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若何削减人为触发的地震?

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【摘要】 对许多国家来说,天然气和石油的开采都是非常重要的产业。但在开采过程中,水会随着碳氢化合物从地底被抽取出来。这些水有着较高的含盐量,且会受到碳氢化合物......

对许多国家来说,天然气和石油的开采都是非常重要的产业。但在开采过程中,会随着碳氢化合物从地底被抽取出来。这些水有着较高的含盐量,且会受到碳氢化合物以及其他化合物的污染,因此必须经过回收或处理。通常,油田的作业人员会选择将它们重新注入地下

然而,当人为地向地下大规模地注入流体时,有可能会诱发破坏性的地震,导致严重的后果。近年来,在一些石油和天然气产区,废水重新注入地下的过程已经引发了一系列地震事件。

现在,一个跨学科研究团队开发了一种能够控制这种由人为诱发的地震活动的方法,并证明了这项技术能成功地减少在活跃油田等地发生的地震事件数量。研究结果发表在了近期的《自然》杂志上。

无论是自然发生的地震还有人为诱发的地震,都是沿着地质断层——也就是地壳中两块岩石之间的裂缝——发生的。在稳定时期,断层两侧的岩石会被周围岩石所产生的压力所固定。但是,当突然有大量流体注入时,流体应力平衡就会遭到破坏。最常见的一种情况是流体会穿透已经存在的断层,给断层起到润滑作用,导致两侧的岩石滑动,从而引发地震。除此之外,流体的注入和油气的开采还会导致地下的体积和质量发生巨大变化,从而对附近已有的断层施加应力,导致地震的发生

石油和天然气工业的废水处理过程是最常见的流体注入来源。这些废水通常与石油混在一起,在高压下通过注入井被不断地泵回地下。据统计,由于废水的注入,美国俄克拉荷马州的产油区在一段时期内发生了比加利福尼亚州还要更多的三级地震。科学家已经在世界的多个地区观察到了类似的地震模式,并确定这些地震与废水处理相关的流体注入有关。

意大利南部在近年内也出现了类似的问题。埃尼集团的油田所在的区域就发生了一系列微弱的地震,为了寻找解决问题的方法,埃尼集团向美国麻省理工学院从事地震研究和壤中流的研究人员寻求解决方案。对于学者来说,这无疑是一次获得高质量地下地震数据的机会,因此他们欣然答应合作,并希望能从中发展出如何才能更安全地进行注入的模型。

Val D ’ agri 油田是埃尼集团位处意大利南部的一个油田,它位于一个地壳构造活跃的盆地。该油田的开采始于 1993 年,废水处理始于 2006 年,自那之后发生了大约 300 次小型地震事件,当地最大震级为 2.2 级,还有一些因震级太小而无法感觉到。

研究人员通过追溯这一地区自 17 世纪以来的详细地震记录,发现在该油田注入井的 100 千米范围内,平均每个世纪会发生 4 次超过 5.5 级的地震。此外,他们还查阅了 Val D ’ agri 油田多年积累的各种数据,比如当地的岩石和断层的结构,以及当每口注入井以不同速率注入时所对应的地下状态。

在新的研究中,研究人员创建了一个结合了地下流动和地质力学的模型,这个模型可被用来预测地下结构的应力和应变如何随着注入的废水(以及其他流体)的体积变化而变化。他们将所有收集到的关于 Val D ’ agri 油田的数据都集成到这个模型中,然后将地下应力和流体压力的变化转化为引发地震的概率。

当他们用 1993 年到 2016 年间的数据运行模型时,发现模型得出的对地震活动的预测,与这一时期的真实地震记录相吻合。然后,他们将模型用来预测未来可能发生的情况,他们将时间线推演到了 2025 年,预测当以 2000 立方米 / 天、2500 立方米 / 天、3000 立方米 / 天这三种速率向该地区注入废水时会发生的情况。

模拟结果表明,如果每天注入 2000 立方米的流体,是不太可能引发明显的地震活动的但如果将每天的注入量维持在 2500 至 3000 立方米,小型的地震事件将越来越有可能以较高的频率被触发

基于这样的结论,埃尼集团的油田作业者在 2017 年 1 月至 2019 年 6 月期间实施了由研究团队建议的注水率。结果发现,在这两年半的时间里,这一地区大约发生了 4 次 0.5 级地震;而在 2006 年至 2016 年期间,这里发生了数百次高达 3 级的地震。而且有意思的是,少有的这几次微小地震事件的发生时间,与一些注入率超过了建议标准的时期相吻合。

研究人员认为,这样的结果意味着,一些人为触发的地震的确是可以通过调整注入率来避免发生的。他们所创建的是是一个非常强大的模型,只需向它输入一个地区的详细地下信息,就可以计算出有助于更好地预防人为触发的地震的方案。

研究人员相信,新的方法不仅可以帮助减轻石油和天然气工业引起的地震,还能够帮助预防其他人类活动引发的地震,比如蓄水层和含水层的填充,以及深层地质构造中二氧化碳的封存。这种方法将帮助我们更好地平衡如石油和天然气等行业的经济可行性和这些开采所带来的环境影响。

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