頁巖油氣開發(fā)誘發(fā)地震的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

摘要：

頁巖油氣的開發(fā)助推了全球油氣儲(chǔ)量及產(chǎn)量增長(zhǎng)，重塑了全球能源格局。伴隨著頁巖油氣開發(fā)過程中的水力壓裂和廢水處理，頁巖油氣田附近的誘發(fā)地震頻率急劇增加，其中大多數(shù)為微地震，但破壞性地震也時(shí)有發(fā)生。這種現(xiàn)象主要發(fā)生于美國(guó)中西部、加拿大西部和中國(guó)西南地區(qū)。頁巖油氣開發(fā)誘發(fā)地震成因復(fù)雜，目前普遍認(rèn)為主要有三種誘發(fā)機(jī)制：靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化、孔隙彈性介質(zhì)理論和流體壓力擴(kuò)散及無震滑移。在匯總?cè)蛑饕搸r油氣誘發(fā)破壞性地震分布及其誘發(fā)機(jī)制的基礎(chǔ)上，以加拿大的不列顛哥倫比亞省霍恩河盆地和阿爾伯塔省的Fox Creek地區(qū)，美國(guó)的科羅拉多州南部、新墨西哥州北部的Raton盆地和俄克拉何馬州，中國(guó)的重慶市榮昌地區(qū)和四川省長(zhǎng)寧—興寧地區(qū)為例，系統(tǒng)論述頁巖油氣開發(fā)典型誘發(fā)地震的基本情況和誘發(fā)機(jī)制，介紹誘發(fā)地震的前瞻性預(yù)測(cè)與管控措施，并對(duì)頁巖油氣開發(fā)誘發(fā)地震的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：

頁巖油氣; 水力壓裂; 廢水處理; 誘發(fā)機(jī)制; 前瞻性預(yù)測(cè); 紅綠燈系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： P319""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"" 文章編號(hào)： 1000-0844（2024）05-1179-18

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240520002

Advances in induced seismicity from shale oil and gas development：

case studies in Canada， the United States， and China

LIU Hanqing1，2， HU Caibo1，3，4， SHI Yaolin1，3，4

（1.College of Earth and Planetary Science， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China;

2.Bureau of Science，Industry，Commerce and Information Technology in Jiaoling County，Meizhou 514100， Guangdong， China;

3.Key Laboratory of Earth System Numerical Modeling and Application （Chinese Academy of Sciences）， Beijing 100049， China;

4.Key Laboratory of Computational Geodynamics，Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract：

The development of shale oil and gas has significantly driven global growth in reserves and production， fundamentally altering the energy landscape. As shale oil and gas development progresses， including hydraulic fracturing and wastewater disposal， the frequency of induced seismic events near shale oil and gas fields has increased notably. While most of these events are microseismic， destructive earthquakes occasionally occur in regions such as the Midwestern United States， Western Canada， and Southwestern China. The triggering mechanisms of destructive induced earthquakes are complex， involving static Coulomb failure stress changes， poroelasticity， pore-fluid pressure diffusion， and aseismic slip， and have been studied worldwide. This review summarizes the distribution and mechanisms of major destructive induced earthquakes related to shale oil and gas globally. It systematically discusses the basic conditions and triggering mechanisms of typical induced earthquakes in several regions， including the Horn River Basin in British Columbia， Canada; the Fox Creek area in Alberta， Canada; the Raton Basin in southern Colorado and northern New Mexico， United States; Oklahoma in the United States; Rongchang in Chongqing， China; and the Changning-Xinjiang area in Sichuan， China. Additionally， this review presents prospective prediction and control measures for induced earthquakes and concludes with a summary and outlook on the current status and progress of research related to induced earthquakes from shale oil and gas development.

Keywords：

shale oil and gas; hydraulic fracturing; wastewater treatment; triggering mechanisms; prospective prediction; traffic light system

0 引言

人類活動(dòng)誘發(fā)地震的觀測(cè)記錄非常豐富，以往研究表明，地下采礦［1-3］、水庫蓄水［4-5］均可能誘發(fā)地震。2013年6月18日在俄羅斯Kuzbass地區(qū)的Bachatsky露天煤礦觸發(fā)的Bacha 6.1級(jí)地震，是迄今為止記錄到的由采礦爆炸引發(fā)的最大地震［6-7］。中國(guó)西南地區(qū)深井采鹽歷史悠久，自1947年自流井背斜上有研究記錄以來的地震都可能與采鹽注水有關(guān)，其中包括4次較強(qiáng)地震（MS4.6～5.0）［8］。1967年12月10日印度西部Koyna地區(qū)發(fā)生的MS6.3地震［9］、2007年3月龍灘水庫大壩西北方向的庫水流域羅妥附近發(fā)生一次4.0級(jí)地震和一次3.2級(jí)地震以及2007年7月17日發(fā)生的天峨4.2級(jí)地震［10］、新豐江水庫于1959年10月在水庫蓄水后連續(xù)發(fā)生地震及1962年3月19日發(fā)生了6.1級(jí)主震［11-12］均被認(rèn)為是典型的水庫觸發(fā)型地震。

除了采礦和水庫蓄水，頁巖油氣開發(fā)［13-15］、干熱巖開發(fā)［16-20］以及碳儲(chǔ)存［21-23］均需要向深部地層注入高壓流體，同樣可能會(huì)誘發(fā)地震。隨著水力壓裂（Hydraulic Fracturing，簡(jiǎn)稱HF）技術(shù)的進(jìn)步和廣泛應(yīng)用，頁巖油氣開發(fā)的范圍越來越廣［24］，增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)和碳封存技術(shù)［22-23］日益成熟，近年來全球范圍內(nèi)人類活動(dòng)誘發(fā)的地震頻率和影響范圍急劇增加［14-16，25］。

自頁巖油氣開發(fā)以來，美國(guó)中西部和加拿大西部的頁巖油氣開采區(qū)域地震頻率激增，在俄克拉何馬州尤其嚴(yán)重［26］，目前普遍認(rèn)為與頁巖油氣開發(fā)產(chǎn)生的廢水處理有關(guān)。例如，2011年的美國(guó)俄克拉何馬州MW5.7地震是頁巖氣開發(fā)過程中的廢水處理注入誘發(fā)的地震［27］；2016年美國(guó)俄克拉何馬州Pawnee MW5.8地震是該州有記錄以來發(fā)生過的最大地震，同樣與深部地層廢水注入事件密切相關(guān)［28］。在中國(guó)四川盆地，近年來由于頁巖油氣的大量開采，部分地區(qū)地震頻率顯著提升，例如，2018年興文MS5.8地震、2019年長(zhǎng)寧MS6.0地震通常被認(rèn)為是由于頁巖氣開采或注水采鹽活動(dòng)引起的［8，29］。2017年11月，韓國(guó)Pohang地?zé)崽锇l(fā)生的MW5.5地震是公認(rèn)的最大地?zé)衢_發(fā)誘發(fā)地震［30］。頁巖油氣開發(fā)由于需要高壓HF，誘發(fā)機(jī)制復(fù)雜，涉及范圍較廣，誘發(fā)破壞性地震的次數(shù)相對(duì)較多。本文以頁巖油氣開發(fā)誘發(fā)地震為例，對(duì)地下高壓流體注入誘發(fā)地震的機(jī)制、案例、前瞻性預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)管控進(jìn)行深入分析和總結(jié)。

1 頁巖油氣開發(fā)與誘發(fā)地震活動(dòng)

非常規(guī)油氣是指用傳統(tǒng)技術(shù)無法獲得自然工業(yè)產(chǎn)量、需用HF技術(shù)建立人工儲(chǔ)層、提高儲(chǔ)層滲透率或降低孔隙流體黏度等手段才能經(jīng)濟(jì)開采的油氣資源。非常規(guī)油氣包括致密油氣、頁巖油氣、煤層氣等多種類型［31］，廣義的頁巖油氣可代指非常規(guī)油氣，狹義的頁巖油氣僅包括頁巖油和頁巖氣［32］。HF是頁巖油氣開發(fā)過程中一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)手段，通過高壓注水在泥頁巖、致密砂巖中建立一個(gè)與鉆孔相連的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)，以提高儲(chǔ)層滲透率和產(chǎn)能［14］。在頁巖油氣高壓注水開采過程中不可避免地誘發(fā)了許多地震，其中絕大多數(shù)是MW1.0以下的地震［33］，但有時(shí)也會(huì)誘發(fā)有感地震，乃至破壞性地震。頁巖油氣開采過程中會(huì)產(chǎn)生大量廢水，這些廢水一般會(huì)通過廢水處理井注入深層地層，在此過程中同樣會(huì)誘發(fā)地震［16］（圖1）。廢水處理相較于頁巖油氣開發(fā)生

產(chǎn)過程中的HF，其影響范圍往往更大，誘發(fā)地震的規(guī)模更大、震級(jí)更高，并且誘發(fā)地震活動(dòng)過程相對(duì)緩慢［34-35］。因此，頁巖油氣開采本身的高壓注水以及伴隨的廢水注入而誘發(fā)地震是一個(gè)重要的科學(xué)問題，日益受到科學(xué)界和工業(yè)界的重視。

表1系統(tǒng)總結(jié)了全球頁巖油氣開發(fā)本身的高壓注水以及伴隨的廢水處理注入誘發(fā)地震的典型案例及誘發(fā)機(jī)制。頁巖油氣誘發(fā)地震主要以頁巖油氣開發(fā)過程中的水力壓裂及產(chǎn)生的廢水處理誘發(fā)地震為主。美國(guó)中東部、加拿大西部和中國(guó)西南地區(qū)是全球主要的頁巖油氣產(chǎn)區(qū)（圖2），自頁巖油氣開采以來，地震頻率和震級(jí)均顯著增加，其中美國(guó)中東部大于MS3的地震發(fā)生率在過去10年中增加了10倍，加拿大西部發(fā)生率增加了3倍。但這些地區(qū)頁巖油氣開采誘發(fā)地震的機(jī)制存在一定差異，美國(guó)中東部大多數(shù)誘發(fā)地震與頁巖油氣開發(fā)產(chǎn)生的廢水處理有關(guān)，加拿大西部誘發(fā)地震活動(dòng)在時(shí)間和空間上與HF高度重合［34-36］，而中國(guó)西南地區(qū)誘發(fā)地震的成因機(jī)制還存在爭(zhēng)論。本文以美國(guó)中東部、加拿大西部、中國(guó)西南地區(qū)為例加以詳細(xì)論述。

2 誘發(fā)機(jī)制

頁巖油氣開發(fā)需要通過高壓HF創(chuàng)造新的裂縫和打開已有裂縫，以提高儲(chǔ)層滲透率并增加油氣產(chǎn)量。在HF過程中，會(huì)發(fā)生大量微地震事件，這些微地震事件一般在MW2.0以下，但在高頻HF期間也可能激活先存斷層而誘發(fā)破壞性地震［15］。在開采過程中產(chǎn)生的廢水一般通過高壓回注到頁巖油氣儲(chǔ)層，同樣會(huì)引起開采區(qū)地震活動(dòng)劇增，乃至誘發(fā)破壞性地震［62］。靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化、孔隙流體壓力擴(kuò)散和孔隙彈性介質(zhì)理論，以及無震滑移是頁巖油氣開發(fā)誘發(fā)地震的3種基本理論［16，62］。

2.1 靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化

誘發(fā)地震的產(chǎn)生往往與先存斷層的活化有關(guān)，莫爾-庫侖破壞準(zhǔn)則（Mohr-Coulomb Friction Theory）是評(píng)估斷層滑移的基礎(chǔ)理論。根據(jù)該準(zhǔn)則，預(yù)先存在的斷層臨界失穩(wěn)的條件為［14-15，63-64］：

τ=τ0+μ（σn-p） （1）

式中：τ為斷層剪應(yīng)力;τ0為斷層內(nèi)聚力;μ為摩擦系數(shù);σn為斷層正應(yīng)力;p為流體壓力。

主斷層滑動(dòng)可以造成主斷層附近已知方向的其他斷層上的正應(yīng)力、剪應(yīng)力分量以及靜態(tài)庫侖應(yīng)力的變化，靜態(tài)庫侖應(yīng)力的增加可觸發(fā)附近斷層活動(dòng)而發(fā)生更多地震。靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化理論適用于注水相關(guān)的人類活動(dòng)產(chǎn)生的誘發(fā)性地震［16，41，62］（圖3）。在斷層活化分析時(shí)，斷層的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化（ΔCFS）常常被用來描述注水產(chǎn)生的應(yīng)力擾動(dòng)［44，47，65-66］：

ΔCFS=Δτ+μ（Δσn-Δp） （2）

式中：ΔCFS為靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化;Δτ、Δσn分別為斷層面上的剪應(yīng)力變化（與斷層滑動(dòng)方向一致時(shí)為正）和正應(yīng)力變化（張性為正）;Δp為孔隙流體壓力變化。

2.2 孔隙彈性介質(zhì)理論和流體壓力擴(kuò)散

Biot［67］首創(chuàng)了孔隙彈性介質(zhì)的理論處理方法，在應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系中引入孔隙流體壓力項(xiàng)，以考慮孔隙流體壓力對(duì)固體骨架應(yīng)變的影響?？紫稄椥越橘|(zhì)理論研究孔隙流體壓力和固體骨架巖石應(yīng)力之間的耦合［16，68］，常被用于模擬頁巖油氣開發(fā)過程中，斷層附近固體骨架的巖石應(yīng)力場(chǎng)和孔隙流體壓力場(chǎng)的時(shí)空變化，并結(jié)合構(gòu)造地質(zhì)背景，解釋地震成因和誘發(fā)機(jī)制［44，46，69-70］。

孔隙流體壓力擴(kuò)散是一種解釋流體誘發(fā)地震的經(jīng)典機(jī)制。當(dāng)向地下注入流體時(shí)，孔隙流體從注入流體的位置擴(kuò)散開來，增加了周圍介質(zhì)的孔隙流體壓力并降低固體骨架巖石的有效應(yīng)力，斷層上有效正應(yīng)力的減少致使作用于斷層的庫侖應(yīng)力增加，導(dǎo)致斷層上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力狀態(tài)滿足斷層臨界失穩(wěn)的條件，激發(fā)斷層活化，誘發(fā)地震活動(dòng)。孔隙流體壓力擴(kuò)散和孔隙彈性介質(zhì)理論常被用于解釋遠(yuǎn)場(chǎng)地震（Far Field Seismicity）的發(fā)生［16，69-71］（圖3）?？紫读黧w壓力擴(kuò)散方程如下［16］：

式中：K為水力傳導(dǎo)率;p為流體壓力;S為儲(chǔ)水率;t為時(shí)間。

2.3 無震滑移

當(dāng)流體注入地下時(shí)，伴隨著孔隙流體壓力的擴(kuò)散通常會(huì)發(fā)生慢滑移［72］，并在觸發(fā)較大地震中起到關(guān)鍵作用［73-74］，Bhattacharya等［75］認(rèn)為當(dāng)斷層超過臨界狀態(tài)時(shí)，無震滑移的影響大于孔隙流體壓力擴(kuò)散。法國(guó)東南部低噪聲地下實(shí)驗(yàn)室的原位實(shí)驗(yàn)證實(shí)了無震滑移誘發(fā)地震活動(dòng)的機(jī)制：隨著地下注水，孔隙流體壓力逐漸增大，接著在斷層上發(fā)生無震滑移，最終斷層滑動(dòng)加速，導(dǎo)致地震活動(dòng)。在此過程中，無震滑移和地震活動(dòng)比孔隙流體壓力擴(kuò)散傳播更快，從而抑制孔隙流體壓力向更大的區(qū)域擴(kuò)散［76］。無震滑移誘發(fā)地震機(jī)制可以很好地解釋注入流體地點(diǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)地震活動(dòng)［16，75］。

3 典型案例

3.1 加拿大西部頁巖氣開發(fā)水力壓裂誘發(fā)地震

加拿大從2005年開始開采頁巖氣，其中不列顛哥倫比亞省和阿爾伯塔省是主要的頁巖氣產(chǎn)區(qū)［77］。隨著頁巖氣的開采，加拿大不列顛哥倫比亞省東北部霍恩河盆地（Horn River Basin，簡(jiǎn)稱：HRB）［40，78］和西加拿大沉積盆地（Western Canada Sedimentary Basin，簡(jiǎn)稱：WCSB）之間的阿爾伯塔省Crooked 湖以西Fox Creek地區(qū)［37，79］的地震活動(dòng)頻率日益增加。

Farahbod等［40］對(duì)不列顛哥倫比亞省東北部霍恩河盆地2006年12月—2011年12月期間發(fā)生的地震進(jìn)行了系統(tǒng)分析，確認(rèn)了該地區(qū)的背景地震活動(dòng)特征 ，并深入研究了區(qū)域地震活動(dòng)與HF作業(yè)的時(shí)空關(guān)系。2006年11月霍恩河盆地開始進(jìn)行HF，2009年頁巖氣開發(fā)規(guī)模擴(kuò)大，HF操作變得更加頻繁［78］?；舳骱恿饔虻卣鹗录?shù)量從2002—2003年的24起（HF前）增加到2011年的131起（HF高峰期），地震最大震級(jí)從2006—2007年的2.9級(jí)增大到2011年的3.8級(jí)。2011年HF達(dá)到高峰時(shí)，不僅高頻HF作業(yè)日的地震月發(fā)生率增加了6倍，非高頻HF作業(yè)日的地震月發(fā)生率也增加了3倍以上，進(jìn)一步證明地震數(shù)量的增加與HF作業(yè)之間的相關(guān)性［40］。

加拿大阿爾伯塔省Crooked湖以西的Fox Creek地區(qū)自2010年6月開始開采頁巖氣，截至2016年該地區(qū)2.6～4.0 km深的Duvernay組已經(jīng)有290多口水平井完井［37］。自2013年12月1日起，該地區(qū)地震頻率顯著提升，這些地震被稱為Crooked Lake序列（Crooked Lake Sequence，簡(jiǎn)稱CLS）［37］。2013年12月1日—2014年12月31日，F(xiàn)ox Creek鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)到MW1.7～3.9地震序列，2014年1月23日發(fā)生MW3.9最大地震事件［79］。2014年8月9日阿爾伯塔省Rocky Mountain House地區(qū)發(fā)生MW3.8地震，2015年1月23日Crooked湖附近發(fā)生ML4.4地震［80］，2016年1月12日Fox Creek鎮(zhèn)附近發(fā)生ML4.8地震［38］。2019年3月4日阿爾伯塔省Fox Creek鎮(zhèn)附近頁巖氣HF再次誘發(fā)了MW4.18地震序列，隨后阿爾伯塔省頒布了一款新的紅綠燈協(xié)議［62，81］（圖4）。加拿大阿爾伯塔省Fox Creek地區(qū)自頁巖油氣開采以來地震頻率的顯著提升被認(rèn)為與頁巖氣開發(fā)HF密切相關(guān)。Atkinson等［34］、Bao等［36］、Schultz等［79］統(tǒng)計(jì)了WCSB頁巖氣開發(fā)中，HF操作與CLS的時(shí)空分布，一致認(rèn)為該地震序列是由HF引起的。Bao等［36］認(rèn)為巖體對(duì)HF的彈性響應(yīng)引起的應(yīng)力變化或沿滲透性斷裂帶的流體擴(kuò)散引起的孔隙壓力變化，引起了加拿大西部阿爾伯塔省Fox Creek 頁巖氣開采區(qū)斷層活化，誘發(fā)了CLS。

Schultz等［37］和Wang等［38］分析了阿爾伯塔省Fox Creek鎮(zhèn) ML4.8地震序列和生產(chǎn)井HF作業(yè)的時(shí)空分布。Schultz等［37］認(rèn)為Duvernay組地層HF作業(yè)的引起了孔隙壓力的增加，激活了先存斷層，誘發(fā)了此次地震。Wang等［38］認(rèn)為HF激發(fā)了NS向的斷層系統(tǒng)活化，誘發(fā)了此次地震。Eyre等［39］認(rèn)為ML4.8地震序列的重新定位結(jié)果表明，大多數(shù)誘發(fā)事件的震中位于HF上方100 m處的沉積剖面內(nèi)，HF井底部與一個(gè)復(fù)雜的NNE—SSW走滑斷層系統(tǒng)相交，地震事件主要集中在斷層活化的平面結(jié)構(gòu)上，大部分位于HF井的東側(cè)。HF注入的流體泄漏到與斷層系統(tǒng)相連或部分?jǐn)鄬酉到y(tǒng)的水力傳導(dǎo)通道，流體的存在增加了斷層的孔隙壓力，降低了有效應(yīng)力，誘發(fā)了此次地震序列［39］。Hui等［82］在考慮相鄰水力裂縫之間的應(yīng)力影響和水力裂縫與天然裂縫的相互作用基礎(chǔ)上，建立了三維孔隙彈性耦合模型，揭示了此次誘發(fā)地震活動(dòng)的觸發(fā)機(jī)制。研究表明，地震群的發(fā)生與西38～39期完井和東38期完井的壓裂液注入有關(guān)，巖石的脆性變形、地層超壓和大的破裂作業(yè)尺寸是地震團(tuán)簇成核的原因，頁巖儲(chǔ)層的天然水力裂縫網(wǎng)絡(luò)提供了流體流動(dòng)路徑，導(dǎo)致發(fā)震斷層的重新活化。此外，Shen等［83］、惠鋼等［84］、Igonin等［85］對(duì)Fox Creek頁巖氣開采區(qū)的一些非典型地震序列的誘發(fā)機(jī)制也作了深入的研究。

圖4（a）顯示了按水力壓裂地層著色的HF井、地震活動(dòng)分布以及Duvernay和Montney組地層的邊界;圖4（b）顯示了每個(gè)地層的HF井?dāng)?shù)量;圖4（c）顯示了基于震級(jí)的誘發(fā)地震“紅綠燈”系統(tǒng)（IS-TLP）在North Peace和Kiskatinaw Seismic Monitoring and Mitigation Area（KSMMA）區(qū)域（Montney組地層）、Fox Creek和Red Deer地區(qū)（Duverna組地層）實(shí)施的日期（紅色垂直線）;圖4（d）顯示的HF井?dāng)?shù)量與地震事件數(shù)量之間的強(qiáng)相關(guān)性;圖4（e）是北美的參考地圖。

總體而言，目前對(duì)霍恩河盆地頁巖油氣開發(fā)誘發(fā)地震的機(jī)制尚不明確，對(duì)阿爾伯塔省Fox Creek地區(qū)誘發(fā)地震的成因機(jī)制研究較多。普遍認(rèn)為HF高壓注水引起地層孔隙流體壓力擴(kuò)散及斷層孔隙彈性應(yīng)力變化，是激發(fā)斷層活化的主因。

3.2 美國(guó)中東部地區(qū)頁巖油氣開采廢水處理誘發(fā)地震

美國(guó)頁巖氣和致密油資源豐富，主要產(chǎn)自阿納達(dá)科盆地（Anadarko Basin）、阿巴拉契亞盆地（Appalachian Basin）、巴肯（Bakken）頁巖區(qū)、伊格爾福特（Eagle Ford）頁巖區(qū)、海恩斯維爾（Haynesville）頁巖區(qū)、奈厄布拉勒（Niobrara）頁巖區(qū)、二疊盆地（Permian Basin）等7個(gè)頁巖區(qū)［87］。2021年美國(guó)原油產(chǎn)量為5.49×108 t，其中頁巖油產(chǎn)量為3.62×108 t，占比65.9%;天然氣產(chǎn)量為9 736×108 m3，其中頁巖氣產(chǎn)量為7 643×108 m3，占比78.5%［87-88］。隨著頁巖氣的開采，俄克拉何馬州、德克薩斯州、科羅拉多州、新墨西哥州等地區(qū)的地震頻率日益增加，地震震級(jí)也有所增大，一般認(rèn)為與頁巖氣開發(fā)時(shí)的高壓注水以及產(chǎn)生的廢水注入深部地層等活動(dòng)有關(guān)［15，43，51］。

從2001年開始，科羅拉多州南部和新墨西哥州北部的Raton盆地的廢水注入速率急劇增加，隨之而來該地區(qū)的地震發(fā)生頻率也急劇上升，如2011年8月23日科羅拉多州發(fā)生MW5.3地震序列［50-51］。Nakai等［51］利用數(shù)值模擬軟件MODFLOW，建立了Raton盆地的非均質(zhì)各向異性分層介質(zhì)的三維水文地質(zhì)模型，模擬了1994年11月—2010年12月期間的孔隙流體壓力變化。對(duì)比2008—2010年Raton盆地的地震活動(dòng)與孔隙流體壓力變化的空間分布，發(fā)現(xiàn)震中位置與孔隙流體壓力增加的位置一致。其中，新墨西哥州部分的孔隙流體壓力gt;0.08 MPa，達(dá)到了誘發(fā)地震活動(dòng)的必要條件。此外，還發(fā)現(xiàn)累積廢水處理體積與地震次數(shù)呈冪律關(guān)系。

2009年以前，俄克拉何馬州平均每年發(fā)生1次3級(jí)以上地震。自2009年起，由于頁巖氣開發(fā)產(chǎn)生的廢水注入深度地層，該州地震活動(dòng)頻率急劇增加，其變化具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，僅2015年俄克拉何馬州中北部就發(fā)生了大約900次3級(jí)以上地震［43，70，89-90］。2009年迄今，該州發(fā)生了4次最大震級(jí)在5級(jí)以上的誘發(fā)性地震序列，分別是2011年11月發(fā)生在Prague附近的MW5.7地震，2016年2月發(fā)生在Fairview的MW5.1地震，2016年9月發(fā)生在Pawnee的MW5.8地震，以及2016年11月7日發(fā)生在Cushing 地區(qū)的MW5.0地震［33，43，47］（圖5）。

俄克拉何馬州Prague地區(qū)在2010年以前很少發(fā)生地震，2010年初在廢水處理井附近發(fā)生了最大震級(jí)為MW4.1的地震序列，余震持續(xù)了一年;2011年11月5日，該地區(qū)發(fā)生了MW5.0地震，20 h后發(fā)生了MW5.7的主震，之后又發(fā)生了數(shù)千次余震，其中最大余震震級(jí)為MW5.0，震源位置非常接近一對(duì)廢水處理井［27，49］。Keranen等［27］認(rèn)為Prague地區(qū)持續(xù)18年以上的廢水注入可能填充了一個(gè)夾層，導(dǎo)致儲(chǔ)層周邊斷層的有效應(yīng)力降低，從而誘發(fā)了2010—2011年的地震。Sumy等［49］則認(rèn)為MW5.0的前震對(duì)于MW5.7主震的發(fā)生起到了關(guān)鍵的觸發(fā)作用。廢水注入導(dǎo)致了孔隙流體壓力增加，斷層強(qiáng)度降低，激發(fā)了Wilzetta斷層活化，從而形成了MW5.0前震，前震引起的斷層庫侖應(yīng)力變化誘發(fā)了MW5.7主震。

2012年俄克拉何馬州西北部Fairview地區(qū)2～2.5 km深的Arbuckle 地層廢水處理的注水速度迅速增加，該地區(qū)在2013年之前很少發(fā)生地震，2014年起地震活動(dòng)頻率開始增加，2016年2月距離污水處理井10～40 km的位置發(fā)生MW5.1地震序列［41］。Goebel等［69］基于數(shù)值和半解析的孔隙彈性模型研究了此次誘發(fā)地震的誘發(fā)機(jī)制，結(jié)果表明震源處的孔隙彈性引起的庫侖應(yīng)力變化超過了孔隙流體壓力變化，為注水井遠(yuǎn)場(chǎng)誘發(fā)地震提供了一種合理的機(jī)制。

2016年俄克拉何馬州Pawnee地區(qū)發(fā)生MW5.8地震序列，Barbour等［44］認(rèn)為廢水處理過程中的瞬時(shí)高壓注水和長(zhǎng)期注水引起的孔隙壓力變化的共同作用決定了Pawnee地震的發(fā)生時(shí)間和地點(diǎn)。流體壓力擴(kuò)散是斷層孔隙流體壓力變化的主要傳遞機(jī)制，巖石與流體之間的應(yīng)變耦合效應(yīng)同樣對(duì)地震的發(fā)生產(chǎn)生了重要影響。Chen等［45］則認(rèn)為MW5.8地震序列是廢水注入、構(gòu)造斷層和前震相互作用的結(jié)果，3個(gè)M≥3前震在主震震源處產(chǎn)生了正的庫侖應(yīng)力，共軛斷層系統(tǒng)中的前震活動(dòng)瞬間對(duì)注入速率的變化做出反應(yīng)，彈性應(yīng)力變化導(dǎo)致斷層臨界應(yīng)力狀態(tài)的改變，激發(fā)了斷層活化，導(dǎo)致了主震的發(fā)生。

2015年9月—2016年11月期間，在俄克拉何馬州Cushing地區(qū)附近探測(cè)到超過100次中小型地震，2016年11月7日，發(fā)生最大震級(jí)（MW5.0）的地震［47］。Cushing MW5.0地震序列在時(shí)空上與4 km范圍內(nèi)的4個(gè)廢水處理井相連，Deng等［47］基于孔隙彈性介質(zhì)模型計(jì)算了多井注入流體引起的孔隙壓力和應(yīng)力擾動(dòng)，研究表明包括Cushing MW5.0地震序列在內(nèi)的大多數(shù)地震都位于剪應(yīng)力變化的區(qū)域，雖然孔隙壓力變化幅度遠(yuǎn)大于剪應(yīng)力變化幅度，但地震活動(dòng)與剪應(yīng)力變化有更好的相關(guān)性。

俄克拉何馬州頁巖油氣田開采過程中往往會(huì)把廢水注入Arbuckle組地層，Langenbruch等［43］認(rèn)為由于Arbuckle組地層與基底中的斷層連通，廢水注入增加了斷層附近的壓力，降低了有效應(yīng)力，從而觸發(fā)了地震中累積應(yīng)力的釋放。俄克拉何馬州廢水處理井附近的地震活動(dòng)最早出現(xiàn)在注水地層中，隨后向深部地層擴(kuò)展，主震地震序列一般出現(xiàn)在地震活動(dòng)發(fā)生的幾個(gè)月后［91-92］。

美國(guó)頁巖油氣開發(fā)誘發(fā)地震的形成一般與廢水處理有關(guān)，科羅拉多州南部和新墨西哥州北部的Raton盆地誘發(fā)地震的空間分布與孔隙流體壓力增加的位置一致，孔隙流體壓力擴(kuò)散是主要誘發(fā)機(jī)制。俄克拉何馬州不同地區(qū)誘發(fā)地震的誘發(fā)機(jī)制存在一定差異，廢水注入引起斷層面上的靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化是Prague地區(qū)2011年MW5.7地震序列發(fā)生的主要誘因，F(xiàn)airview地區(qū)2012年MW5.1地震序列和Cushing地區(qū)2016年MW5.0地震序列的發(fā)生是由廢水處理導(dǎo)致震源孔隙流體壓力擴(kuò)散及孔隙彈性應(yīng)力增加引起的，Pawnee地區(qū)2016年MW5.8地震序列則是靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化、隙流體壓力擴(kuò)散及孔隙彈性應(yīng)力增加綜合作用的結(jié)果。

3.3 中國(guó)西南地區(qū)頁巖氣開發(fā)誘發(fā)地震

中國(guó)2020年已探明頁巖氣儲(chǔ)量和年總產(chǎn)量分別超過2×1012 m3和2×1010 m3，其頁巖氣產(chǎn)量名列世界前茅，是北美外第一個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化規(guī)模開發(fā)的國(guó)家［93］。截至目前，四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組海相頁巖及其周邊涪陵、長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)、昭通等油氣勘探開發(fā)區(qū)是中國(guó)頁巖氣的主要來源［93-96］。

自2010年中國(guó)西南地區(qū)頁巖氣開采以來［97-98］，頁巖氣田附近地震活動(dòng)頻率持續(xù)增長(zhǎng)，且震級(jí)越來越大［8］。2010年9月10日重慶榮昌地區(qū)發(fā)生ML5.1地震，2018年12月18日四川省宜賓市興文縣發(fā)生ML5.7地震，2019年1月3日，在其西邊8 km處的珙縣發(fā)生了ML5.3地震，2019年6月17日四川省宜賓市長(zhǎng)寧縣發(fā)生MS6.0地震，其后5天內(nèi)相繼發(fā)生了珙縣MS5.1、長(zhǎng)寧MS5.3和珙縣 MS5.4強(qiáng)余震，7月4日，在珙縣珙泉鎮(zhèn)再次發(fā)生MS5.6地震，2019年9月7日威遠(yuǎn)縣發(fā)生了ML5.4地震［8，57-58，99-100］（圖6）。圖6（a）為川南盆地的地理位置（DLS：大梁山，DLM：大羅山，HYS：華英山）。圖6（b）為四川盆地3個(gè)頁巖氣田（A：長(zhǎng)寧—昭通、C：威遠(yuǎn)、D：涪陵）和1個(gè)鹽礦（B：長(zhǎng)寧），白色菱形表示中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)的永久站點(diǎn)，黑框中為圖6（d）所示區(qū)域。圖6（c）為中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)記錄的長(zhǎng)寧—南平（C-Z）地區(qū)MWgt;1地震次數(shù)隨時(shí)間增加與區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)HF時(shí)間對(duì)照。圖6（d）為長(zhǎng)寧—昭通地區(qū)地質(zhì)年代分布。相關(guān)研究表明在昭通和長(zhǎng)寧頁巖氣田觀測(cè)到的ML≥3.0地震活動(dòng)的激增與HF活動(dòng)密切相關(guān)［100-102］。

重慶榮昌地區(qū)在頁巖氣開發(fā)以前地震活動(dòng)性很弱，隨著頁巖氣的開采及廢水回灌，區(qū)域地震活動(dòng)頻率和震級(jí)明顯增強(qiáng)，2010年9月10日發(fā)生了ML5.1地震［57］。王小龍等［103］對(duì)榮昌地區(qū)天然地震資料反演得到了精細(xì)的一維速度結(jié)構(gòu)，并對(duì)榮昌ML5.1地震進(jìn)行了重定位，研究表明地震序列震源深度集中在2 km附近，與頁巖氣儲(chǔ)層及注水作業(yè)深度吻合。王志偉等［58］基于Cut and Paste（簡(jiǎn)稱CAP）方法對(duì)重慶榮昌地區(qū)2008年10月—2011年7月期間發(fā)生的ML3.5以上地震進(jìn)行了地震機(jī)制反演，研究表明，榮昌地區(qū)地震震源空間上與注水井深度一致，集中在幾條隱伏斷層附近，注水引起的流體壓力擴(kuò)散導(dǎo)致孔隙壓力增加并激發(fā)斷層活化并誘發(fā)地震。

在過去的十年中，長(zhǎng)寧—興文地區(qū)發(fā)生了多次5級(jí)以上地震，包括2018年12月興文ML5.7主震、2019年1月鞏縣ML5.3主震和2019年6月長(zhǎng)寧MS6.0主震及MS5以上余震［104-105］。

Lei等［13］對(duì)興文ML5.7和珙縣ML5.3主震及自2018年6月以來覆蓋兩個(gè)主震的區(qū)域地震活動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，反演了該區(qū)域的平均應(yīng)力模式，并進(jìn)一步估算了導(dǎo)致這些地震事件所需的孔隙超壓。何登發(fā)等［106］對(duì)興文ML5.7地震和ML5.3地震及其余震序列進(jìn)行重新定位，復(fù)原長(zhǎng)寧背斜的形成過程，以揭示地震發(fā)生的構(gòu)造地質(zhì)背景，研究認(rèn)為，長(zhǎng)寧地區(qū)的地震頻發(fā)可能與現(xiàn)今青藏高原向東南緣擠出的大地構(gòu)造背景有關(guān)。

Li等［25］研究了長(zhǎng)寧MS6.0地震的震源破裂，通過對(duì)注水開采過程中的孔隙壓力進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合先存斷層的靜態(tài)庫侖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，提出了斷層的連續(xù)破裂模式，論證了頁巖氣開采、井鹽注水和長(zhǎng)寧MS6.0地震的相關(guān)性。Sun等［59］基于同震地表變形測(cè)量結(jié)果，推斷出了一條復(fù)雜的隱伏發(fā)震雙重?cái)鄬拥膸缀涡螤詈驼共?，認(rèn)為該斷層是興文ML5.7地震、長(zhǎng)寧MS6.0地震的發(fā)震斷層。Tan等［61］利用高分辨率的地震速度結(jié)構(gòu)和孔隙壓力場(chǎng)三維模型對(duì)頁巖氣田下部流體分布進(jìn)行了表征，在此基礎(chǔ)上分析了長(zhǎng)寧MS6.0地震的成因機(jī)制。Jiang等［107］在分析長(zhǎng)寧MS6.0地震序列和區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分布基礎(chǔ)上，研究了該地震的同震變形機(jī)制，結(jié)果表明，長(zhǎng)寧地震是由于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)釋放導(dǎo)致的，并非孤立事件。Jia等［108］基于地震目錄估計(jì)的修正庫侖應(yīng)力變化研究了長(zhǎng)寧MS6.0地震的孕震機(jī)制，在此基礎(chǔ)上將地震活動(dòng)頻率、鹽礦注水作業(yè)和頁巖氣HF作業(yè)過程進(jìn)行了對(duì)照。胡幸平等［109］認(rèn)為小震與中強(qiáng)震震源機(jī)制解具有一致性，并對(duì)長(zhǎng)寧MS6.0地震序列的發(fā)震構(gòu)造進(jìn)行了深入探討。Li等［110］發(fā)現(xiàn)興文ML5.7地震和鞏縣ML5.3地震的同震滑動(dòng)與斷層平面上高地震速度區(qū)相關(guān)，據(jù)此推測(cè)頁巖氣HF引起了斷層應(yīng)力場(chǎng)變化，進(jìn)而導(dǎo)致了這兩次地震序列的發(fā)生。

目前，一般認(rèn)為興文MS5.7地震序列由頁巖氣開采中的HF作業(yè)而誘發(fā)，而長(zhǎng)寧MS6.0地震序列主要由巖鹽注水開采引起，兩個(gè)地震序列的發(fā)生在構(gòu)造上具有一定的關(guān)聯(lián)性。雷興林等［8］認(rèn)為震源附近鹽礦礦區(qū)由于長(zhǎng)期高壓注水采鹽活動(dòng)，巖鹽空腔增大，流體沿著先存斷層外流，流體壓力擴(kuò)散導(dǎo)致斷層激發(fā)活化，為發(fā)生震群性地震活動(dòng)提供了條件。Li等［60］根據(jù)長(zhǎng)寧MS6.0震源深度較淺、距鹽礦礦區(qū)較近的特點(diǎn)，推測(cè)長(zhǎng)寧地震可能是鹽礦長(zhǎng)期注水引起的。Jia等［108］認(rèn)為鹽礦注水誘發(fā)的地震活動(dòng)性與頁巖氣HF誘發(fā)的地震活動(dòng)性有明顯的區(qū)別，長(zhǎng)寧地區(qū)鹽礦注水與長(zhǎng)寧MS6.0地震有明顯的時(shí)空相關(guān)性，而頁巖氣HF與此次地震的關(guān)聯(lián)性不大，同樣表明鹽礦注水誘發(fā)了此次地震。Li等［110］依據(jù)興文ML5.7地震序列和鞏縣ML5.3地震序列的前震和余震特征，判斷興文ML5.7地震是由遷移到主震區(qū)域的注入流體導(dǎo)致先存斷層孔隙壓力增加引起的。Li等［111］基于預(yù)應(yīng)力斷層進(jìn)行注水和抽水作業(yè)，利用孔隙壓力中的孔隙彈性模擬和靜態(tài)庫侖應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，判斷鹽井注水誘發(fā)了此次地震。

Sun等［59］、Tan等［61］、胡幸平等［109］、常祖峰等［112］對(duì)于長(zhǎng)寧MS6.0地震的成因機(jī)制有不同的看法。Sun等［59］認(rèn)為頁巖氣開發(fā)HF過程中的流體注入為一條隱伏基底斷層滑移提供的潤(rùn)滑，誘發(fā)了興文ML5.7地震與長(zhǎng)寧MS6.0地震［113］。而Tan等［61］則認(rèn)為長(zhǎng)寧MS6.0地震可能與頁巖氣開采HF有關(guān)，地震主要是由于含流體的發(fā)震斷層孔隙壓力增大所致，同時(shí)HF產(chǎn)生的孔隙彈性應(yīng)力擾動(dòng)和無震滑移也在一定程度誘發(fā)了長(zhǎng)寧MS6.0地震。胡幸平等［109］認(rèn)為長(zhǎng)寧背斜軸部在6～9 km深度內(nèi)存在基底斷層，基底斷層在應(yīng)力場(chǎng)作用下的錯(cuò)動(dòng)是長(zhǎng)寧MS6.0地震序列發(fā)生的主要原因［109］。常祖峰等［112］認(rèn)為2019年長(zhǎng)寧MS6.0 地震可能是雙河背斜中的賦存超壓環(huán)境疊加北東向古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)應(yīng)力場(chǎng)的作用下使節(jié)理進(jìn)一步破裂的結(jié)果。

中國(guó)四川盆地誘發(fā)地震的頻發(fā)與井鹽注水開采、頁巖氣開發(fā)水力壓裂和廢水處理密切相關(guān)，目前一般認(rèn)為，頁巖氣開采和廢水注入引起了區(qū)域內(nèi)流體壓力擴(kuò)散和孔隙壓力增加，最終導(dǎo)致了重慶榮昌地區(qū)地震活動(dòng)頻率的激增。2018年興文ML5.7地震序列和2019年鞏縣ML5.3地震序列由頁巖氣開采HF高壓注水誘發(fā)，不過目前其誘發(fā)機(jī)制的研究相對(duì)較少，誘發(fā)過程尚不明晰。2019年長(zhǎng)寧MS6.0地震序列的誘因和誘發(fā)機(jī)制還存在爭(zhēng)論，可能是頁巖氣開發(fā)HF和井鹽開采注水共同作用的結(jié)果。

4 誘發(fā)性地震預(yù)測(cè)與緩解措施

由于頁巖油氣開發(fā)過程中的水力壓裂和開發(fā)后的廢水處理可能會(huì)誘發(fā)破壞性地震，頁巖油氣開發(fā)誘發(fā)地震的前瞻性預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)管控措施日益受到學(xué)術(shù)界的重視。

4.1 前瞻性預(yù)測(cè)

誘發(fā)性地震前瞻性預(yù)測(cè)對(duì)于頁巖油氣開發(fā)具有重要意義，是誘發(fā)性地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中必不可少的一環(huán)，可以為誘發(fā)性地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立提供關(guān)鍵依據(jù)，能有效減輕破壞性誘發(fā)性地震發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)［114-115］。誘發(fā)性地震的預(yù)測(cè)主要包括對(duì)最大震級(jí)的預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)模型可以分為統(tǒng)計(jì)模型、物理模型和混合模型三類［15，116-118］。一般來說，誘發(fā)性地震活動(dòng)的統(tǒng)計(jì)模型在概念上和計(jì)算上都很簡(jiǎn)單，基本不考慮控制其活動(dòng)的物理過程，即無法預(yù)測(cè)地震的空間分布，在預(yù)測(cè)大事件或做出準(zhǔn)確的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)方面能力有限［118］。物理模型考慮了其潛在的物理過程，在長(zhǎng)期預(yù)測(cè)方面則表現(xiàn)更好，但計(jì)算運(yùn)行成本較高［118］?；旌夏Ｐ褪俏锢砟Ｐ秃徒y(tǒng)計(jì)模型所得結(jié)果的折中，即在考慮物理過程的基礎(chǔ)上，用統(tǒng)計(jì)方法或隨機(jī)過程代替了求解數(shù)學(xué)物理方程，減少了計(jì)算量［118］。

（1） 統(tǒng)計(jì)模型。統(tǒng)計(jì)模型基于作業(yè)前和作業(yè)期間觀測(cè)到的地震目錄，利用誘發(fā)性地震活動(dòng)的時(shí)間演變來確定少量參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)地震事件的發(fā)生概率、最大震級(jí)［15，117］。Langenbruch等［43］提出了一種經(jīng)過校準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)模型，預(yù)測(cè)美國(guó)俄克拉何馬州中北部的有感地震（M≥3）以及潛在破壞性地震發(fā)生的可能性。Hincks等［90］開發(fā)了一種先進(jìn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，用于模擬空間、注水作業(yè)和地震活動(dòng)參數(shù)之間的相互依賴關(guān)系。McGarr等［119-120］分析了大量地震序列的實(shí)例，認(rèn)為最大震級(jí)由注入流體總量決定，提出了一個(gè)計(jì)算注入流體誘發(fā)地震序列的最大地震矩震級(jí)的簡(jiǎn)單公式;為了考慮地震變形的影響，在該公式的基礎(chǔ)上引入了地震有效因子作為校正因子。Li等［115］在McGarr等［120］的公式基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新的注水誘發(fā)地震最大震級(jí)的短期實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)方法，該方法通過連續(xù)跟蹤累積地震矩的時(shí)間變化實(shí)現(xiàn)了更加準(zhǔn)確的短期預(yù)測(cè)。Richter等［121］認(rèn)為誘發(fā)地震活動(dòng)是速率-摩擦力行為（Rate-and-state frictional behavior）的斷層應(yīng)力變化的統(tǒng)計(jì)學(xué)響應(yīng)，在此基礎(chǔ)上為格羅寧根氣田設(shè)計(jì)了一個(gè)誘發(fā)地震預(yù)測(cè)概率模型。

（2） 物理模型。一般通過建立大尺度的物理模型來模擬流體注入引起的儲(chǔ)層物理參數(shù)變化，并間接使用記錄的地震目錄進(jìn)行模型校準(zhǔn)，從而預(yù)測(cè)流體注入引起的最大地震震級(jí)［15，19，122］。Zhai等［46］在考慮孔隙壓力和孔隙彈性應(yīng)力的基礎(chǔ)上建立了一個(gè)基于物理的線性孔隙彈性模型（地震預(yù)測(cè)模型），結(jié)合速率-狀態(tài)摩擦定律，模擬了俄克拉何馬州地殼應(yīng)力和地震活動(dòng)速率的變化，用于評(píng)估注入流體引起的地震危險(xiǎn)性。Norbeck等［123］開發(fā)了一個(gè)基于流體流動(dòng)和地震物理學(xué)的模型，將俄克拉何馬州和堪薩斯州的部分地區(qū)流體注入歷史與地震活動(dòng)的觀測(cè)結(jié)果聯(lián)系起來，再現(xiàn)了歷史地震序列的重要特征。Johann等［124］利用地表水庫蓄水誘發(fā)地震的概念，建立了地下儲(chǔ)層誘發(fā)地震（Underground Reservoir-Induced Seismicity，URIS）模型，考慮了注入地層的流體質(zhì)量、作用基底表面的正應(yīng)力、孔隙流體壓力擴(kuò)散，以及孔隙彈性耦合對(duì)孔隙流體壓力和應(yīng)力變化的貢獻(xiàn)。

（3） 混合模型。把統(tǒng)計(jì)學(xué)方法與基于物理學(xué)的方法相結(jié)合的誘發(fā)地震預(yù)測(cè)模型稱為混合模型?；旌夏Ｐ妥裱I(yè)活動(dòng)的物理學(xué)描述，并使用誘發(fā)地震活動(dòng)目錄來約束巖石破裂后的地震事件特征［117］。Qin等［70］基于隨機(jī)森林機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來預(yù)測(cè)俄克拉何馬州的誘發(fā)地震活動(dòng)率，其模型測(cè)試期間的輸入特征包括：運(yùn)行參數(shù)（注入速率和壓力）、地質(zhì)信息、模擬孔隙壓力以及孔隙彈性應(yīng)力。Langenbruch等［125］模擬了俄克拉何馬州和堪薩斯州廢水處理流體注入引起的孔隙壓力的時(shí)空變化，在考慮孔隙壓力、先存基底斷層數(shù)量和應(yīng)力狀態(tài)的空間變化基礎(chǔ)上提出了一種新的混合模型，預(yù)測(cè)了美國(guó)俄克拉何馬州與堪薩斯州頁巖氣開采區(qū)域破壞性地震在空間和時(shí)間上發(fā)生的概率。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)管控

“紅綠燈”系統(tǒng)（Traffic Light System，TLS）是降低誘發(fā)地震風(fēng)險(xiǎn)的一種有效方法，當(dāng)達(dá)到地震活動(dòng)閾值時(shí)，降低注入壓力或者速率；如果地震活動(dòng)仍然增加，則暫停注入［126］。“紅綠燈”系統(tǒng)最早由Bommer等［127］提出，并首次應(yīng)用于中美洲薩爾瓦多東部柏林地?zé)衢_發(fā)項(xiàng)目中。目前構(gòu)建TLS的主要方式包括震級(jí)閾值方法、峰值地面速度（Peak Ground Velocity，PGV）閾值方法、量化的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法等［128-131］。TLS已被廣泛用于干熱巖和頁巖油氣開發(fā)等與注入流體過程有關(guān)的誘發(fā)性地震的風(fēng)險(xiǎn)管控中，在加拿大阿爾伯塔省、美國(guó)俄克拉何馬州等地表現(xiàn)良好［132-133］。

2015年1月22日，在加拿大阿爾伯塔省中西部Fox Creek地區(qū)的HF井附近發(fā)生了ML4.4地震序列以后，阿爾伯塔省能源局（Alberta Energy Regulator，AER）制定并實(shí)施了一個(gè)紅綠燈協(xié)議（Traffic Light Protocol，TLP）［134］。該協(xié)議要求Fox Creek地區(qū)的所有運(yùn)營(yíng)商建立地震監(jiān)測(cè)陣列，能夠在高頻井5 km范圍內(nèi)探測(cè)ML≥2地震事件，如果出現(xiàn)2≤MLlt;4地震事件，就會(huì)觸發(fā)黃燈，觸發(fā)黃燈的運(yùn)營(yíng)商必須執(zhí)行預(yù)先確定的緩解策略，以限制地震規(guī)模增加。如果觸發(fā)ML≥4地震事件，則觸發(fā)紅燈，需要立即暫停注入作業(yè)。觸發(fā)紅燈后，操作人員必須提交他們記錄的地震數(shù)據(jù)，并且在得到AER許可前不能恢復(fù)作業(yè)［132］。在AER制定并實(shí)施紅綠燈協(xié)議后，F(xiàn)ox Creek地區(qū)又分別于2015年6月13日和2016年1月12日發(fā)生了兩次紅燈事件，在事件發(fā)生后，停止HF作業(yè)并在3 h內(nèi)報(bào)告給AER，此后AER審批同意恢復(fù)生產(chǎn)，并在恢復(fù)運(yùn)營(yíng)后沒有發(fā)生其他超過紅燈閾值的地震事件［35，131-132，134］。俄克拉何馬州監(jiān)管機(jī)構(gòu)在2016年推出了一個(gè)紅綠燈系統(tǒng)，如果觸發(fā)ML≥2.5的地震事件，運(yùn)營(yíng)商需要進(jìn)行管控，在2018年調(diào)整為ML≥2.0，目前該州的黃燈閾值為ML2.0。紅燈閾值為ML3.5，在紅綠燈系統(tǒng)運(yùn)行以后，不再出現(xiàn)因水力壓裂或廢水注入引起的破壞性地震［133］。

5 結(jié)論與展望

本文以加拿大、美國(guó)和中國(guó)為例，系統(tǒng)地整理和總結(jié)了前人關(guān)于頁巖油氣開發(fā)誘發(fā)地震的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，通過典型案例分析和總結(jié)了水力壓裂、廢水處理與誘發(fā)地震時(shí)空分布的關(guān)系，對(duì)頁巖油氣開發(fā)水力壓裂誘發(fā)地震的3個(gè)不同的機(jī)理進(jìn)行了深入討論，最后總結(jié)了前人關(guān)于頁巖油氣開發(fā)誘發(fā)地震前瞻性預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)模型、物理模型和混合模型，并對(duì)“紅綠燈”系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。主要取得了以下4點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1） 頁巖油氣開發(fā)過程中，高壓水力壓裂和廢水處理是全球破壞性誘發(fā)地震頻發(fā)的重要原因。近二十年來與頁巖油氣開發(fā)有關(guān)的破壞性地震主要發(fā)生在頁巖氣田的水力壓裂井和廢水處理井附近。在美國(guó)中東部大多數(shù)誘發(fā)地震的產(chǎn)生與廢水處理有關(guān)，加拿大西部誘發(fā)地震活動(dòng)主要由水力壓裂引起；而在中國(guó)西南地區(qū)不同區(qū)域的誘因存在一定差異，重慶市榮昌地區(qū)廢水回注是主要誘因，而在四川省長(zhǎng)寧地區(qū)破壞性誘發(fā)地震的頻發(fā)，要同時(shí)考慮頁巖氣開發(fā)水力壓裂和鹽場(chǎng)規(guī)?；⑺甥}的影響。

（2） 水力壓裂和廢水回注期間井場(chǎng)附近微地震頻率的增加是一種正常現(xiàn)象，有時(shí)流體注入停止后仍會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。目前，普遍認(rèn)為注水導(dǎo)致誘發(fā)地震的機(jī)制主要有靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化、孔隙彈性介質(zhì)理論和流體壓力擴(kuò)散，及無震滑移這3種基本理論。靜態(tài)庫侖應(yīng)力變化理論適用于直接和注水相關(guān)的液壓作用導(dǎo)致的誘發(fā)地震，孔隙彈性介質(zhì)理論和流體壓力擴(kuò)散常被用于解釋遠(yuǎn)場(chǎng)地震的發(fā)生。

（3） 對(duì)頁巖油氣開發(fā)區(qū)域進(jìn)行誘發(fā)地震前瞻性預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)管控措施能有效降低破壞性地震發(fā)生的可能性。在3類前瞻性預(yù)測(cè)模型中，統(tǒng)計(jì)模型可用于短期預(yù)測(cè)，但長(zhǎng)期預(yù)測(cè)精度較低；物理模型可用于長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，但成本較高；混合模型結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，在美國(guó)中東部廢水處理誘發(fā)地震預(yù)測(cè)的研究中都得到了成功驗(yàn)證。在加拿大西部和美國(guó)中西部建立的“紅綠燈”系統(tǒng)有效降低了破壞性地震發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)我國(guó)西南地區(qū)頁巖氣開發(fā)具有重要的借鑒意義。

（4） 近年來中國(guó)西南地區(qū)由于頁巖氣開采，破壞性誘發(fā)地震頻發(fā)，如榮昌ML5.1地震、興文ML5.7地震，有學(xué)者認(rèn)為長(zhǎng)寧MS6.0也是由頁巖氣開發(fā)水力壓裂引起的。目前中國(guó)尚未建立紅綠燈管控系統(tǒng)，也缺乏相關(guān)地區(qū)誘發(fā)地震的前瞻性預(yù)測(cè)研究，應(yīng)在頁巖油氣開發(fā)的井場(chǎng)附近建立完善的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和紅綠燈管控系統(tǒng)，加強(qiáng)前瞻性預(yù)測(cè)研究和地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，減少誘發(fā)地震的發(fā)生。

致謝：感謝北京大學(xué)蔡永恩教授和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)周元澤教授的指導(dǎo)。

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（本文編輯：任 棟）