黃元敏 馬勝利 李曉慧

摘要：

研究注水誘發(fā)地震的特征、發(fā)生機理和最大可能震級等對開展誘發(fā)地震的預防、危險性評價、減災策略制定等方面的工作具有重要意義。文章系統(tǒng)地梳理了國內(nèi)外關(guān)于注水誘發(fā)地震研究的主要認識和分歧。結(jié)果表明：（1）誘發(fā)地震的最大可能震級由斷層大小和應(yīng)力狀態(tài)等地質(zhì)條件決定，受注水壓力和累積注水量等參數(shù)的影響;（2）識別誘發(fā)地震的可靠方法取決于地震和注水之間的時空相關(guān)性，統(tǒng)計模型的參數(shù)以及斷層活化分析等一系列證據(jù)鏈條;（3）當斷層與流體儲層之間存在水力連接時，孔隙壓力擾動是誘發(fā)地震的主要發(fā)生機制，反之巖石基質(zhì)體積變形引起的孔隙彈性應(yīng)力變化主導了誘發(fā)地震的過程。此外，注水誘發(fā)的穩(wěn)定滑動傳播到斷層的孕震部分、流體的化學作用和小地震級聯(lián)觸發(fā)效應(yīng)也可能在注水誘發(fā)地震中發(fā)揮重要的作用。研究結(jié)果將為注水誘發(fā)地震機理研究和減輕破壞性誘發(fā)地震災害提供一定的科學參考。

關(guān)鍵詞：

誘發(fā)地震; 地震活動特征; 誘發(fā)機理; 最大震級

中圖分類號： P315????? 文獻標志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2023）02-0387-14

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220708006

Research progress on injection-induced earthquakes

HUANG Yuanmin1，2， MA Shengli1， LI Xiaohui2

（1. State Key Laboratory of Earthquake Dynamics， Institute of Geology， CEA， Beijing 100029， China;

2. Guangdong Earthquake Agency， Guangzhou 510070， Guangdong， China）

Abstract：

The characteristics， mechanisms， and maximum possible magnitude of injection-induced earthquakes are important to study for induced earthquake prevention， risk assessment， and disaster reduction strategy formulation. This paper systematically collates the main understandings and disputes of injection-induced earthquake research at home and abroad. The results indicate that the maximum possible magnitude of an induced earthquake， which is affected by water injection parameters such as injection pressure and cumulative injection volume， is determined by geological conditions such as fault size and stress state. The reliable method for identifying induced earthquakes depends on a series of evidence chains， including the time-space correlation between earthquakes and water injection， the parameters of the statistical model， and the analysis of fault activation. When a hydraulic connection exists between the fault and the fluid reservoir， the pore pressure disturbance is the main induction mechanism; when the fluid pathway is unavailable， the change in pore elastic stress caused by the volume deformation of the rock matrix plays a dominant role. In addition， the chemical action of fluid and the triggering effect of small earthquakes may also play an important role in injection-induced earthquakes. This study provides a scientific reference for studying the mechanism of injection-induced earthquakes and the mitigation of destructive induced earthquake disasters.

Keywords：

induced earthquake; seismicity characteristics; induction mechanism; maximum earthquake magnitude

0 引言

眾所周知，地震是活動斷層在構(gòu)造應(yīng)力作用下突發(fā)失穩(wěn)的結(jié)果。除了構(gòu)造地震，人們早已知道水庫蓄水和工業(yè)廢水注入等人類活動也可以誘發(fā)地震活動，甚至誘發(fā)大到足以傷害基礎(chǔ)設(shè)施和人類財產(chǎn)的地震［1-5］。近年來，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，人類對能源需求日益增大，伴隨著技術(shù)進步，能源開發(fā)從傳統(tǒng)方法擴展到頁巖氣壓裂、地熱資源開發(fā)、天然氣儲氣庫調(diào)峰等。在這些工業(yè)活動中，大規(guī)模高壓水被注入地下，勢必引起深部流體壓力增加和巖石變形，并有可能導致已存斷層活化，在一定條件下引起斷層的不穩(wěn)定滑動，誘發(fā)地震活動甚至發(fā)生破壞性地震［3，5-15］。

目前，在世界多個地區(qū)都觀測到了注水等工業(yè)活動誘發(fā)的地震活動。如美國中東部的地震活動從2009年起顯著增強，發(fā)生了多次5級以上地震，研究表明這些地震與石油和天然氣作業(yè)的廢水處理有關(guān)［5，8，14，16］。加拿大西部沉積盆地的地震活動也隨頁巖氣開采水力壓裂的增加而顯著增強［9，17-20］。隨著工業(yè)廢水處理和頁巖氣開采的快速增長，我國的四川盆地也觀測到了顯著的誘發(fā)地震活動［3，12-13，21-23］。

相對于構(gòu)造地震，注水誘發(fā)地震多發(fā)生在地震活動較弱的區(qū)域。由于發(fā)生中強地震的頻次較低，當?shù)乜拐鹪O(shè)防和應(yīng)急響應(yīng)能力一般較弱，誘發(fā)地震引起的危害可能會超過天然地震［17］。如荷蘭格羅寧根地區(qū)近50年的天然氣開采導致土地沉降，誘發(fā)地震并導致建筑物損壞，促使當?shù)鼐用癜犭x該地區(qū)［24］;韓國浦項的地熱開采誘發(fā)了2017年MW5.5地震，造成135名居民受傷，1 700多人轉(zhuǎn)移到緊急住所，損壞57 000座建（構(gòu)）筑物［25］;四川盆地的頁巖氣開采誘發(fā)了2018年興文ML5.7地震，造成大規(guī)模滑坡，致使17人受傷、390座房屋嚴重損壞和9座房屋倒塌［13］。因此，如何平衡地下能源的安全開采與地震活動之間的關(guān)系，已成為一個重要的研究課題。

關(guān)于注水誘發(fā)地震，國內(nèi)外已有大量的案例和機理研究，取得了許多重要的進展。但對于這一現(xiàn)象的許多關(guān)鍵問題仍未得到解答，如某些地震活動是否是誘發(fā)地震仍存在著爭論。雖然高壓流體注入被認為是誘發(fā)地震活動的主要“罪魁禍首”，但發(fā)生機理和最大誘發(fā)震級及其影響因素還存在著爭議。因此，本文從注水誘發(fā)地震活動特征、誘發(fā)機理，和最大可能震級等角度入手，系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外同行的研究進展，為開展注水誘發(fā)地震機理研究和防災策略制定提供科學參考。

1 工業(yè)注水與誘發(fā)地震

自美國科羅拉多州丹佛地區(qū)洛基山Arsenal誘發(fā)地震［6］和美國地質(zhì)調(diào)查局隨后在Rangely油田的地震控制實驗［26］開始，高壓廢液回注誘發(fā)地震就已廣為人知。近年來，美國中部地震活動顯著增強，許多地震都與油氣開采過程的廢水增壓回注有關(guān)［5，16，27］。伴隨著大量工業(yè)廢水源源不斷地注入地下，俄克拉荷馬州的地震活動從2009年起呈指數(shù)增長，先后發(fā)生了2011年布拉格MW5.7地震［28］、2016年費爾圍MW5.1地震［29］、波尼MW5.8地震和庫欣MW5.0 地震［14］等5級以上地震（圖1）。Langenbruch等［30］的研究結(jié)果顯示，俄克拉荷馬州絕大部分的M≥3地震都發(fā)生在注入大量廢水的區(qū)域，且地震活動在廢水回注量減少40%后出現(xiàn)大幅度減少（圖1），表明油氣開采過程的廢水增壓回注誘發(fā)了這些地震。

相比于美國中部的廢水處理，頁巖氣開采水力壓裂在加拿大西部的誘發(fā)地震中發(fā)揮了重要作用［9，17-19，31］。Atkinson等［9］利用1985—2015年的注水和地震數(shù)據(jù)，分析了加拿大西部沉積盆地不列顛哥倫比亞省和阿爾伯塔省交界地區(qū)12 289口水力壓裂井和1 236口廢水回注井與地震事件的關(guān)系，認為地震活動與水力壓裂井時空相關(guān)性更大。根據(jù)阿爾伯塔省中部Fox Creek地區(qū)水力壓裂作業(yè)與誘發(fā)地震的時空關(guān)系，Schultz等［19］認為水力壓裂作業(yè)導致孔隙壓力增加誘發(fā)了該區(qū)的地震活動。

此外，地熱開采過程的注水活動也可以誘發(fā)地震活動。例如，瑞士巴塞爾地區(qū)的地熱開采誘發(fā)了ML2.6地震和ML3.4地震［32-33］。2017年韓國浦項MW5.5地震也與地熱開采過程的高壓注水活動有關(guān)［10，25，34］。

近年來，我國四川盆地中南部的榮昌、自貢、遂寧、威遠和長寧等地的地震活動顯著增強，研究表明這些地震或與廢水處理和井鹽生產(chǎn)而進行的長期注水有關(guān)［12，21-22，35-39］，或與頁巖氣開采水力壓裂的短期注水有關(guān)［11，13，23］。其中，榮昌和自貢地區(qū)的地震活動主要是長期注水的結(jié)果［21-22］，而威遠、長寧地區(qū)的地震活動則與水力壓裂短期注水的相關(guān)性更大［11，13，23］，且2018年興文ML5.7地震是目前為止最大的水力壓裂誘發(fā)地震［13，17］（圖2）。

2 誘發(fā)地震和構(gòu)造地震

對于誘發(fā)地震的識別，目前已開展了大量的研究，積累了豐富的科學認識，主要包括以下幾個方面：

（1） 地震與注水的時空相關(guān)性

目前，地震與工業(yè)注水的時空相關(guān)性是識別誘發(fā)地震最可靠的依據(jù)。一般而言，誘發(fā)地震大多發(fā)生在注水井附近地區(qū)，如美國俄克拉荷馬州絕大部分M≥3地震發(fā)生在注入大量廢水的區(qū)域［30］。加拿大阿爾伯塔省Fox Creek地區(qū)每一叢誘發(fā)地震的中心位置都對應(yīng)一個水力壓裂井［19］。然而，一些研究表明，與工業(yè)注水相關(guān)的地震也可能發(fā)生在作業(yè)井數(shù)公里之外。例如，在美國阿肯色州、俄亥俄州、俄克拉何馬州和加利福尼亞州，許多誘發(fā)地震活動都發(fā)生在注入層以下10 km的地下［28，40-41］。在加拿大西部和四川盆地南部，水力壓裂引起的應(yīng)力變化也可以激活頁巖地層下結(jié)晶基底古斷層的活動［11，18］。Goebel等［42］甚至認為工業(yè)注水可以誘發(fā)超過40 km以外地區(qū)的地震活動。

對于地震與注水的時間關(guān)系，一些誘發(fā)地震在注水初期就顯著增強，如科羅拉多州Rangely油田的誘發(fā)地震在注水開始后1天便逐漸增加［26］。受注水井與周邊斷層之間流體擴散速率的影響，一些誘發(fā)地震可能發(fā)生在注水開始之后很長的一段時間，甚至注水停止之后幾個月或幾年［5，8］。如瑞士巴塞爾［32-33］和韓國浦項［10，25，34］地熱開采誘發(fā)的最大地震都發(fā)生在注水停止之后。美國俄克拉荷馬州布拉格地區(qū)的地震活動在注水開始后18年，且注水壓力增高后5年才顯著增強［28］。

顯然，地震與工業(yè)注水的時空相關(guān)性是判定誘發(fā)地震的重要依據(jù)，但還不夠充分。

（2） 基于統(tǒng)計和物理的地震活動模型

由于斷層系統(tǒng)的復雜性，工業(yè)注水誘發(fā)地震是一個十分復雜的過程。傳染型余震序列模型 （epidemic-type aftershock sequence，ETAS） ［43］，能有效地發(fā)現(xiàn)地震活動的變化［43-44］，發(fā)現(xiàn)有關(guān)流體作用的信息［45］，被廣泛應(yīng)用于注水誘發(fā)地震的研究中［2，11，13，21-22，46］。如Llenos等［46］根據(jù)俄克拉何馬州和阿肯色州中小地震發(fā)生頻率的變化，分析認為注水誘發(fā)地震活動與構(gòu)造地震存在明顯差異，而ETAS參數(shù)的絕對值和余震或震間距離分布的變化可能是區(qū)分自然地震和誘發(fā)地震的方法。利用ETAS模型，Lei等［13］分析了2018年興文ML5.7地震和2019年珙縣ML5.3地震的余震序列特點，其中89% 的余震為外來應(yīng)力作用的結(jié)果，只有少量地震符合天然地震序列模型（圖3）。榮昌氣田［22，37］和自貢氣田［21］的地震活動也具有相似的特征，說明這些地震活動主要是由流體壓力驅(qū)動的。

（3） 誘發(fā)地震的震源特征

一般而言，大多數(shù)構(gòu)造地震的點源破裂機制可以用雙力偶模型描述，一些研究認為注水誘發(fā)地震因具有復雜的局部壓裂可能存在明顯的非雙力偶分量。例如，Zhang等［47］利用全波形反演了加拿大西部誘發(fā)地震的矩張量，發(fā)現(xiàn)誘發(fā)地震存在不可忽視的非雙力偶分量。然而，Wang等［20］的計算結(jié)果表明，誘發(fā)地震與構(gòu)造然地震在震源機制上具有相似性，二者在非雙力偶分量上沒有明顯差異。四川盆地威遠頁巖氣開采示范區(qū)MW≥3.5地震的矩張量反演也表明誘發(fā)地震的非雙力偶分量可以忽略不計［3］。顯然，震源機制并不是區(qū)分注水誘發(fā)地震和構(gòu)造地震的充分條件。

除了矩張量解，應(yīng)力降反映了地震過程斷層應(yīng)力釋放的程度。Hough［48］根據(jù)美國中東部誘發(fā)地震和構(gòu)造地震地震動有效強度分布，分析認為誘發(fā)地震的應(yīng)力降可能低于構(gòu)造地震。2017年韓國浦項MW5.5誘發(fā)地震的應(yīng)力降也低于2016年慶州MW5.6構(gòu)造地震的應(yīng)力降［49］。然而，加拿大西部水力壓裂區(qū)地震的頻譜分析顯示，誘發(fā)地震的應(yīng)力降在1～100 MPa之間變化，與構(gòu)造地震的應(yīng)力降統(tǒng)計上限相當（0.1～100 MPa）［47］。加拿大不列顛哥倫比亞省北部和美國德克薩斯州北部誘發(fā)地震的應(yīng)力降分別為1～35 MPa［50］和1.18～21.73 MPa［51］，也與構(gòu)造地震基本相當。此外，應(yīng)力降計算通常還存在很大的不確定性［2］，因此應(yīng)力降是否能區(qū)分誘發(fā)地震和構(gòu)造地震仍需要更深入的研究。

盡管震源參數(shù)不能直接區(qū)分誘發(fā)地震和構(gòu)造地震，但根據(jù)震源參數(shù)反演斷層的應(yīng)力狀態(tài)和孔隙壓力，進而分析孔隙壓力變化對斷層活化的影響已成為分析注水誘發(fā)地震的重要手段。近年來，一些研究利用震源機制反演瑞士巴塞爾地區(qū)［52］和意大利L'Aquila地區(qū)［53］的孔隙水壓變化，分析認為注水誘發(fā)了這些地區(qū)的地震活動。雷興林等［3］基于MW≥3.5地震震源機制解分別反演了威遠頁巖氣開發(fā)示范區(qū)和長寧頁巖氣開采示范區(qū)震源斷層的流體超壓。結(jié)果顯示，威遠頁巖氣開采區(qū)、長寧上鑼頁巖氣開采區(qū)和長寧雙河鹽礦區(qū)的流體增壓分別為1.3～10.6 MPa、0.2～3.5 MPa和0.1～67 MPa［3，12-13］，分析認為2018年興文ML5.7地震和2019年珙縣ML5.3地震是水力壓裂誘發(fā)的地震［13］，而2019年長寧M6.0地震則與這里長達40年的注水采鹽活動有關(guān)［12］。

3 誘發(fā)地震的發(fā)生機制

工業(yè)注水導致的誘發(fā)地震，一般認為是注水改變了斷層的應(yīng)力狀態(tài)，引起斷層活化，其發(fā)生機制主要包括兩種：流體注入的直接壓力效應(yīng)和流體注入導致固體孔彈性應(yīng)力的變化［5］，兩者的區(qū)別在于注水儲層與發(fā)震斷層是否存在水力連接（圖4，表1）。

（1） 流體注入的直接壓力效應(yīng)

自20世紀60年代中期美國科羅拉多州丹佛地區(qū)誘發(fā)地震［6］和隨后在Rangely油田的實驗研究［26］以來，孔隙壓力增加就已被認為是石油和天然氣開采誘發(fā)地震的主要原因，其發(fā)生機制可以用有效應(yīng)力定律來解釋［54］，即：

Δτ=μ（Δσn-ΔP） （1）

式中：Δτ和Δσn分別為剪切應(yīng)力變化和正應(yīng)力變化;ΔP為孔隙壓力變化;μ為斷層上的摩擦系數(shù)，通常在0.6～0.8之間。Δσ′=Δσ-ΔP為有效正應(yīng)力變化。當注水引起孔隙壓力增加時，斷層的有效應(yīng)力降低，反映斷層應(yīng)力狀態(tài)的莫爾圓會整體向左偏移，處于臨界應(yīng)力狀態(tài)的斷層就會發(fā)生滑動，誘發(fā)地震活動（圖5）。例如，美國俄克拉何馬州的誘發(fā)地震主要發(fā)生在2～5 km的注水儲層和地殼上基底內(nèi)，分析認為高速廢水處理井的流體運移可能是引起地震活動顯著增加的原因［8］。在俄亥俄州Youngstown水力壓裂區(qū)，誘發(fā)地震沿原生斷層從注水井附近向外遷移，表明高流體壓力的擴散使孔隙壓力沿其路徑增加，逐步觸發(fā)了地震活動［55］。在加拿大阿爾伯塔省Fox Creek地區(qū)，誘發(fā)地震的定位結(jié)果也顯示注水井與原生斷層存在近乎直接的接觸，因此孔隙壓力增加誘發(fā)了大部分地震［19］。

顯然，工業(yè)注水只有擴散到斷層面上才能影響斷層的應(yīng)力狀態(tài)。但在油氣開采過程的高壓水一般被注入到低滲透性的沉積層中，孔隙壓力擴散受到頁巖等沉積層低滲透率的抑制［56-57］，影響誘發(fā)地震的時空演化。如在美國俄克拉荷馬州高壓流體被注入到近乎密封的地層中，因而地震活動從注入開始后近20年，且注水壓力大幅增加后5年才顯著增加［28］。

（2） 流體注入導致固體孔彈性應(yīng)力的變化

除了直接的流體增壓作用，工業(yè)注水也可以引起周邊巖石變形，通過孔彈性應(yīng)力變化影響周邊斷層的應(yīng)力狀態(tài)，誘發(fā)地震活動［58］。由于孔彈性應(yīng)力主要通過巖石框架傳遞，因此注水引起的應(yīng)力變化可以延伸到孔隙壓力擴散以外的區(qū)域，在沒有流體壓力連接的情況下改變斷層的加載條件，誘發(fā)地震活動（圖4，表1）。如美國俄克拉何馬州 Fairview地區(qū)的注水活動誘發(fā)了40 km外斷層的地震活動［42］。在法國東南部的原位注入實驗中，誘發(fā)地震沒有發(fā)生在加壓區(qū)內(nèi)，反而發(fā)生在周邊巖體中［7］。Murphy等［59］的數(shù)值模擬也表明注水引起的應(yīng)力擾動可以影響周邊非連通斷層的應(yīng)力狀態(tài)。

相比與持續(xù)數(shù)年的工業(yè)廢水處理，頁巖氣開采水力壓裂的注水時間一般只持續(xù)數(shù)小時到數(shù)天。由于頁巖的低滲透性，孔隙壓力擴散很難在這個時間尺度上對周邊斷層產(chǎn)生應(yīng)力擾動，因此孔彈性應(yīng)力傳遞可能比孔隙流體擴散對地震活動的影響大［56，60］。例如，Deng等［60］利用孔隙彈性模型計算各向異性介質(zhì)中注水引起的固體應(yīng)力變化和流體壓力擴散，結(jié)果表明固體應(yīng)力變化對液體注入的反應(yīng)更快，因此孔彈性應(yīng)力在頁巖氣開采中對誘發(fā)地震起主導作用。Yang等［23］分析認為水力壓裂通過孔彈性應(yīng)力傳遞誘發(fā)了2019年2月榮縣—威遠ML4.9（MW4.3）地震。

（3） 注水引起斷層穩(wěn)滑傳播的誘發(fā)作用

前述的誘發(fā)機制，主要討論了工業(yè)注水對斷層滑動的應(yīng)力擾動作用。然而，流體注入引起斷層活化是一個復雜的過程，它依賴于流體壓力和斷層摩擦的相互作用［61］。除了地震活動，注水也可能引起斷層的穩(wěn)定滑動，如法國南部原位實驗的測量結(jié)果［7，62-63］顯示，注水引起了斷層穩(wěn)滑，滑動速率僅為～0.01 mm·s-1［7］。美國南加州布勞利地熱田的高壓注水也引起了淺部正斷層的穩(wěn)滑，隨后才誘發(fā)了兩次M～5地震［64］。室內(nèi)巖石實驗也觀察到了注水引起的斷層穩(wěn)滑［65］。

近期的研究表明，注水引起斷層穩(wěn)滑傳播到斷層的發(fā)震部分可能也是一種潛在的地震誘發(fā)機制［66-67］，如美國南加州布勞利地熱田的高壓注水引起了淺部正斷層的穩(wěn)滑，隨后誘發(fā)了兩次M～5地震［64］。在這種情況下，注水引起附近斷層穩(wěn)滑，并逐漸對斷層系統(tǒng)中不穩(wěn)定段落施加載荷，導致斷層不穩(wěn)定滑動，誘發(fā)地震活動（圖4，表1）。由于孔隙壓力驅(qū)動斷層穩(wěn)滑的滑移面可以超過孔隙壓力的擴散面，所以斷層穩(wěn)滑誘發(fā)的地震一般發(fā)生在孔隙增壓以外的區(qū)域［7，67］。

（4） 裂縫表面的化學性質(zhì)變化誘發(fā)地震

除了斷層應(yīng)力，干熱巖開采和深部碳酸鹽熱儲存等工業(yè)注水也可能通過固-液-熱-化學等多場耦合作用引起斷層內(nèi)物質(zhì)的化學變化。一方面改變斷層的摩擦系數(shù)。當摩擦系數(shù)減小時，容易誘發(fā)微震，反之則容易誘發(fā)較大震級的地震事件［68］。另一方面改善斷層的滲透性，使孔隙水更容易擴散到發(fā)震斷層，降低斷層的有效應(yīng)力，誘發(fā)地震活動。如雷興林等［3］分析認為四川長寧雙河鹽礦長期的高壓注水融化了巖鹽，使得周圍的白云巖層通過直接暴露或滲透性較好的斷層帶與高壓水連通，為發(fā)生震群性地震活動提供了條件。

此外，最近的研究還表明，孔隙壓力增加引起小地震的級聯(lián)觸發(fā)效應(yīng)可能也是一個重要誘發(fā)機制［69］。

顯然，工業(yè)注水可以改變斷層應(yīng)力狀態(tài)和摩擦強度，從而誘發(fā)地震活動，但斷層能否發(fā)生地震由斷層構(gòu)造應(yīng)力決定，工業(yè)注水僅起到應(yīng)力擾動的作用。根據(jù)地震應(yīng)力觸發(fā)的研究結(jié)果，應(yīng)力擾動只有當斷層處于臨界應(yīng)力狀態(tài)時，才能引起斷層失穩(wěn)，誘發(fā)地震活動［70-73］。因此，討論工業(yè)注水對地震的誘發(fā)作用時，既需要考慮區(qū)域應(yīng)力場和現(xiàn)今地殼應(yīng)力狀態(tài)，也要考慮已有斷層與區(qū)域應(yīng)力場的關(guān)系，特別是優(yōu)勢產(chǎn)狀斷層應(yīng)力的臨界水平。

4 最大可能震級的估計

隨著工業(yè)注水的快速增長，全球多個地區(qū)都發(fā)生了破壞性誘發(fā)地震，如美國俄克拉荷馬州的布拉格MW5.7地震［28］、波尼MW5.8 ［14］、韓國浦項MW5.5地震和我國四川盆地的長寧MS6.0地震［3，12］。預測特定場地的最大可能震級和發(fā)生概率對評估地震災害風險至關(guān)重要［27］。

一些研究認為，注水誘發(fā)地震的最大可能地震與注入?yún)?shù)相關(guān)。例如，Mcgarr［74］分析注水誘發(fā)地震實例表明，誘發(fā)地震的最大震級受到流體注入總量的限制，地震矩與累積注入量ΔV成正比，即，MO（max）=GΔV，G為剪切模量。Dieterich等［75］的模擬結(jié)果也表明，誘發(fā)地震的最大震級與注水量存在類似的比例關(guān)系。由于很多與廢水處理、水力壓裂和增強型地熱開發(fā)有關(guān)的注水誘發(fā)地震都滿足上述關(guān)系，基于注水參數(shù)預測最大誘發(fā)震級的方法已被用于指導注入策略的制定［76-77］。然而，最近的研究顯示一些區(qū)域的誘發(fā)地震可以遠超過McGarr模型預測的上限值。如在加拿大西部沉積盆地的水力壓裂中，相對較小的總注水量誘發(fā)的地震大于McGarr模型預測的震級上限［9，78］。韓國浦項增強型地熱開發(fā)誘發(fā)的MW5.5地震也遠大于McGarr模型預測的最大震級（MW3.7）［34］。而美國中部誘發(fā)地震的另一項統(tǒng)計研究指出，誘發(fā)地震主要受注水速率影響，與總注入量和注水壓力關(guān)系不大，控制注入速度可能是降低潛在誘發(fā)地震風險的有效途徑［16］。因此，最大誘發(fā)震級與注水參數(shù)的關(guān)系仍是一個重要且需要進一步研究的問題。

除了注入?yún)?shù)，誘發(fā)地震的震級也受斷層結(jié)構(gòu)和應(yīng)力水平等構(gòu)造因素的影響。例如，van der Elst等［79］提出當流體誘發(fā)預存斷層地震滑動時，地震的最大震級應(yīng)滿足G-R關(guān)系，且沒有上限。數(shù)值模擬則表明，斷層應(yīng)力水平控制了誘發(fā)地震的破裂方式，影響地震震級。例如，Gischig［80］模擬了均勻剪應(yīng)力下一維斷層的準動態(tài)破裂。結(jié)果顯示，工業(yè)注水引起的斷層滑動存在兩種截然不同的破裂行為。當斷層的背景應(yīng)力水平較高時，斷層滑動在壓力增加區(qū)內(nèi)成核并向外擴展，表現(xiàn)為失穩(wěn)型破裂，地震震級由斷層大小和斷層應(yīng)力水平等構(gòu)造因素決定;當斷層的應(yīng)力水平較低時，破裂僅在壓力增加區(qū)內(nèi)擴展，誘發(fā)地震的震級受注水影響區(qū)大小限制。近期，關(guān)于局部應(yīng)力擾動對斷層滑動影響的理論模型分析顯示，引起斷層失穩(wěn)的擾動應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力的歸一化參量t′s成反比（圖6），表明構(gòu)造應(yīng)力是影響誘發(fā)地震破裂方式的重要因素。在這個模型中，斷層呈周期性失穩(wěn)，t0和Tinter為地震活動周期的開始時間和長度，ts為擾動開始的時間，那么t′s=（ts-t0）/Tinter為擾動時斷層處于失穩(wěn)周期中的位置，反映了斷層應(yīng)力的臨界程度。當應(yīng)力擾動作用到臨界應(yīng)力斷層或斷層段時（t′s=0.9），斷層破裂可以突破擾動范圍，擴展到斷層的邊界［圖7（a）］，其震級由斷層的大小控制;斷層應(yīng)力的臨界度較低時（t′s=0.7時），擾動僅誘發(fā)了斷層的局部破裂［圖7（b）黑框］，且破裂范圍受擾動邊界控制［圖7（b）虛線］，震級受擾動范圍影響［81］。然后在構(gòu)造應(yīng)力作用下，斷層發(fā)生整體滑動失穩(wěn)［圖7（b）］。非均勻剪應(yīng)力下二維斷層模型［75］、基于速率-狀態(tài)本構(gòu)關(guān)系的流體力學耦合模型［82］和斷裂力學模型［83］研究也獲得了類似的結(jié)果。對于發(fā)生在壓力增加內(nèi)的地震破裂，地震震級與注水體積的關(guān)系也與觀測到的誘發(fā)地震一致［83］。

此外，一些研究認為斷層滲透率也可以影響斷層的破裂方式，影響地震的震級，如Cappa等［84］利用流體力學模型研究滲透率增強對壓力擴散和斷層滑移增長的影響。當斷層滲透率增大時，斷層滑移可以擴展到受壓區(qū)以外區(qū)域;當斷層滲透率與初始滑移相一致時，斷層滑移仍保持在受壓區(qū)后方。

5 討論

5.1 主要認識

目前，在世界多個地區(qū)都觀測到了注水誘發(fā)的地震活動。針對注水誘發(fā)地震實例，國內(nèi)外學者已開展了大量的研究。結(jié)果表明，無論是與工業(yè)廢水處理有關(guān)的長期緩慢的低壓注水［5，14，22，40］，還是與水力壓裂相關(guān)的快速的高壓注水［9，13，17-18，23］都可以誘發(fā)地震活動。然而，并不是所有的工業(yè)注水都會誘發(fā)地震，注水誘發(fā)地震在不同地區(qū)、不同構(gòu)造部位和不同井段之間都存在很大差異［3］，許多注水活動也沒有誘發(fā)明顯的有感地震。注水區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造是決定注水能否誘發(fā)地震的關(guān)鍵因素。越來越多的研究表明，已存斷層的快速滑動是誘發(fā)地震的必要條件之一，在評估工業(yè)注水對地震的誘發(fā)作用時既要分析注水區(qū)的區(qū)域應(yīng)力場和現(xiàn)今地殼應(yīng)力狀態(tài)，也要分析斷層的規(guī)模、密度和應(yīng)力模式，重點分析具有優(yōu)勢產(chǎn)狀斷層的成熟度和滑動穩(wěn)定性。因此，工業(yè)注水區(qū)的應(yīng)力場反演和斷層穩(wěn)定性分析對評估誘發(fā)地震風險具有重要意義。

注水誘發(fā)地震的最大可能震級是地震危險性分析的一個重要參數(shù)?，F(xiàn)有研究通過統(tǒng)計和分析方法建立最大可能震級與壓力、體積和速率等注入?yún)?shù)相關(guān)的預測模型［74-75，83］。然而，較大的誘發(fā)地震是已存斷層活化的結(jié)果［12，17，56］，van der Elst等［79］的研究表明，注水誘發(fā)預存斷層地震滑動時，地震的最大震級應(yīng)滿足G-R關(guān)系，且沒有上限。關(guān)于注水誘發(fā)地震數(shù)值模擬研究顯示，誘發(fā)地震的最大可能震級與斷層構(gòu)造應(yīng)力相關(guān)，低應(yīng)力斷層上注水誘發(fā)地震的最大震級受注水參數(shù)影響，而臨界應(yīng)力斷層上誘發(fā)地震的最大震級主要由斷層大小和應(yīng)力狀態(tài)等構(gòu)造因素決定［81-83］。在實際應(yīng)用中，斷層和注水參數(shù)都存在相當大的不確定性，很難準確地評估構(gòu)造因素和注水參數(shù)與最大震級的關(guān)系，但相關(guān)研究成果可為制定油氣開采策略，減輕誘發(fā)地震災害提供參考。

雖然注水誘發(fā)地震已經(jīng)取得了許多重要進展，但判斷一個地震是誘發(fā)地震還是構(gòu)造地震仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的科學問題。研究顯示，誘發(fā)地震與構(gòu)造地震在時空聚類特征和平均震源深度等方面存在明顯差異［13，17，21，46］，但二者在地震學特征方面沒有明顯區(qū)別［3，13，17，20，47］。因此，識別誘發(fā)地震的可靠方法取決于一系列證據(jù)鏈條，包括地震和注入之間的時空相關(guān)性，統(tǒng)計模型的參數(shù)以及斷層活化分析等，需要更深入的案例和模型研究。

根據(jù)斷層與流體儲層的水力連通性，大部分注水誘發(fā)地震的發(fā)生機制通常歸因于孔隙壓力擾動或巖石基質(zhì)體積變形引起的孔隙彈性應(yīng)力變化［5］。在工業(yè)廢水處理等長期注水活動中，高壓水有足夠的時間擴散到周邊斷層，孔隙壓力增加無疑是主要的誘發(fā)機理［2，5，8］。然而，在頁巖氣開采水力壓裂中，高壓水在數(shù)小時到數(shù)天內(nèi)被快速注入到低滲透性的頁巖地層中，高壓水很難擴散到斷層面，巖石基質(zhì)體積變形引起的孔隙彈性應(yīng)力變化可能發(fā)揮更大的作用。根據(jù)速率與狀態(tài)依賴性摩擦本構(gòu)關(guān)系［85-86］，注水也可能引起斷層的穩(wěn)定滑動，穩(wěn)定滑傳沿斷層傳播誘發(fā)速度弱化段的不穩(wěn)定滑動也被認為是一種潛在的誘發(fā)機制［66-67］。在干熱巖開采和深部碳酸鹽熱儲存過程中，流體與斷層存在固-液-熱-化學等多場耦合問題，因此，注水對斷層物質(zhì)的化學作用同樣不能忽視［15，87］。通過化學作用，高壓水既可以改變斷層的強度，也可以改善斷層的滲透性。如四川長寧雙河鹽礦的長期注水融化了巖鹽，改善斷層的滲透條件，為誘發(fā)地震提供了條件［3］。注水誘發(fā)地震是一個復雜的力學過程，是多因素和多機理共同的作用。在某個注水誘發(fā)地震的案例中，雖然某種誘發(fā)機制可能占主導作用，但其他機制也可能在某個環(huán)節(jié)發(fā)揮重要的作用。因此，在討論注水誘發(fā)地震的案例時，既要分析誘發(fā)地震的主要機制，也要考慮不同機制間的共同效應(yīng)。

上述注水誘發(fā)地震的發(fā)生機制較好地解釋了注水能否引起斷層滑動的問題，但不能解決滑動開始后斷層的穩(wěn)性問題。根據(jù)速率與狀態(tài)依賴性摩擦本構(gòu)關(guān)系，斷層的摩擦穩(wěn)定性受巖石物性、局部彈性剛度和斷層摩擦性質(zhì)等因素影響［88-89］，而速度弱化是地震成核的必要條件。在實際震例中，發(fā)生在基底斷層的誘發(fā)地震可能滿足這樣的條件，但更多誘發(fā)地震發(fā)生在具有速度強化性質(zhì)的淺部沉積巖中，如2019年威遠ML4.9地震［23］。此外，一些研究表明，恒定剪切應(yīng)力條件下，孔隙壓力變化可以誘發(fā)速度強化斷層的動態(tài)滑動失穩(wěn)［90-91］。因此，地殼淺層斷層，特別是沉積巖斷層的摩擦性質(zhì)和孔隙壓力變化對斷層摩擦特性的影響都是需要深入探究的問題。

5.2 對我國注水誘發(fā)地震風險防控的啟示

隨著非常規(guī)能源開采的快速發(fā)展，與工業(yè)注水有關(guān)的誘發(fā)地震問題受到了廣泛的關(guān)注。為確保能源開采順利進行和社會公眾的地震安全保障，我國的學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和政府需要加強合作，采用技術(shù)措施，制定科學合理的策略，減少或避免地震災害風險。應(yīng)采用的技術(shù)措施應(yīng)包括但不限于以下幾個方面。

（1） 加強對開采場地的地震安全性評價。我國地處于環(huán)太平洋板塊、歐亞板塊和印度洋板塊等板塊的碰撞推擠區(qū)，構(gòu)造運動強烈，非常規(guī)能源開采面臨誘發(fā)地震災害的風險高。加強對開采場地的地震安全性評價，在油氣開采前查明斷層分布并開展穩(wěn)定性分析，使井場盡量遠離具備發(fā)震能力的活斷層是減輕誘發(fā)地震災害風險最經(jīng)濟的方法。

（2） 在開采場區(qū)建立完善的地震監(jiān)測系統(tǒng)。世界各地的誘發(fā)地震研究表明，實時監(jiān)測油氣生產(chǎn)區(qū)域的地震活動，掌握與分析地震資料是評估油氣開采誘發(fā)地震風險的基礎(chǔ)。完善的地震監(jiān)測系統(tǒng)可以快速測定震源機制和應(yīng)力降等震源參數(shù)、監(jiān)控注入流體運移狀態(tài)、優(yōu)化地震預測模型等，為評估注水作業(yè)過程的誘發(fā)地震風險提供技術(shù)支撐。

（3） 建立誘發(fā)地震災害風險管控體系。國外的應(yīng)用實踐表明，面向風險分級管控和輔助科學決策的紅綠燈系統(tǒng)（Traffic Light System，TLS）可為一線生產(chǎn)提供實時施工指導，是可操作、有可能避免較大地震發(fā)生的基本措施。在地震監(jiān)測的基礎(chǔ)上，綜合利用觀測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計模型、物理模型和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進行誘發(fā)地震風險預測、評估和管理，建立多方聯(lián)動的風險管控和應(yīng)急處置體系，是降低誘發(fā)地震災害風險的有效途徑之一。

5.3 未來的研究方向

（1） 誘發(fā)地震的活動特征研究

現(xiàn)有研究結(jié)果顯示，誘發(fā)地震與構(gòu)造地震在地震學特征方面沒有明顯區(qū)別，注水與地震的時空相關(guān)性仍是推斷誘發(fā)地震的重要依據(jù)。關(guān)于地震與注水時空相關(guān)性的標準目前缺乏嚴格的科學論證。此外，注水誘發(fā)地震在不同地區(qū)、不同構(gòu)造部位、不同井段和不同注水類型之間存在很大的差異，也有許多注水活動沒有誘發(fā)明顯的有感地震。判定注水是否誘發(fā)地震活動，或識別某個地震是否為注水誘發(fā)地震取決于地震和注入之間的時空相關(guān)性，統(tǒng)計模型參數(shù)以及斷層活化分析等一系列證據(jù)鏈條。關(guān)于誘發(fā)地震的活動特征研究，仍需要進一步深入地開展案例研究，通過地震定位、震源機制反演、地震學參數(shù)計算、地震統(tǒng)計分析等，建立誘發(fā)地震基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，服務(wù)于破壞性地震預測和災害風險評估。

（2） 誘發(fā)地震發(fā)生機理研究

注水誘發(fā)地震總體上被認為與注水區(qū)巖石的應(yīng)力狀態(tài)改變和斷層活化有關(guān)。 其發(fā)生機理涉及孔隙壓力擴散、固體孔彈性應(yīng)力變化、斷層穩(wěn)滑傳播、裂隙表面化學性質(zhì)變化和地震相互觸發(fā)等多個物理過程?，F(xiàn)有關(guān)于誘發(fā)機理認識的震例分析表明，注水誘發(fā)地震是一個復雜的力學過程，是多因素和多機理共同作用的結(jié)果，其具體的物理演化過程仍是誘發(fā)地震研究的重要發(fā)展方向。此外，現(xiàn)有關(guān)于誘發(fā)地震機理的研究主要關(guān)注斷層活化的條件，對斷層滑動穩(wěn)定性的討論較少。根據(jù)斷層摩擦理論，斷層滑動穩(wěn)定性由其速度依賴性性質(zhì)決定，因此注水區(qū)巖石的摩擦穩(wěn)定性和注水對斷層摩擦性質(zhì)的影響也是誘發(fā)地震機理研究的重要方向。一方面，需要通過更多的案例研究來積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并建立分析模型的邊界條件;另一方面，也需要開展系統(tǒng)的巖石實驗和數(shù)值模擬研究，探索流體注入的作用過程和控制斷層滑動的關(guān)鍵因素。

（3） 誘發(fā)地震的監(jiān)控技術(shù)和前瞻性預測研究

精準、可靠、實時的微地震活動有助于識別未知斷層和斷層活化的早期跡象，是注水誘發(fā)地震災害風險管控的重要基礎(chǔ)。為了評估工業(yè)注水誘發(fā)破壞性地震的風險，需要監(jiān)測到盡可能小的地震，了解其時空演化。因此，井下和地表密集微震監(jiān)控系統(tǒng)、高精度微震定位和震源參數(shù)測定技術(shù)等也是誘發(fā)地震研究的一個重點方向。

另外，破壞性誘發(fā)地震的前瞻性預測也是減輕注水誘發(fā)地震災害風險的重要手段。由于較大誘發(fā)地震是斷層活化的結(jié)果，因此潛在地震的最大震級由已存斷層的大小確定，并受注水活動和注水參數(shù)影響。在現(xiàn)有的誘發(fā)地震案例中，大部分地震都滿足G-R關(guān)系的統(tǒng)計預測，但也有部分地震超出了G-R關(guān)系的預期值，表現(xiàn)為極端事件。因此，破壞性地震的前瞻性預測也是需要進一步研究的緊急問題。

6 結(jié)論

本文回顧了注水誘發(fā)地震、誘發(fā)機理以及最大震級等領(lǐng)域的研究進展，獲得以下認識：

（1） 較大的誘發(fā)地震是已存斷層活化的結(jié)果。誘發(fā)地震的最大可能震級由斷層大小和應(yīng)力狀態(tài)等地質(zhì)條件決定，受注入壓力和累積注入量等注入?yún)?shù)影響。

（2） 誘發(fā)地震與構(gòu)造地震在地震學特征方面沒有明顯區(qū)別，識別誘發(fā)地震的可靠方法取決于地震和注入之間的時空相關(guān)性，統(tǒng)計模型的參數(shù)以及斷層活化分析等一系列證據(jù)鏈條。

（3） 根據(jù)斷層與流體儲層的水力連通性，誘發(fā)地震的機制通常歸因于孔隙壓力擾動或巖石基質(zhì)體積變形引起的孔隙彈性應(yīng)力變化。此外，注水誘發(fā)的斷層穩(wěn)定滑動傳播到斷層的孕震部分、流體的化學作用和小地震級聯(lián)觸發(fā)效應(yīng)也在流體注入誘發(fā)地震中發(fā)揮了重要的作用。

（4） 分析和總結(jié)注水誘發(fā)地震的研究成果和進展，可以為注水誘發(fā)地震的機制研究和防災策略制定提供科學參考。

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