據外媒報道，當人類向地下泵入大量液體時，可能會引發具有潛在破壞性的地震，這取決於地下的地質情況。在某些產油和天然氣的地區，廢水通常會跟石油混合在一起，針對這種情況的處理方法是將其重新注入地下–然而這一過程卻在近年來引發了相當大的地震事件。
資料圖
現在，麻省理工學院(MIT)的研究人員跟一個由工業界和學術界的科學家組成的跨學科團隊合作開發了一種管理這種人為地震活動的方法，並證明了該技術成功地減少了活躍油田發生的地震數量。
他們於2021年7月28日發表在《自然》上的研究結果可能有助於緩解石油和天然氣行業引發的地震–不僅是因為注入跟石油一起產生的廢水，還因為水力壓裂產生的廢水。該團隊的方法還可以幫助防止其他人類活動引起的地震，如蓄水層和蓄水層的填充以及深層地質構造中二氧化碳的封存。
這項研究的論文首席作者Bradford Hager指出：“地震引發的問題遠遠超出了開採石油的範圍。如果我們要安全地向地下注入二氧化碳，這對社會來說是一個必須面對的巨大問題。我們證明了這類研究是必要的。”
這項研究的共同作者還包括MIT土木與環境工程教授Ruben Juanes以及來自加州大學河濱分校、德克薩斯大學奧斯汀分校、哈佛大學和意大利跨國石油和天然氣公司Eni的合作者們。
安全注入
自然和人為誘發的地震都發生在地質斷層上也就是地殼中兩塊岩石之間的裂縫。在穩定時期，斷層兩側的岩石被周圍岩石所產生的壓力所固定。但當突然以高速率注入大量流體時就會破壞斷層的流體應力平衡。在某些情況下，這種突然的注入會潤滑斷層進而導致兩側的岩石滑動並引發地震。
這種流體注入最常見的來源是石油和天然氣工業對隨石油而來的廢水的處理。油田運營商通過注入井將這些水在高壓下連續泵回地下。
Hager指出：“石油產生了大量的水，這些水被注入地下 進而導致了多次地震。所以，一段時間以來，俄克拉荷馬州的產油區發生的3級地震比加利福尼亞還要多，因為所有這些污水被注入。”
近年來，意大利南部也出現了類似的問題，Eni油田的注入井引發了微地震，而該地區此前曾發生過大型自然地震。為了尋找解決問題的方法，該公司向Hager和Juanes尋求諮詢，他們都是地震活動和地下流動方面的領先專家。
Juanes說道：“這對我們來說是一個獲得高質量地下地震數據以及學習如何安全地進行這些注入的機會。”
地震藍圖
該小組利用了該石油公司在Val D’agri油田多年來積累的詳細信息。Val D’agri油田位於意大利南部，處於一個構造活躍的盆地。這些數據包括該地區可追溯到17世紀的地震記錄、岩石和斷層的結構及對應於每口井不同注入速率的地下狀態。
研究人員將這些數據集成到一個耦合的地下流動和地質力學模型中，該模型可以預測地下結構的應力和應變如何隨着孔隙流體如注水的體積變化而演變。他們將這個模型跟地震力學模型聯繫起來從而將地應力和流體壓力的變化轉化為引發地震的可能性。然後，他們量化了跟不同的注水速率相關的地震速率並確定了不太可能引發大地震的情景。
當他們使用1993年至2016年的數據運行模型時，對地震活動的預測跟這一時期的地震記錄相吻合，這使得他們的方法得到驗證。然後，他們將模型向前運行，一直到2025年，以此來預測該地區對三種不同注入速度的地震反應：每天注入2000立方米、2500立方米和3000立方米。模擬結果表明，如果運營商保持每天2000立方米的注入量（相當於一個小型公共消防栓的流量）就可以避免大地震。
在2017年1月至2019年6月的30個月期間，Eni油田運營商在該油田的單口注水井中實施了團隊推薦的注水井速率。在這段時間裡，該團隊只觀察到一些微小的地震事件，當作業者的注入速度超過推薦的注入速度時這些地震事件恰好發生在很短的時間內。
Hager說道：“在這兩年半的時間裡，該地區的地震活動非常低，大概發生了4次0.5級的地震，而在2006年至2016年期間，發生了數百次高達3級的地震。”
結果表明，作業者可以根據地下地質情況以調整注入速率來成功地管理地震。Juanes表示，只要有一個地區地下的詳細信息，該小組的建模方法就有可能有助於防止跟其他過程如水庫的建造和二氧化碳的封存有關的地震。
“我們需要付出很多努力去了解地質背景，”Juanes指出，如果在枯竭的油田上進行碳封存，“這樣的儲層可能會有這種類型的歷史、地震信息和地質解釋，你可以用它們來建立碳封存的類似模型。我們展示了至少在操作環境下管理地震活動是可能的。並且我們為如何做到這一點提供了藍圖。”