钻探引发地震

编者注（2016年11月7日）：11月6日星期日，俄克拉荷马州中部发生5.0级地震，该地区建筑物受损。专家尚未将本次地震与石油和天然气生产联系起来，但震中靠近废水处理井，此结构曾在该州早期的地震中受到牵连。 

对于凯西·华莱士来说，达拉斯郊区整洁的家中发生的地震感觉就像地下雷暴。先是远处传来轰鸣声，然后是巨响和震动。她的房子摇晃，窗户震颤。墙壁上的镶框画发出撞击声并倾斜。一个沉重的玻璃花瓶倾倒并发出破碎声。

最糟糕的时刻是隆隆声和冲击之间。“每次发生这种情况，你都知道它要来了，但你不知道会有多严重，”她说。“这次会更大吗？这是我的房子要倒塌的部分吗？这太可怕了。非常可怕。”

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直到2008年，美国地质调查局从未记录到达拉斯-沃斯堡（DFW）地区的任何地震，华莱士在那里居住了20多年。从那时起，已有近200次地震震动了这些城市及其近郊。在全州范围内，德克萨斯州的地震发生率比历史水平高出六倍。俄克拉荷马州的地震发生率激增了160倍，其中一些地震已导致人员住院，建筑物和高速公路受损。2014年，该州的地震发生率超过了加利福尼亚州。

地震的增加与钻探活动的增加同时发生。例如，华莱士的房子坐落在巴奈特页岩地层之上，这是一层坚硬的黑色岩石，蕴藏着美国第二大天然气矿藏。1998年至2002年间，公司开始使用水力压裂法（或压裂法）钻探该矿藏，该方法涉及将数百万加仑的水，加上沙子和化学物质，以高压泵入地下，以裂开岩石并释放天然气。当天然气从井中涌出时，压裂液以及大量含盐量极高的危险盐水也随之涌出。这些液体被泵回不同的孔洞，这些孔洞钻到页岩下方深处的多孔岩石中，以便永久处理。随着越来越多的液体被注入这些废水井中，压力可能会开始在地质深层断层上积聚。最终，一个断层可能会滑动，从而引发地震。

美国地质调查局和其他机构的研究人员已将包括德克萨斯州、俄克拉荷马州、俄亥俄州、堪萨斯州和阿肯色州在内的八个州的地震激增与石油和天然气作业联系起来。一些州监管机构对科学家的发现接受缓慢。居民越来越愤怒，环保组织也提起了诉讼。“这是一个公共安全问题，但一直存在很多否认和忽视这个问题的情况，”华莱士说，她与邻居一起推动关闭附近的废水井。

随着科学家们继续研究这种现象，他们发现了更多值得关注的原因。证据表明，地震风险可以蔓延到原始处理场所以外数英里，并且在钻探停止后可能会持续十年或更长时间。尽管废水注入引发的最大地震是5.6级（2011年发生在俄克拉荷马城附近，里氏震级），但科学家们认为，可能发生震级高达7.0级的地震——足以造成人员伤亡并广泛破坏建筑物——尽管可能性不大。

联系的最初迹象

地质学家自20世纪60年代以来就知道，将液体注入地下可能会引发地震。1961年，工作人员在丹佛郊外的一个化学武器工厂（称为落基山兵工厂）钻了一口深井。在工人开始向井中泵入有害废物后的几个月内，居民就感受到了震动。1962年至1966年间，700多次小型至中型地震震动了地面。

当地地质学家大卫·埃文斯注意到，注入的体积和压力与地震发生率相对应。在1966年的一篇论文中，他得出结论，这口井很可能是地震的罪魁祸首。“据信，一个稳定的局面，”他写道，“正在被流体压力的施加变得不稳定。”

美国陆军在同年关闭了该处理井。然而，地震仍在继续，甚至变得更强烈，因为注入产生的压力在地下传播，遇到新的断层并扰乱它们。达拉斯南卫理公会大学（S.M.U.）的地球物理学家马修·霍恩巴赫将这种现象比作将一杯水洒在纸巾上。“即使你停止倾倒，水仍然在那里扩散，而且很难阻止它，”他说。最大的地震，包括1967年发生的一次震级达到4.8级的地震——强度足以将物体从架子上震落，但通常不会破坏建筑物——在1967年发生，然后逐渐减弱。居民们一直感觉到较小的震动，直到1981年。

这个案例引起了地震学家的兴趣，美国地质调查局几年后基于此案例进行了一项实验。1969年，雪佛龙石油公司允许美国地质调查局使用其一口井来更仔细地研究流体压力对断层的影响。这口井位于科罗拉多州兰格利油藏的地震活跃带，雪佛龙一直在向井中注入水以刺激石油生产。美国地质调查局的科学家打开和关闭注入，并跟踪流体压力在深层岩石中迁移的情况。他们得出了引发地震所需的精确注入压力。当压力超过该水平时，地震隆隆作响；当压力降至该水平以下时，地震就平静下来。

实验表明，人为引发的地震可以通过调整废水注入压力来控制。不幸的是，兰格利和落基山兵工厂的教训显然在2000年代初期被遗忘了，当时化石燃料公司开始了页岩气繁荣。“在随后的40多年里，地球物理文献中发表了大量关于注入诱发地震的论文，地震学家们充分理解和重视这个问题，”斯坦福大学地球物理学家比尔·埃尔斯沃思说，他在美国地质调查局开始了他的职业生涯，当时兰格利实验正在进行中。他认为专业怀疑论减缓了共识的形成。“许多优秀的石油工程师对[注入井引起的地震]甚至是否可能表示怀疑，”他说。“关于整个物理过程的知识要么丢失了，要么没有有效地传达给广泛的社区。”

始于德克萨斯州

在德克萨斯州和俄克拉荷马州页岩中开始更积极的钻探后不久，地震报告开始涌入。2008年10月30日，达拉斯-沃斯堡居民拨打911报告巨大的轰鸣声，并伴有墙壁和家具的震动。许多人想知道是否发生了爆炸。

奥斯汀德克萨斯大学的地震学家克利夫·弗罗利奇和S.M.U.的布莱恩·斯塔姆进行了调查。他们布置了许多地震仪，记录了2008年10月30日至2009年5月31日期间发生的180多次小地震。然后，他们发现一家主要的天然气生产商最近在达拉斯-沃斯堡国际机场钻了一口废水井，距离震群中心不到半英里。“根据时间和空间相关性，我们得出结论，DFW地震序列可能是SWD[盐水处理]井流体注入的结果，”他们在2010年3月发表在The Leading Edge杂志上的一篇论文中写道。

弗罗利奇说，如果不是因为其他几起事件，这篇论文可能已被忽视。2009年6月，另一组地震撼动了沃斯堡南部的一个小型工业城市。几个月后，更强烈的地震撼动了阿肯色州的盖伊镇和格林布赖尔镇。2011年3月，俄亥俄州通常稳定的地面开始移动，12次地震震动了扬斯敦地区。

美国地质调查局的科学家们从他们在加利福尼亚州门洛帕克的办公室注意到，正在发生一些不寻常的事情。“每天，我们都可以看到在不应该发生地震的地方发生了地震，”埃尔斯沃思说，他直到2015年都在美国地质调查局工作。他开始广泛关注美国各地的地震发生率，并发现了一个令人不安的模式：1967年至2000年间，落基山脉以东的平均地震发生率为每年21次。2010年至2012年间，这一比率跃升至100次。他绘制了数据并在一次科学会议上展示。“这引起了广泛的兴趣，”他说，来自公众以及工业界和学术界的科学家。

侧向钻井

地震增加的背后是废水注入井的增加。而这些井的背后是一项名为水平钻井的技术突破。该技术允许操作员垂直钻井，然后像柔性吸管一样将其弯曲90度。这些井不是直接钻穿厚度为300英尺但绵延数英里的天然气矿藏，而是在进入矿藏内部时可以转弯并延伸数千英尺，从而收集到更多的天然气和石油。

然而，随着天然气和石油的到来，也带来了大量的极咸水。“石油和天然气业务实际上是一项水处理业务，”德克萨斯州地质学家、奥斯汀德克萨斯大学经济地质局局长斯科特·廷克说。水来自与石油和天然气相同的岩石。这三者都是古代海洋的残余物，经过加热、加压和时间的推移而转变。“岩石中的孔隙空间或微小孔洞仍然充满了这些古代海洋，因此当我们今天钻井时，这些水会被产到地表，”廷克说。虽然水是天然的，但它的盐度可能是海水的几个数量级，并且通常掺杂有天然存在的放射性物质。它对动植物有毒，因此操作员将其深埋地下，以保护靠近地表的饮用水源。

传奇的德克萨斯州天然气大亨乔治·米切尔于2013年去世，他是第一个使用水力压裂法开采巴奈特页岩的人。俄克拉荷马州的德文能源公司将水平钻井与水力压裂法相结合，以提取更多的天然气。这项技术很快在德克萨斯州、俄克拉荷马州和其他石油生产州流行起来。

随着钻探的激增，美国页岩气产量急剧上升，从2007年的1.3万亿立方英尺增加到2010年的5.3万亿立方英尺，再到2014年的13.4万亿立方英尺。被带到地表并必须处理的废水体积也随之飙升。

在德克萨斯州，泵入废水井的水量从2007年每月3380万桶增加到2014年每月8110万桶。在俄克拉荷马州，这一数字几乎翻了一番，从2009年每月8.49亿桶增加到2014年每月15.4亿桶。很快，常规注入井就不够大了，运营商转向了所谓的大容量注入井，名称如“深喉”。许多井每月吸收超过30万桶水。

俄克拉荷马州亮起红灯

随着地震次数的增加，科学家们从将地震与废水注入松散地联系起来，转向推断更直接的联系。2011年，俄克拉荷马大学地震学家凯蒂·克拉恩从阿拉斯加州的野外研究中带着六个地震仪返回。当它们放在她地下室实验室的仓库里时，一场4.8级地震震动了俄克拉荷马城以东约60英里的布拉格镇。她和她的学生刚布置好仪器，一场5.6级地震就震动了同一个城镇。根据美国地质调查局的数据，截至目前，那次11月的地震是与废水注入相关的最大事件。它造成两人受伤，摧毁了14所房屋，使部分高速公路弯曲，并在至少17个州有震感。

克拉恩和她的学生记录了那次地震以及数百次余震，并使用这些数据在Geology和Science杂志上发表了论文。对于2013年3月发表的Geology论文，克拉恩和她的同事创建了一个地球物理模型，以估计地下流体压力积累的速度以及它可以传播多远。它表明，压力可能足以引发第一次地震，然后引发多米诺骨牌效应；第一次破裂产生的应力变化导致附近断层滑动。2014年7月发布的Science论文将琼斯（位于布拉格以西）的一系列地震与四口大容量注入井联系起来。

克拉恩将流体和压力在地球地下的运动比作水注入一个被人打破又粘合在一起的花瓶。“如果压力足够高，流体可以直接强行向下进入断裂通道，”她说。压力抵消了将断层结合在一起的摩擦力，并允许它们分离——这种现象被称为诱发地震。

俄克拉荷马州地质调查局（OGS）不相信，发表声明反驳了克拉恩在Geology论文中的发现。“我们的观点只是认为这看起来像一次自然地震，没有理由称之为诱发地震，”兰迪·凯勒说，他在2014年底退休前担任该调查局局长。当时由凯勒和俄克拉荷马州地震学家奥斯汀·荷兰签署的声明，指出了该地区历史上自然地震的证据。

克拉恩对这种回应感到惊讶，但现在认为她的反应很天真。“我更理解他们不一定会相信一份报告的事实，”她说。“他们希望看到大多数科学家和多项研究都指向那个方向。”不过，她感到沮丧的是，俄克拉荷马州没有迅速减缓或停止一些井的注入，该州直到2015年初才大规模采取这一步骤。她说，她还受到了她所在大学管理人员的阻力，他们不相信可以证明处理井与地震之间的联系。2013年年中，克拉恩离开俄克拉荷马大学前往康奈尔大学。

来源：2009-2014年俄克拉荷马州按地质完成区划分的年度、州和县级 II 类盐水处理，作者：Kyle e. Murray。俄克拉荷马州地质调查局，2015年12月31日（废水注入数据）；美国地质调查局地震地图（地震数据）
地图：Amanda Montañez

沃斯堡附近的隆隆声

克拉恩的论文发表几个月后，德克萨斯州再次开始震动。这一次地震袭击了沃斯堡西北部的两个农村小镇——阿泽尔和里诺，这里是石油和天然气开发最密集的地区之一。

此时，S.M.U.聘请了几位新的地球物理学家，他们加入了弗罗利奇和斯塔姆的调查。地震学家希瑟·德肖恩部署了地震台站，并开始绘制城镇下方的断层图。霍恩巴赫与斯坦福大学的埃尔斯沃思一起，开始研究湖泊、河流和含水层的水位，以了解德克萨斯州北部地区的干旱是否可能改变了断层上的应力。该团队还收集了附近盐水处理井的数据，并建立了一个3D模型来模拟注入井的压力，并估计压力将如何在地下岩石中移动。他们的结论是：来自附近两口井的废水注入是地震最可能的原因。

甚至在2015年4月该研究发表之前，州监管机构就开始质疑其发现。在我将S.M.U.论文的禁运版本发送给为德克萨斯州铁路委员会（RRC）工作的地震学家克雷格·皮尔逊后，他回应了一份声明，称该研究“对其方法论、所用信息和得出的结论提出了许多疑问。”但他拒绝在与论文作者会面之前详细说明。

RRC（其名称是历史遗留物）由三名专员监督。其中一位接受了石油公司政治行动委员会的竞选捐款，另外两位接受了S.M.U.研究中牵涉到的两家运营商之一EnerVest首席执行官的捐款。然而，“监管决策是基于科学、数据和最佳实践做出的，以确保公共安全和我们的自然资源得到保护，”RRC发言人盖伊·麦克尔温在一份给大众科学的声明中写道。

RRC最终确实传唤了两家井运营商到奥斯汀参加为期一整天的听证会，以证明他们的井不应被关闭。“由于这些高度技术性的听证会，基于提出的科学数据和证据，确定运营商没有对地震活动做出贡献，”麦克尔温写道。到2015年9月，当委员会发布裁决时，在地震附近注入的废水体积已减少，地震已减弱，井运营商被正式允许照常营业。

俄亥俄州说停止

其他州反应不同。在2011年一系列震动扰乱了俄亥俄州扬斯敦居民后，该州关闭了附近的注入井，并安装了额外的地震台站，以探测太小而无法感受到的地震。它制定了新的规则，规定小至2.0级的地震（大约比产生明显震动弱10倍）将触发井关闭和调查。根据美国地质调查局的数据，俄亥俄州的地震在2011年达到峰值11次，然后在2015年减少到4次。

堪萨斯州也反应相对迅速。堪萨斯州地质调查局临时局长雷克斯·布坎南在2014年9月观看堪萨斯城皇家队比赛时，他的手机开始收到来自美国地质调查局的警报。震动正在震动堪萨斯州中南部，靠近该州与俄克拉荷马州的边界。这并不令人意外，因为那一年堪萨斯州发生了100多次地震，高于平均每两年一次的水平。但震动正在增强，很快达到4.2级。堪萨斯州州长山姆·布朗巴克召集了一个诱发地震工作组来评估地震。由布坎南担任主席的工作组建议限制两个县内五个地震带内的注入量。

堪萨斯州官员是如何达成共识的？“我认为我们无法提出任何其他解释，”布坎南说。“你看到了我们所看到的活动水平：急剧、急剧的增加，几乎完全在真正的大容量井正在进入的地方——以及你在俄克拉荷马州看到的相同关联。很难得出任何其他结论。”他补充说，他和他的同事受益于观察俄亥俄州、德克萨斯州和俄克拉荷马州的科学和法规发展。到目前为止，堪萨斯州采取的措施似乎已产生影响。“当然，我们最近的活动有所减少，”他说，就地震发生率和规模而言。“但我一直敦促人们不要采取这个问题已经解决的方法，因为它没有解决。”

活动减少至少部分与目前较低的石油价格有关，这促使一些运营商减少钻探，从而减少废水产量。但布坎南说，价格最终会再次上涨，他希望做好准备，“这样我们就不会再次经历这种情况。”

地震能有多大？

制定建筑规范的工程师和保险公司的官员需要知道下一次诱发地震将在哪里发生以及震级有多大。为了找出答案，美国地质调查局地震灾害计划的地质学家正在分析美国各地激增的诱发地震的发生率，以及诱发地震与自然地震的地面震动方式有何不同。

美国地质调查局的科学家发现，诱发地震的地面运动在震中正上方更强，但在远离震中立即区域的地方则较弱，可能是因为它们往往比自然地震更浅。然而，由于落基山脉以东地壳最上层比加利福尼亚州的密度更大，它们能有效地传递能量，诱发地震仍然可以在很远的地方感受到。

接下来，该小组必须得出这些地震的最大震级：它们能有多强？在将美国中部地震与世界上地质相似地区的地震进行比较后——并注意到到目前为止，诱发地震往往会比西海岸地震破裂较小的断层或较小的断层段——他们确定了6级的上限，这可能会损坏即使是建造良好的建筑物。“但我们不能排除7级及以上的地震，”国家地震灾害绘图项目负责人马克·彼得森说。由于科学家在德克萨斯州-俄克拉荷马州地区的史前记录中发现了如此大的地震的证据，美国地质调查局的新地图包括了这种可能性发生的低概率。

最后，地质学家必须计算出一个合理地震预测的时间段。他们根据前一年的地震发生率确定了一年的预测，并将该信息放在一系列地图中。“这有点像天气，”彼得森说。“如果今天下雨了，明天更有可能下雨。”

美国地质调查局于今年3月28日发布了这些地图。用于生成地图的计算机模型还估计了地震可能发生的位置、频率和地面震动强度，以便居民、工程师和城市规划者可以看到他们的社区在未来一年内发生破坏性地震的可能性。

遏制威胁

对于许多俄克拉荷马州人来说，风险明显急剧上升。数据支持了他们的经历。该州的地震发生率以惊人的速度增长。2013年，该州记录了109次3级及以上地震。第二年，这个数字跃升至585次，2015年达到890次。

这种升级促使美国地质调查局和OGS在2013年10月和2014年5月联合发布了两次不同寻常的警告。地震学家指出，俄克拉荷马州发生破坏性5.5级地震的可能性显着增加。“我认为这是我们第一次在落基山脉以东发布地震预警，”美国地质调查局中东部地震灾害协调员罗伯特·威廉姆斯说。

克拉恩和斯坦福大学地球物理学家马克·佐巴克等科学家正在对为什么地震在某些地方如此频繁地发生，而在其他地方则较少或根本不发生进行更详细的分析。例如，北达科他州是仅次于德克萨斯州的第二大原油生产州，在过去五年中仅记录到一次地震。一种可能性是流体压力尚未积聚到足以引起地震的程度。而且只有一小部分断层可能具有必要的方向，相对于地壳中的自然应力，有利于滑动。

随着科学的进步，法规也在进步。OGS在2015年4月正式宣布，处理井正在引发该州的地震。“OGS认为，最近的大多数地震，特别是俄克拉荷马州中部和中北部的地震，很可能是由处理井中产生的注水引发的，”它在一份声明中写道。

此后，该州已要求在地震多发地区运营的600多口处理井将注入量减少到低于2014年水平的40%。尽管现在判断这些行动是否会产生持久影响还为时过早，但OGS局长杰里米·博克表示，他开始看到注入量减少地区的地震发生率下降。然而，总的来说，该州在2016年初看到了更强烈地震的增加。斯坦福大学的埃尔斯沃思不提供政策处方，但想知道俄克拉荷马州的减量是否足够。“如果你泵入的量减少了，你仍然在泵入，”他说，“这并不能保证你不会遇到断层并引发地震。”

许多人想知道为什么俄克拉荷马州等到2015年，在该州经历了七年多的750多次地震之后，才采取重大行动。

俄克拉荷马州公司委员会（该委员会负责监管该州的石油和天然气）发言人马特·斯金纳说，该机构自2013年以来一直在关闭个别井并采取其他措施来管理地震风险。他说，该机构直到去年才采取更广泛的行动，因为到那时，研究人员发表了更多科学研究，表明流体压力可以从废水井传播多远。“问题从我们应该对哪口井采取行动转变为我们需要对哪一组井采取行动以降低潜在风险？”斯金纳说。

退休的OGS局长凯勒说，他也意识到该州对石油和天然气的经济依赖。“我们绝对比那些迅速扣动扳机的人慢，”他说。“我们坐在那里试图平衡经济影响，试图不按下恐慌按钮，同时试图负责任。弄清楚该怎么做并非易事。”对于井运营商而言，减量意味着收入损失，并且可能不得不将废水长途运输到其他设施。

德克萨斯州已出台新措施来监测地震。去年，该州拨款近450万美元用于安装地震网络和额外的地震研究。在过去两年中，铁路委员会还赋予了自己新的权力，可以在新的地震活动区域关闭油井并要求运营商进行测试。尽管该机构已表示对地震的担忧，但尚未正式得出任何地震是由能源生产引发的结论。

各州以及石油和天然气公司正在探索的其他缓解策略包括回收废水或将其注入更远离或隔离于深层断层的岩层中。他们也可能会将注入井间隔得更远。

对于石油和天然气行业而言，暂停注入——即使是在单个广阔区域——也是不可接受的。“禁止注入就是禁止石油和天然气生产，”能源纵深组织（Energy InDepth）发言人史蒂夫·埃弗利说，该组织是美国独立石油协会的一部分。这是因为目前还没有具有成本效益的注入替代方案，而且许多替代方案都带来了自身的环境成本，例如长途运输水，他说。

即使俄克拉荷马州今天关闭所有油井，许多专家表示地震仍将继续。“我们正在努力计算系统中现在有多少能量，以及它可能会持续多久——按照目前的地震发生率，数字非常大，”科罗拉多州戈尔登市美国地质调查局地质灾害科学中心的地震学家丹尼尔·麦克纳马拉说。

在被追问细节时，他停顿了一下。然后他补充说：“是数百年。”