6次ML1.6～1.9地震以及1次ML2.7地震(Evans et al., 2012).英國羅斯馬諾衛(wèi)斯(Rosemanowes)EGS項目3號井在1985年8月—1989年12月的循環(huán)生產(chǎn)階段，在井口壓力為11.1 MPa、注入速率33 L/s時(低于循環(huán)生產(chǎn)階段的峰值注入速率38 L/s，也低于注入壓裂階段的峰值注入速率260 L/s)，1987年7月發(fā)生的ML2.0地震被認為激活了井口附近的小尺度斷層(Evans et al., 2012).瑞典菲亞巴卡(Fj?llbacka)EGS項目在1989年的循環(huán)生產(chǎn)階段，采用注入速率1.8 L/s和3.0～5.2 MPa井口壓力進行了40天循環(huán)生產(chǎn)試驗，漏液率達到50%，期間在井口400 m范圍內(nèi)記錄到幾百次微震事件，含一次有感地震(Eliasson et al., 1990).德國安達赫治(Unterhaching)EGS項目在循環(huán)生產(chǎn)階段，以注入速率120 L/s和井底壓力超過地層壓力2.5 MPa的參數(shù)下，記錄到注入井口附近1 km范圍內(nèi)發(fā)生了11次0.7～2.4級地震(Kraft et al., 2009)，被認為與注入井穿過的斷層活動有關(guān)(Wolfgramm et al., 2007).

綜合上述分析可見，最大的誘發(fā)地震未必發(fā)生在注水壓裂階段，其還可在關(guān)井后、循環(huán)生產(chǎn)等各階段發(fā)生.而3級以上的破壞性地震主要與過井斷層或井場周圍斷層的活化有關(guān)，且并不與高注入速率、井底壓力是否超過最小水平應(yīng)力等因素有簡單的必然關(guān)聯(lián).

2 干熱巖開采誘發(fā)地震的成因機理

2.1 注入時誘發(fā)地震的發(fā)生機理

干熱巖開采誘發(fā)地震的基本成因機理，總體上被認為與儲層巖石的應(yīng)力狀態(tài)改變和斷層激活有關(guān)(Zang and Stephansson, 2010)，并要求斷層上的應(yīng)力達到破壞強度的臨界值(Kim et al., 2018).但與其他新型工業(yè)活動誘發(fā)地震不同的是，干熱巖開采誘發(fā)地震涉及到固-液-熱-化學(xué)多場耦合過程，不能單一的用某種機制來解釋(Rawal and Ghassemi, 2014).由于誘發(fā)地震的高度復(fù)雜性，其具體的物理演化過程與形成機理的基本理論解釋仍在探索中.

干熱巖開采誘發(fā)地震的成因較為復(fù)雜，涉及多種物理過程：(1)孔隙壓力擴散誘發(fā)地震.流體注入儲層后，隨著孔隙壓力的增加，預(yù)先存在的斷層摩擦阻力隨之減小、引發(fā)地震.已有諸多研究表明，當斷層接近臨界狀態(tài)時，孔隙壓力的微小增加會通過降低有效正應(yīng)力而導(dǎo)致斷層破壞(Majer et al., 2007; Rathnaweera et al., 2020)；(2)溫度變化誘發(fā)地震.一種觀點認為，注入的較冷的流體與高溫巖石相互作用，引起熱彈性應(yīng)變并造成裂縫表面的收縮，裂縫的輕微張開會減少靜摩擦，并觸發(fā)沿區(qū)域應(yīng)力場中已經(jīng)接近破壞的裂縫滑動(Rawal and Ghassemi, 2014).此外沿儲層巖石非均質(zhì)斷層的熱應(yīng)力調(diào)制，也被認為顯著影響注入誘發(fā)地震活動的發(fā)生(Norbeck et al., 2018)，也即注入流體冷卻巖石并增加孔隙壓力，由此形成熱彈性和孔隙彈性應(yīng)力的變化并誘發(fā)地震活動(Johnson, 2017; Yu et al., 2018)；(3)流體注入和回采導(dǎo)致的體積變化誘發(fā)地震.當從儲層回抽或注入流體時儲層巖石可能會壓實或受壓，這些體積變化會引起局部應(yīng)力擾動.當局部應(yīng)力已經(jīng)接近破壞狀態(tài)時，可能導(dǎo)致儲層內(nèi)部或周圍發(fā)生地震.體積變化引發(fā)地震或巖爆等事件更常見于深部礦井的礦物開采(Majer et al., 2007).此外，流體注入誘發(fā)地震活動還包括流體直接進入已有斷層引起的膨脹壓力擾動(Eaton and Igonin, 2018; Zang et al., 2019)；(4)裂隙表面的化學(xué)性質(zhì)變化誘發(fā)地震.外部流體注入地層可能會導(dǎo)致裂隙表面的地球化學(xué)性質(zhì)變化，從而改變這些表面上的摩擦系數(shù)，而此類情況下摩擦系數(shù)減少容易發(fā)生微震、摩擦系數(shù)增大則容易發(fā)生較大震級事件(Pennington et al., 1986)；(5)地震之間相互作用誘發(fā)地震.誘發(fā)地震的靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)力變化本身可能會引發(fā)其他地震，在某些情況下這些應(yīng)力變化還會抑制進一步的地震活動(Catalli et al., 2013).

干熱巖開采誘發(fā)地震可能是多種機制共同作用的結(jié)果.圖3給出了干熱巖開采EGS項目的部分誘發(fā)地震發(fā)生機理示意圖，包括對上述物理過程(1)—(3)的描述，以及對與儲層直接相連的斷層(圖中標號1)和與儲層相隔一定距離斷層(圖中標號2)兩種情況.圖3a為注水壓裂階段，由于儲層被注入液體填滿，造成孔隙壓力增加，同時也使巖體的體積變化引起孔隙彈性應(yīng)力變化，因此斷層1和2均受到擠壓的應(yīng)力作用.其中，孔隙彈性應(yīng)力變化的大小取決于壓力變化、巖體的彈性性質(zhì)和承受壓力的巖體的幾何形狀(Segall and Fitzgerald, 1998; Soltanzadeh and Hawkes, 2008).圖3b為回采階段，此時由于冷水的注入和回收導(dǎo)致了干熱巖儲層的溫度下降、巖石體積縮小，進而對斷層1和2產(chǎn)生了拉張的應(yīng)力作用，即熱彈性應(yīng)力.與其他注入誘發(fā)地震不同(廢水注入等)，熱彈性應(yīng)力是干熱巖開采獨有的地震誘發(fā)機制.圖3c和d分別為與圖3a和b對應(yīng)的摩爾應(yīng)力圓(Buijze et al., 2019).

圖3 干熱巖開采EGS項目誘發(fā)地震發(fā)生機理示意圖.圖中E為楊氏模量，σ為應(yīng)力，υ為泊松比，T為溫度，τ為剪應(yīng)力，P為孔隙應(yīng)力.根據(jù)Buijze等(2019)改繪Fig.3 The mechanism diagram of earthquake induced by EGS project of hot dry rock mining. In the figure, E is young′s modulus, σ is stress, υ is Poisson′s ratio, T is temperature, τ is shear stress, P is pore stress. Modified from Buijze et al., 2019

在機理和理論研究上，干熱巖開采誘發(fā)地震的認識經(jīng)歷了長期過程.最早試圖解釋干熱巖開采誘發(fā)地震的機理始自20世紀70年代.Kisslinger和Cherry(1970)利用Biot增量應(yīng)變理論描述了橫波沿斷層傳播時垂直于剪切破壞面的瞬態(tài)拉應(yīng)力的變化.如果拉應(yīng)力大于其臨界值，則通過減小斷層上的正應(yīng)力來實現(xiàn)斷層弱化，從而引發(fā)斷層失穩(wěn)并產(chǎn)生地震.目前正在探索的解釋干熱巖開采誘發(fā)地震發(fā)生機制的基本理論包括：

(1)摩爾-庫侖理論和庫侖應(yīng)力變化理論.Kisslinger(1976)用有效應(yīng)力理論和摩爾-庫侖理論解釋了地熱流體注入誘發(fā)地震活動性的機理.對多孔介質(zhì)，在主應(yīng)力不變的情況下，當孔隙壓力增大時，摩爾圓趨向于向左移動，當摩爾圓與破壞包絡(luò)線相切時導(dǎo)致剪切破壞.但由于流體注入地熱儲層引起化學(xué)礦物學(xué)改變，上述摩爾-庫侖理論并未解釋預(yù)先存在的斷層中的泥狀物質(zhì)可能出現(xiàn)明顯弱化的情況.Bl?cher等(2018)通過耦合滑移傾向分析和摩爾-庫侖理論，研究了地下應(yīng)力狀態(tài)變化對預(yù)存斷層滑移傾向的影響.利用真三軸破壞準則和斷層滑移趨勢研究，證明了摩爾-庫侖理論不一定是注入誘發(fā)地震分析中的最終破壞準則，并得到可通過垂直于斷層的單位矢量的三維余弦值來確定斷層方向.Li等(2018)基于Nur和Booker(1972)的經(jīng)典觸發(fā)機制和摩爾-庫侖理論，引入庫侖應(yīng)力變化對有效應(yīng)力變化進行了修正，并認為預(yù)先存在斷層和裂縫的破壞是通過有效正應(yīng)力的局部減小、剪應(yīng)力的增加或兩者同時引發(fā).

(2)臨界壓力理論(CPT)和速率-狀態(tài)依賴性摩擦本構(gòu)關(guān)系(RST).CPT和RST分別由 Shapiro(2015)和Dieterich(1994)發(fā)展，目前已被用于評估干熱巖開采誘發(fā)地震活動(Wenzel, 2017).CPT假定局部的地震密度與流體注入速率的關(guān)系，僅考慮有效法向應(yīng)力的臨界變化.RST相比CPT更為復(fù)雜，它解釋了孔隙壓力變化和誘發(fā)地震活動的時間延遲，且同時考慮了正應(yīng)力和剪切應(yīng)力的變化，并描述了斷層活動行為(Wenzel, 2017).

(3)自電場理論也是研究干熱巖開采誘發(fā)地震機理的重要理論(Bogoslovsky and Ogilvy, 1970)，誘發(fā)地震區(qū)域通常會伴生自電場異?，F(xiàn)象.相比熱電勢和擴散勢，干熱巖壓裂注入流體的流動勢是自電場異常最重要的來源(Jardani et al., 2008)，因此除理解誘發(fā)地震機理外，自電場異常也被用來監(jiān)測深部地熱儲層的水文參數(shù)(Murakami et al., 2001).Troiano等(2017)基于水-熱耦合的多物理模型和基于數(shù)值計算的非飽和水熱輸運模型，解釋了自電場現(xiàn)象是一種地震后事件，并可利用自電場異常評估誘發(fā)地震風險.

2.2 注入后誘發(fā)地震的發(fā)生機理

干熱巖開采誘發(fā)地震存在一類特殊現(xiàn)象，就是在關(guān)井后仍可發(fā)生地震，這被稱為“尾隨效應(yīng)”(Segall and Lu, 2015).關(guān)于尾隨效應(yīng)的解釋目前仍不成熟，且發(fā)現(xiàn)孔隙彈性效應(yīng)、注入策略和熱機械過程均可導(dǎo)致尾隨效應(yīng)的發(fā)生.

孔隙壓力擴散被認為可用于解釋尾隨效應(yīng).Parotidis等(2004)從孔隙壓力擴散與地震活動關(guān)系角度，解釋了關(guān)井后的誘發(fā)地震發(fā)生機制，但僅考慮了儲層的線性孔隙彈性響應(yīng)，而未考慮非線性和完全耦合的孔隙彈性應(yīng)力，因此在物理過程描述上存在明顯缺陷(Goebel and Brodsky, 2018).Segall和Lu(2015)認為孔隙彈性效應(yīng)可能是尾隨效應(yīng)的主因.Baisch等(2010)通過對大型斷層上的水力超壓進行數(shù)值模擬，闡明了注入后誘發(fā)地震活動的機理.研究表明，關(guān)井后局部水壓升高導(dǎo)致了孔隙壓力擴散并使斷層接近臨界應(yīng)力狀態(tài)，少量的應(yīng)力變化會導(dǎo)致大面積的超臨界狀態(tài)，增加關(guān)后地震發(fā)生的可能性.Mukuhira等(2017)研究表明，關(guān)井后的孔隙壓力分布更傾向于覆蓋和破壞大范圍的裂隙或斷層，如果大部分裂隙或斷層已經(jīng)達到臨界應(yīng)力狀態(tài)，當再分布的孔隙壓力局部超過臨界孔隙壓力時，可能導(dǎo)致局部剪切滑移、引發(fā)大地震事件.

關(guān)井后注入井附近斷層的正常閉合被認為是尾隨效應(yīng)的重要機制.這種機制認為，流體注入期間儲層內(nèi)的裂隙或斷層的張開度增加，當流體注入終止時，由于井口壓力的快速下降，裂隙或斷層開始關(guān)閉并作為流體屏障阻止了流體回流、促進流體朝更遠區(qū)域流動.當加壓流體擾動了處于臨界應(yīng)力狀態(tài)的裂縫時，容易發(fā)生尾隨效應(yīng)(Ucar et al., 2017).McClure和Horne(2011)使用剪切引起的孔體積膨脹解釋了尾隨效應(yīng)，也有研究認為剪切滑動受斷層剪切擴張的強烈影響(Dang et al., 2019).此外，Zang等(2013)認為尾隨效應(yīng)與注入速率的突變有關(guān)，Zhuang等(2016, 2017)的室內(nèi)實驗以及Zang等(2017)的野外現(xiàn)場實驗為這一觀點提供了證據(jù).

干熱巖儲層的其他物理過程也被認為可解釋尾隨效應(yīng).De Simone等(2017)認為在尾隨效應(yīng)研究中應(yīng)將發(fā)生在靠近注入井的裂縫中的平流和發(fā)生在遠處稀疏裂縫區(qū)域的彌散性分開考慮，在數(shù)值模擬研究中需要考慮流體力學(xué)、熱力學(xué)和滑移引起的應(yīng)力變化三個主要耦合過程.熱力過程也可能會影響注入后的地震活動，在流體注入過程中熱對流是傳熱的主導(dǎo)過程，但當流體注入停止時對流消失，隨后熱傳導(dǎo)控制緩慢冷卻過程，從而在關(guān)井后長期保持熱應(yīng)力，而熱應(yīng)力反過來又促進了剪切滑移的觸發(fā)、擾動了應(yīng)力場并通過降低水力梯度荷載影響斷層的穩(wěn)定性(Deichmann et al., 2014).

3 誘發(fā)地震減災(zāi)措施

3.1 風險評估監(jiān)控措施

采用科學(xué)合理的地震風險管控措施是干熱巖開采過程中減輕地震災(zāi)害威脅的重要途徑，也是采取緩解措施的重要基礎(chǔ).目前世界各國干熱巖開采風險管控的措施包括如下環(huán)節(jié)：

(1)開采前的地震風險評估和生產(chǎn)許可.概率地震危險評估(PSHA)是開采前進行場地地震安全性評價的重要方法，一般是評估注入誘發(fā)地震的特征，包括超出預(yù)期的地震發(fā)生率和斷層位移量(McGuire, 2004).由于PSHA是用來預(yù)測構(gòu)造地震災(zāi)害的，因此難以涵蓋干熱巖增產(chǎn)和生產(chǎn)階段，并且忽略了排量和流體注入量的影響(Hakimhashemi et al., 2014)，這也決定了開采前的地震危險性和風險評估僅僅是風險管控的一般性參考.干熱巖開采前的地震風險評估在部分國家已被制度化，例如荷蘭自2003年起，在《采礦法》中規(guī)定包括干熱巖的開采活動需要事先進行地震風險評估、擬定緩解措施的說明，并作為申請生產(chǎn)許可的必要條件(Muntendam-Bos et al., 2015; Wiemer et al., 2017).這些評估還需要給出預(yù)期最大震級、監(jiān)測計劃并經(jīng)能源監(jiān)管部門批準，如果地震震級或影響超過計劃或批準范圍，能源監(jiān)管部門就可以干預(yù)(Van Eck et al., 2006).

(2)建立誘發(fā)地震監(jiān)測臺網(wǎng).實時運行的地震監(jiān)測臺網(wǎng)是干熱巖開采誘發(fā)地震風險管控的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在干熱巖開采區(qū)建立合理的地震監(jiān)測臺網(wǎng)、實現(xiàn)對誘發(fā)地震的高精度有效監(jiān)測目前已成為幾乎所有干熱巖開采項目的通行做法.例如在芬蘭埃斯波(Espoo)的地熱井中使用了24臺鉆孔地震儀網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)測誘發(fā)的地震事件，這成功地避免了MW2.0及以上誘發(fā)地震的成核作用(Kwiatek et al., 2019).由于在實時的風險管控紅綠燈系統(tǒng)(TLS)中，常常采用震級、峰值地面速度(PGV)作為風險管控分級的輸入?yún)?shù)，因此地震監(jiān)測臺網(wǎng)一般同時采用速度型地震計、強震動儀等分別組網(wǎng)，并采用地表淺井、深井陣列等多種方式提高誘發(fā)地震檢測識別和參數(shù)測定的精度與可靠性.為確保誘發(fā)地震監(jiān)測臺網(wǎng)可達到減災(zāi)目的，一些國家專門制定了相應(yīng)的地震監(jiān)測法規(guī)(Van Eck et al., 2006; Grigoli et al., 2017).

(3)實時風險管控技術(shù)系統(tǒng).借助實時的、分級的地震風險管控技術(shù)系統(tǒng)將可極大提高干熱巖開采誘發(fā)地震風險管控科學(xué)性和實際效率.目前常采用的此類系統(tǒng)是紅綠燈系統(tǒng)(TLS)，也即采用震級、PGV或地震風險評估值等閾值，以及開采區(qū)社會公眾的風險可接受程度來確定風險等級(綠、黃、橙、紅等)，根據(jù)誘發(fā)地震實際發(fā)生情況或前瞻性的向前預(yù)測來及時調(diào)整壓裂增產(chǎn)或返排、流體抽取等施工措施(H?ring et al., 2008; Ellsworth, 2013; Bosman et al., 2016; Baisch et al., 2019; Ader et al., 2020).

3.2 誘發(fā)地震的前瞻性預(yù)測

在破壞性的較大的誘發(fā)地震發(fā)生前實現(xiàn)前瞻性的預(yù)測，是減輕干熱巖開采誘發(fā)地震風險的重要途徑.前瞻性的預(yù)測在開采前的場地風險評估、壓裂增產(chǎn)和開采過程中的TLS運行都需要進行，但鑒于其重要性，這里單獨描述研究進展.相比天然地震極高的預(yù)測難度(Foulger et al., 2018)，包括干熱巖開采在內(nèi)的流體注入誘發(fā)地震活動的預(yù)測難度明顯降低，這是由于地熱儲層的流體注入過程是可控的、也可更多地獲取施工參數(shù)和井下物理化學(xué)狀態(tài).目前得到發(fā)展的干熱巖開采誘發(fā)地震前瞻性預(yù)測主要集中在對最大震級的預(yù)測，已發(fā)展的主要方法：

(1)統(tǒng)計預(yù)測方法.統(tǒng)計預(yù)測方法只需要記錄儲層刺激之前和期間的地震事件目錄(Schoenball et al., 2012; Luginbuhl et al., 2018)，其中包括發(fā)生時間、震級和事件地點(Langenbruch et al., 2011).早期的統(tǒng)計預(yù)測方法研究中，Shapiro等(2010)以及Dinske 和 Shapiro(2013)利用震級-頻度分布曲線預(yù)測后續(xù)階段的地震，但該方法假設(shè)地熱儲層的孔隙壓力恒定不變或增加，在關(guān)井階段不具有可參考性.Barth等(2013)提出的統(tǒng)計預(yù)測模型被認為可有效評估關(guān)井后注入誘發(fā)地震的發(fā)生概率.Shapiro等(2011)發(fā)展了評估注入點的地震構(gòu)造狀態(tài)的發(fā)震指數(shù)方法，并認為發(fā)震指數(shù)隨時間變化大致穩(wěn)定(Dinske and Shapiro, 2013).該方法對誘發(fā)地震的發(fā)生概率預(yù)測是通過建立了高于震級閾值(M)的地震事件預(yù)測數(shù)量(NM)、G-R關(guān)系的斜率(b值)、累積流體注入量(Q)和發(fā)震指數(shù)(Σ)之間的關(guān)系來實現(xiàn)，并要求b值和發(fā)震指數(shù)Σ隨時間保持不變預(yù)測才有效.McGarr(2014)假設(shè)誘發(fā)地震是由于流體注入體積變化造成的斷層有效法向應(yīng)力變化，局部誘發(fā)地震事件被限制在流體注入?yún)^(qū)，給出了最大震級與凈注入體積(ΔV)之間的線性關(guān)系，可用來估計誘發(fā)地震的地震矩上限.但由于忽略了注入流體在儲層內(nèi)外擴散的方式或位置等流體力學(xué)細節(jié)，該方法的適用性受到了限制(Van Der Elst et al., 2016; Li et al., 2018).

(2)物理預(yù)測方法.基于物理的預(yù)測方法模擬流體注入引起的儲層物理變化，并間接使用記錄的地震目錄進行模型校準(Cloetingh et al., 2010).這些方法考慮了地下特征，包括空間和時間的應(yīng)力變化、斷層破壞準則和破裂動力學(xué)、熱傳導(dǎo)和對流等.Galis等(2017)利用破裂物理學(xué)來解釋破裂在應(yīng)力擾動區(qū)域之外的傳播，區(qū)分出已記錄的破裂和逃逸型破裂，并建立了量化的物理模型來估計由孔隙壓力擾動引起的最大破裂尺度.該模型考慮了包括孔隙壓力、摩擦參數(shù)和應(yīng)力狀態(tài)對破裂傳播的作用，并將估計的逃逸型破裂最大震級表示為與動摩擦系數(shù)μd、背景應(yīng)力降Δτ0、儲層巖石體積模量K、儲層厚度h的簡化表達式.

同樣由于干熱巖開采過程涉及到固-液-熱-化學(xué)等多場耦合問題，進行誘發(fā)地震的前瞻性預(yù)測難度較大.為說明EGS項目前瞻性預(yù)測的技術(shù)選擇難點，本文利用表1的震例分析了誘發(fā)震級與累積注水體積和注入速率的關(guān)系，只選擇了表1里有明確的ML或MW震級標度、最大震級大于1級的19個EGS項目和誘發(fā)地震案例，結(jié)果如圖4所示.對圖4a和b的分析表明，在全球EGS項目之間的橫向?qū)Ρ壬希鄯e注水體積、注入速率兩個參數(shù)與誘發(fā)最大震級之間均不存在明顯的簡單的線性關(guān)系，但對于注入速率如果不考慮Rosemanowes、Bad Urach和Desert Peak三個EGS項目，可發(fā)現(xiàn)最大震級與注入速率之間存在正比增加的趨勢、3級以上地震更傾向于出現(xiàn)在注入速率接近50 L/s時.圖4c給出了韓國浦項(Pohang)EGS項目各注入階段的累積注水體積與序列最大震級的關(guān)系，與目前對前瞻性預(yù)測科學(xué)認識相一致的是，累積注水體積能夠很好地反映最大震級的預(yù)期水平，盡管MW5.5地震的發(fā)生機制仍存在爭議.圖4d給出了瑞士巴塞爾(Basel)和韓國浦項(Pohang)EGS項目各注入階段的注水速率與序列最大震級的關(guān)系，展示了兩者的完全不相關(guān)性.總結(jié)來看可獲得如下認識：(1)在全球EGS項目的橫向比較上，累積注水體積、注水速率與最大誘發(fā)震級之間不存在統(tǒng)一的相依關(guān)系，可能是由每個項目自身的場地地質(zhì)條件和地震活動水平的巨大差異造成，但注水速率控制在50 L/s以內(nèi)有利于限制3.0級以上誘發(fā)地震的發(fā)生；(2)對具體的EGS項目而言，目前廣泛采用的利用累積注水體積預(yù)估誘發(fā)最大震級的技術(shù)方法仍有適用性，而注入速率則未展現(xiàn)這種普適作用.

圖4 誘發(fā)地震震級與累積注水體積和注入速率的關(guān)系Fig.4 The statistical relationship between the magnitude of induced seismicity and cumulative injection volume and injection rate

3.3 緩解風險措施

除了及時對誘發(fā)地震災(zāi)害風險進行監(jiān)測、評估，甚至前瞻性預(yù)測外，對出現(xiàn)了不同風險等級警告后，還應(yīng)采取具體的緩解風險的措施.目前已有的實踐與認識包括：

(1)采用科學(xué)的流體注入策略.與天然地震不同，干熱巖開采可通過控制流體注入速率(排量)、注入總量、井口壓力等工程措施實現(xiàn)減輕誘發(fā)地震災(zāi)害風險.當紅綠燈系統(tǒng)(TLS)出現(xiàn)風險等級最高的紅色警告時，一般會采用直接停止注入作業(yè)和關(guān)井的方式(Porter et al., 2019)，并在地震活動恢復(fù)至背景水平后，經(jīng)過能源監(jiān)管部門批準方可復(fù)工(Braun et al., 2020)，例如芬蘭赫爾辛基阿爾托大學(xué)(Aalto University)城市校區(qū)干熱巖開發(fā)項目.當出現(xiàn)橙色警告時，會采用減少流體注入量等調(diào)整注入?yún)?shù)等方式(Ader et al., 2020).TLS作為實現(xiàn)地震災(zāi)害風險管控的核心技術(shù)系統(tǒng)，是銜接監(jiān)測系統(tǒng)、風險調(diào)查系統(tǒng)、前瞻性預(yù)測系統(tǒng)、監(jiān)管與決策系統(tǒng)的關(guān)鍵.此外，在具體的流體注入策略和技術(shù)實現(xiàn)上，包括周期性軟壓裂(CSS)管控措施近年來也得到應(yīng)用嘗試，這是采用了疲勞水力壓裂概念(Zang et al., 2013)，通過控制壓力和流量、交替進行加壓和減壓，來實現(xiàn)對裂隙邊緣應(yīng)力的控制、力圖將可能發(fā)生的大震級事件轉(zhuǎn)化為大量的微震事件(Yoon et al., 2015).目前，CSS的措施已在韓國浦項EGS站點進行了嘗試(Hofmann et al., 2018).除了以上方式，還存在如運用側(cè)支管概念，將注入流體產(chǎn)生的壓力分配在注入井的兩個獨立端之間等技術(shù)嘗試(Breede et al., 2013).

(2)及時對注采策略進行驗證校準.當鉆井完成后，應(yīng)制定對誘發(fā)地震危險性和災(zāi)害風險模型的驗證和校準策略，包括對低發(fā)生率和高災(zāi)害后果事件的充分考慮.能源開采監(jiān)管機構(gòu)也需要設(shè)定明確的驗收標準、明確能源開采運營企業(yè)在整個項目周期內(nèi)的風險控制目標(Wiemer et al., 2017).對壓裂增產(chǎn)階段的注采參數(shù)和工程措施、誘發(fā)地震潛在危險性和風險評估模型等，在各階段應(yīng)及時進行專門的測試和校準，確認是否達到了預(yù)期效果.例如，利用施工早期階段觀測的誘發(fā)地震強地面運動數(shù)據(jù)，及時校準預(yù)先設(shè)置的地震動預(yù)測模型(GMPE)，以及根據(jù)誘發(fā)地震的發(fā)生率和震級來驗證災(zāi)害風險評估中的假設(shè)是否合理等等(Zang et al., 2013).在具體的干熱巖施工過程中，穩(wěn)妥的方式是采用分階段實施的方式，施工與注采策略驗證校準交替進行，這可能是緩解誘發(fā)地震災(zāi)害風險的重要途徑.

(3)持續(xù)開展地震活動監(jiān)測和緩解風險措施.受到誘發(fā)地震機理復(fù)雜性影響，干熱巖開采區(qū)在關(guān)井停產(chǎn)多年后仍可觀測到誘發(fā)地震活動，例如既有瑞士圣加侖地區(qū)干熱巖開采區(qū)生產(chǎn)測試后地震活動立即停止(Diehl et al., 2017)，也有瑞士巴塞爾地區(qū)開采活動結(jié)束11年后地震活動仍處于較高水平的情況(Kraft et al., 2016).這在客觀上需要對開采區(qū)進行長期的、持續(xù)的地震活動監(jiān)測，并保持誘發(fā)地震風險緩解措施長期運行有效.對此類復(fù)雜情況除持續(xù)監(jiān)測外，Rathnaweera等(2020)還建議應(yīng)以完全透明的方式對社會公眾在內(nèi)的各方提供誘發(fā)地震活動發(fā)生實況，以及未來預(yù)期地震活動等信息.此外，從長期角度看，完全消除干熱巖開采誘發(fā)地震幾乎不可能，這需要對整體的和長期的風險與開采商業(yè)收益之間平衡好，例如采用“風險-成本-效益”分析模式來保障在高度不確定性下進行復(fù)雜決策的科學(xué)性(Fischhoff, 2015).

4 總結(jié)和討論

4.1 主要認識

本文整理了可獲得數(shù)據(jù)信息的全球79個干熱巖開發(fā)項目的注水與相關(guān)誘發(fā)地震數(shù)據(jù)，系統(tǒng)總結(jié)了干熱巖開采誘發(fā)地震的總體情況、成因機理、減災(zāi)措施等領(lǐng)域目前的國內(nèi)外研究動態(tài)，分析了各領(lǐng)域存在的問題.對國際上關(guān)于干熱巖開采誘發(fā)地震研究現(xiàn)狀的分析表明：

(1)在全球干熱巖開采尤其是利用EGS技術(shù)建儲的項目中，誘發(fā)地震最大震級超過2.0級的占68.8%、超過3.0級的達到31.2%，其中最大的誘發(fā)地震事件達到MW5.5.鑒于誘發(fā)地震活動的普遍性，減輕地震災(zāi)害風險成為干熱巖地熱資源開發(fā)不可回避的重要事項.最大震級的誘發(fā)地震可發(fā)生在注水壓裂、關(guān)井后、循環(huán)生產(chǎn)等各階段，破壞性地震的發(fā)生主要與過井斷層或井場周圍斷層的活化有關(guān).

(2)干熱巖開采誘發(fā)地震的成因機理，由于涉及到固-液-熱-化學(xué)等多場耦合過程，包括孔隙壓力擴散、溫度變化、流體注入和回采導(dǎo)致的體積變化、裂隙表面的化學(xué)性質(zhì)變化、地震之間相互作用等多種因素，都可能是誘發(fā)地震的成因.通過對已有機理認識的震例分析表明，這些震例均為多因素和多機理共同作用.目前對流體注入時的誘發(fā)地震發(fā)生機理，已發(fā)展了摩爾-庫侖和庫侖應(yīng)力變化準則、臨界壓力和速率-狀態(tài)依賴性摩擦本構(gòu)關(guān)系、自電場等理論框架.關(guān)井后仍發(fā)生誘發(fā)地震的尾隨效應(yīng)，是目前減輕干熱巖開采誘發(fā)地震災(zāi)害風險的重大難點、尚無完全成熟技術(shù)參照，科學(xué)上正在積極探索利用孔隙壓力擴散、斷層閉合、熱力過程變化等機理解釋研究.

(3)在誘發(fā)地震減災(zāi)措施上，目前已嘗試采用在開采前進行地震風險評估與生產(chǎn)許可、建立誘發(fā)地震監(jiān)測臺網(wǎng)、采用實時風險管控技術(shù)系統(tǒng)等措施，研發(fā)了前瞻性的統(tǒng)計預(yù)測和物理預(yù)測方法.由于全球EGS項目的場地地質(zhì)條件和地震活動水平的巨大差異，累積注水體積、注水速率與最大誘發(fā)震級之間不存在普適性的定標關(guān)系，但注水速率<50 L/s有利于限制3.0級以上地震的發(fā)生，對具體的EGS項目應(yīng)采用“一井一策”的前瞻性預(yù)測和風險管控方案.

(4)在緩解誘發(fā)地震災(zāi)害風險上，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界開展了面向限制地震發(fā)生的流體注入策略、及時對注采策略進行驗證校準、持續(xù)性的地震活動監(jiān)測和施加緩解措施等探索實踐，但這些緩解誘發(fā)地震災(zāi)害風險的技術(shù)有效性仍有待更多的檢驗，總體上屬于將現(xiàn)有科學(xué)知識用于最大限度緩解災(zāi)害風險的嘗試階段.

4.2 存在問題和技術(shù)趨勢

綜合來看，當前在干熱巖開采活動中減輕誘發(fā)地震災(zāi)害風險仍面臨一些難點問題，包括：(1)對地下應(yīng)力狀態(tài)的量化分析.這包括需要了解地下初始應(yīng)力狀態(tài)、由于流體注入而引起的應(yīng)力時空演化，以及斷層失穩(wěn)的應(yīng)力臨界閾值.而為了理解孔隙壓力耗散、熱擴散以及化學(xué)礦物學(xué)和孔隙彈性變化等對預(yù)存斷層的局部應(yīng)力狀態(tài)的影響，也必須獲得量化的應(yīng)力狀態(tài).但由于干熱巖開采過程涉及到固-液-熱-化學(xué)等多場耦合問題，應(yīng)力狀態(tài)的量化仍然是非常具有挑戰(zhàn)性的難題.(2)斷層系統(tǒng)復(fù)雜性及其影響.斷層系統(tǒng)的復(fù)雜性限制了對流體注采誘發(fā)地震的預(yù)測能力.盡管可以定性地確認流體的注入改變了地熱儲層的應(yīng)力場，大多數(shù)誘發(fā)地震也確實發(fā)生在儲層內(nèi)，但是對注入流體與斷層系統(tǒng)之間相互作用的評估和解釋仍難度極高(Yoon et al., 2014).對基巖的地熱儲層內(nèi)的先存斷層與裂縫的探測識別，目前在勘探地球物理學(xué)領(lǐng)域仍屬于難點問題.而事實上，目前的破壞性誘發(fā)地震也主要是與盲斷層的活化有關(guān)(Choi et al., 2019)，儲層以外的偏遠斷層系統(tǒng)也?？刂浦T發(fā)地震的持續(xù)發(fā)生(Mukuhira et al., 2017).(3)科學(xué)合理的流體注入策略.盡管目前在紅綠燈系統(tǒng)(TLS)中已經(jīng)采用了多種模式的緩解地震災(zāi)害風險的流體注入策略，以及采用基于疲勞水力壓裂(Zang et al., 2013)和多階段水力壓裂(Meier et al., 2015)理論的流體注入策略也得到嘗試，但包括CCS措施并沒有阻止韓國浦項(Pohang)MW5.5地震的發(fā)生.這使得持續(xù)地開展更廣泛的流體注采參數(shù)對誘發(fā)地震活動影響研究，探索真正可有效減輕誘發(fā)地震災(zāi)害風險的注采工程措施，仍極為必要.

目前一些新技術(shù)的應(yīng)用，為突破干熱巖開采過程中減少誘發(fā)地震災(zāi)害風險的科學(xué)瓶頸提供了新的思路.例如，利用穿透式雷達和光纖傳感器監(jiān)測地熱儲層注采過程的研究(Barnwal et al., 2017)，利用物聯(lián)網(wǎng)(loT)和深度學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)在真實溫度壓力條件下實時感知、測量和傳輸信息(Mohanty, 2017)，利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)技術(shù)提升誘發(fā)地震事件預(yù)測的準確性(Wang et al., 2017)，探索利用超臨界二氧化碳作為注入的熱交換載體技術(shù)，以及評估其對誘發(fā)地震的影響(Brown, 2000)等等.在前瞻性預(yù)測方向，從統(tǒng)計預(yù)測模型、物理預(yù)測模型以及借鑒兩者優(yōu)缺點的混合型模型(hybrid model)也在持續(xù)開發(fā)探索中.然而，系統(tǒng)性地解決干熱巖開采誘發(fā)地震成因機理、減輕地震災(zāi)害風險的有效管控措施等問題，仍是長期且艱巨的過程.作為潛力巨大的綠色新型能源，干熱巖開采活動未來也必將突破商業(yè)上完全成熟可行的各類問題，以安全、環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的方式開發(fā)利用.

4.3 對我國干熱巖開采誘發(fā)地震風險防控的啟示

我國干熱巖儲量豐富、開采潛力巨大.目前已在青海貴德-共和盆地、福建漳州、松遼盆地、四川康定、山東利津(許天福等, 2018)、海南北部、河北樂亭(齊曉飛等, 2020)等開展試采工作和規(guī)?；瘔毫?在EGS建儲相關(guān)的誘發(fā)地震研究和風險管控技術(shù)體系建設(shè)上，相比北美、歐洲和澳洲等地區(qū)，我國總體起步較晚、尚未系統(tǒng)開展.鑒于當前全球在干熱巖開采活動中減輕誘發(fā)地震災(zāi)害風險仍面臨難點，為確保能源戰(zhàn)略順利實施和社會公眾的地震安全保障，我國亟待開展相關(guān)研究、迎頭趕上.

其中應(yīng)采用的與開采施工活動相關(guān)的技術(shù)措施包括但不限于：(1)由于我國大陸地區(qū)尤其是西部地區(qū)的構(gòu)造變形劇烈、地層差應(yīng)力大，利用EGS技術(shù)的干熱巖儲層建造，面臨誘發(fā)地震災(zāi)害的風險較大.應(yīng)對開采場地進行地震安全性評價，井場應(yīng)盡量遠離具備發(fā)震能力的活斷層、對已知斷層開展滑移趨勢分析，開展施工前的地震災(zāi)害風險評估；(2)在開采場區(qū)建立完善的地震監(jiān)測系統(tǒng)，包括采用地面與深井相結(jié)合的高精度微震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、覆蓋周邊有人居住區(qū)域和重大基礎(chǔ)設(shè)施的強震動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，以及電磁法等和重力觀測網(wǎng)絡(luò)，開展實時地震監(jiān)測速報，測定震源機制和應(yīng)力降等震源參數(shù)、監(jiān)控注入流體運移狀態(tài)、建立地震動衰減關(guān)系；(3)建立誘發(fā)地震災(zāi)害風險管控紅綠燈系統(tǒng)，利用統(tǒng)計模型、物理模型和混合模型相結(jié)合的方式實施前瞻性的誘發(fā)地震危險狀態(tài)分析，開展地震災(zāi)害風險情景構(gòu)建和動態(tài)的地震風險評估，建立開采企業(yè)、能源監(jiān)管機構(gòu)、地震行業(yè)部門、地方政府聯(lián)動的風險管控和應(yīng)急處置體系.

此外，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究領(lǐng)域，應(yīng)加強誘發(fā)地震機理的室內(nèi)實驗和理論研究，發(fā)展注采施工期間介入式的誘發(fā)地震控制、多模式的流體注入策略、誘發(fā)地震災(zāi)害風險緩解措施、考慮誘發(fā)地震災(zāi)害風險的區(qū)域地震區(qū)劃等關(guān)鍵技術(shù)，加強關(guān)井后的尾隨現(xiàn)象、地下應(yīng)力狀態(tài)量化分析、固-液-熱-化學(xué)多場耦合等關(guān)鍵問題的科技攻關(guān).

致謝中國地震局地球物理研究所鄭鈺工程師、中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心吳海東博士與作者進行了有益討論，張琰博士研究生為本文的文獻檢索提供了幫助.四位審稿人提出了建設(shè)性意見、對本文的質(zhì)量提升幫助很大.在此一并表示感謝.