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GeoHazards：7000次有感地震！石油天然气活动是俄克拉荷马州与堪萨斯州地震频发的诱因

已有 87 次阅读 2026-4-27 23:10 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

研究背景

过去15年间，美国俄克拉荷马州与堪萨斯州南部的地震活动水平呈现显著上升趋势，这一现象与当地历史地震活动性形成鲜明对比。科学界普遍认为，石油天然气开采过程中伴随产生的大量废水回灌处理是诱发地震的主要因素，少量地震事件则与水力压裂作业直接相关。然而，现有研究多聚焦于单一触发机制，缺乏在同一框架下系统评估两种活动在整个区域影响的综合性研究。本文旨在解决这一问题，首次在统一物理与统计框架内，全面评估废水处理与水力压裂在俄克拉荷马州及堪萨斯州地震活动中的相对作用及其统计显著性。

图1. (a) 图1a区域内震级大于2.5的去簇地震活动率以及月度水力压裂 (HF) 和土壤水力钻探 (SWD) 量的时间序列。2012年之前的HF数据不完整，2012年之前的震级小于3的地震活动数据不完整，2022年的SWD数据不完整。(b) 去簇地震活动 (震级≥2.5；黑点)、井 (黄色：HF；蓝色：SWD) 和县/州边界地图。数据时间范围为2006年至2022年9月。

研究内容

本研究采用基于物理机制的统计假设检验框架，对俄克拉荷马州及堪萨斯州2000年至2023年的地震活动与石油天然气作业数据进行系统分析。研究首先整合了多源地震目录，构建了统一的地震目录，并通过去丛集处理区分主震与余震。针对废水处理与水力压裂两种人为活动，研究分别建立零假设 (地震仅由构造加载引起) 与备择假设 (地震与注水活动相关)，并利用广义地震指数模型预测地震活动率。该模型考虑了注入体积、孔隙压力扩散以及地震响应的时间滞后效应。通过将实际观测数据与随机重排生成的合成数据集进行比较，研究为每个空间网格单元计算了表征因果关联置信度的p值。p值低于0.05表明可以在95%的置信水平上拒绝零假设，即该区域的地震活动与特定石油天然气作业存在显著关联。

研究结果显示，废水处理是区域地震活动的主要触发因素。46%的“活跃”网格单元显示出与废水处理高度相关 (pSWD ≤ 0.05)，该区域61%的M≥2.5地震事件发生于这些高置信度关联区内，其中包括所有4次M≥5.0大震。研究还发现，地震活动率与最大震级仅与经孔隙压力扩散模型处理后的废水体积呈正相关，而非直接注入体积，凸显了考虑流体扩散过程的重要性。研究未在中部与北部堪萨斯州发现持续性诱发地震活动的证据，尽管该区域存在高容量废水处理作业，表明地质力学条件对诱发地震的敏感性起主导作用。

图2. 展示了2012年至2021年间，当D等于2m²/s时，SWD的统计p值，图中叠加了震级大于2.5的去簇地震。

针对水力压裂活动的分析表明，其在特定区域 (如SCOOP/STACK产区、Arkoma盆地) 是地震活动的重要触发机制。22%的“活跃”网格单元显示出与水力压裂的显著关联 (pHF ≤ 0.05)。结合水力压裂雷达 (HFR) 时空窗口分析，确认有3%的M≥2.5地震事件可明确归因于水力压裂作业。值得注意的是，研究识别出一些区域同时存在与两种活动的低p值关联，表明该处可能同时存在由水力压裂触发的浅部地震和由废水处理触发的基底深部地震。然而，在这些复合区域，地震活动主要仍由废水处理驱动。分析还发现，最大震级与水力压裂总体积无显著正相关，进一步证实地质条件相较于作业规模对地震规模具有更强控制力。

研究总结

本研究首次在统一物理与统计框架下，系统评估了废水处理与水力压裂作业对俄克拉荷马州及堪萨斯州南部过去15年地震活动性的相对作用。研究证实，石油天然气作业以高置信度与7000多次M≥2.5有感地震 (包括46次M≥4.0事件及4次M≥5.0事件) 存在概率关联，其中65%的地震可归因于这些活动。研究结果对去丛集处理、震级完备性、研究时段及水力扩散系数等参数均表现出稳健性。更重要的是，研究揭示了地震活动与人为作业之间存在显著的空间不均匀性，强调地质力学因素在诱发地震风险中的决定性作用。该研究为区域地震灾害评估与风险管理提供了科学依据，并展示了所提框架在区分多重人为活动触发效应方面的适用性与有效性。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2624-795X/6/3/36