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浅谈流体注入诱发地震的机理 精选

已有 3459 次阅读 2018-7-10 15:39 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 流体注入, 诱发地震, 天然地震

 

最近,看了几篇包括NS论文在内的有关流体注入诱发地震的文章,本来想写个事后审稿”的Comments,但具体问题具体分析意义不大,因为这个话题涉及到对地震机理认识的根本性问题,有一定的共性,不如趁机扩大化,写篇科普性文章,大家深入讨论下,以压缩认识误区,深化对有关科学问题的认识。

在页岩气开采涉及的压裂液高压注入、地热开采中的水注入、二氧化塔封存中的液态或气态物质注入地层过程中,或其后一段时间,在地下岩层中观测到了地震活动,不少学者对此已经发表了多篇热点”文章。其中,注入诱发地震的机理是什么?能诱发多大的地震?地震活动能持续多长时间?地震活动主要取决于什么因素?这些是大家关注的普遍问题。本文谈谈自己的认识,期望能起到抛砖引玉的作用。

不过,讨论任何问题,得有一个基准”,即按照什么基本原理为准则作为认识起点的问题。过去对天然地震搞了很多年,大牛们也提出了各种各样的观点,但哪种观点靠谱,并不取决于支持的人数多少,而取决于地震们的表现是投了赞成票”还是“否决票”。鉴于二班人”的认识得到了广大“地震们”的支持,咱后续的分析就按以下认识进行。

(1)  能积累较高能量产生大地震的载体是断层中或被次级断层围限而成的锁固段,其具有强度高和尺度大的特征。

(2)   若断层仅有较软弱介质组成,能否发震(不管大小)的必要条件之一取决于其物质组成,若软弱介质中夹杂有较小尺度、较低强度的岩石(不能视为锁固段,能视为锁固段的得有一个力学上的匹配原则),若其破裂也能发生地震。

(3)  断层强度由断层内强度较高的非均质部位决定,有些学者认为超过断层摩擦强度发生地震的观点是错误的。从岩石力学原理出发,通常认为只要超过裂纹起始应力(弹性极限),岩石就开始破裂发生地震,只是到峰值点会发生一个较大的事件而已。

(4) 真正的“死断层”不会发生地震,而有些死断层”在流体注入的条件下会发生活化”,当具备一定的物质条件时,也会发生地震。

好了,若对上述认识没啥异议,咱就开始正题吧。

Ellsworth1画出的示意图(图1)很形象,咱就拿它为例举例说明”(实际注入条件、地层与断层分布情况要复杂的多)。图1(右上)是流体附加应力作用对断层作用的示意图。像水库诱发地震一样,一般认为单纯附加应力对地震的诱发作用微乎其微,可以忽略。其实,这事儿容易从力学原理上予以解释,学过《土力学》、《岩石力学》的童鞋们知道,荷载正下方地基附加应力随深度的增加(图2)是衰减的,下覆岩层强度越大,衰减的越快。若断层距上面那个流体库”有一定的距离,附加应力的诱震作用可忽略。


1 流体注入诱发地震机理示意图【1

  


2 附加应力随深度的变化(来自网络,无商业目的,致谢!)

咱把焦点”移到图1左下,详细说说。在注入作用下,若岩石破裂就能导致地震发生。在实际操作过程中,有些注入井部位或邻近区域(实时或滞后一段时间)有地震发生,而有些没有,这是为什么呢?这依赖于注入压力、岩层强度与渗流通道情况。若岩石强度较高,或岩层渗流条件较好,注入压力达不到裂纹起始压力,可能观测不到地震活动,否则不然。

若注入大,且渗流条件,那么流体作用会对一定距离范围内的断层产生作用,要说明白这事儿,还得分情况考虑。

(1) 若断层是死”的,且断层中有“锁固段”,通常附加流体作用不能激活”它,因为这点力量不够。

(2) 若断层是“死”的,且断层中有小尺度、低强度的非均质体(非锁固段),适当的流体作用能“激活”它,所以能够发震,断层能发生的最大地震取决于这些非均质体的强度和尺度,地震活动持续时间取决于非均质体的强度、破裂速率、及其数量。在这种情况下因为流体作用是“因”,后续的地震活动可视为“诱发地震”。Schultz 等【2】观测到的加拿大Alberta省页岩开发水力压裂的地震活动延迟现象,可能属于这种情况。

(3)若断层是“活”的,且断层中有“锁固段”,流体的两种主要作用得以充分体现:(a)加速锁固段的破裂,即地震活动频率增强;(b)降低锁固段强度,即在其峰值强度点处的地震震级会减小。显然,断层的构造运动是主因,后续流体的作用是次因,在这种情况下,难以分清在流体注入后较长一段时间该断层的地震活动是纯粹的天然地震”还是“诱发地震”,因为其往往是两者兼有之”。不过,从主因上看,这些地震归为天然地震”更合理些。还要注意到,地壳中不少断层往往有先存流体滴,从这种角度说,后续流体对断层的附加作用,可以忽略。

(4) 若断层是“活”的,且断层中有非“锁固段”存在。这种情况,与(2)和(3)有相似之处,读者可自行分析。

最后,有一件事儿得强调下。我们的分析【3】表明,地球约从1510年起,地震活动已进入了活跃期。所以,分析某地区注入诱发地震活动性时,不能仅仅与过去的地震活动平静”对比,得从某地区的地震构造和地震活动特点着手,找出诱发地震和天然地震的特征标识,进行甄别分析才有意义。如果做不到,那就属于无稽之谈”啦

有不少人认为,发表在NS杂志上的论文是高大上的、正确”的化身。非也,发表在任何杂志上的论文,得靠同行评议”甚至编辑定夺,而评议意见是否靠谱,主要取决于对某件事儿的理解程度。理解不到位,即使通过同行评议发表的论文仍会错误百出”。如果这些论文让咱审查,把上述意见一亮剑”,足矣秒杀其在NS杂志上发表的可能。那么,看论文的价值是看什么呢?看内涵的理性程度、证据的无偏见性与普适性。

再者,一篇论文的构成要素,例如注入诱发地震方面的文章,得起码有区域地层与断层方面的信息,得有断层结构方面的信息,得有渗流方面的分析,得有甄别诱发地震”和“天然地震”方法方面的阐述,没有这些硬货”做支撑,仅靠现象描述和统计分析下结论,是不是太武断了?按照咱的看法,这些文章别说在NS杂志上发表了,恐怕在国际三流的杂志上发表都有困难。

参考

1Injection-Induced Earthquakes

William L. Ellsworth

DOI: 10.1126/science.1225942

Science 341 (6142), 1225942

2Hydraulic fracturing volume is associated with induced earthquake productivity in the

R. Schultz, G. Atkinson, D. W. Eaton, Y. J. Gu and H. Kao

DOI: 10.1126/science.aao0159

Science 359 (6373), 304-308.

这样的NS文章还有不少,感兴趣的读者可通过关键词搜索后通过下载神器”下载阅读。

3地球何时进入了地震活跃期?

http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-1071193.html




http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-1123257.html

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