即使停止压裂废水注入，地震也不会停止

Jacob Walter 喜欢提醒人们，过去十年在俄克拉荷马州发生的事情在人类历史上是前所未有的。

Walter 是俄克拉荷马州州地震学家，他所说的是自该州最近一次石油和天然气繁荣以来一直困扰该州的地震激增。包括水力压裂（或压裂）在内的生产技术导致了大规模的地下废水处理，科学家们已将此与该州自 2008 年以来地震增加 900 倍联系起来。2015 年之后，随着石油需求下降、价格下跌以及俄克拉荷马州实行新的废水处理规则，地震频率急剧下降。尽管如此，该州仍持续遭受罕见但破坏性的震动，这些震动是由已注入地下的液体引发的。“我认为人们没有充分意识到多年来注入的水的规模和数量，”Walter 说，并补充说人类现在已经造成了俄克拉荷马州有记录以来五次最大地震中的四次。

自从地震激增开始以来，科学家们一直在努力解决如何在不削弱该州最赚钱的产业之一的情况下管理地震。两项新的研究表明，注入的废水的持续运动如何引发地震活动——这些知识揭示了如何预测和减轻震动。研究结果表明，即使在注入速度减慢或停止后，废水处理的影响仍可持续多年，因为来自废水的压力继续在地下扩散并使古老的断层破裂。

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当运营商通过生产井泵出天然气和石油时，与石油和天然气位于同一地层的微咸水也会随之涌出。然后将这些水分离出来，并泵入更深的一组处理井中，进入称为 Arbuckle 地层的多孔、可渗透的岩层。当废水渗入岩石中的孔隙时，它会改变这些孔隙内的压力。这些压力变化会与准备滑动的断层相互作用，从而引发地震。但是，地震已经在比处理井底部深得多的地层中被引发，这表明废水流体及其施加的压力并不局限于井所在的地层。在一个称为压力扩散的过程中，废水可以迁移到更深层的岩石层，称为“基底”——俄克拉荷马州绝大多数地震都发生在那里。一个关键问题是这种情况是如何发生的。

Ryan Pollyea 是弗吉尼亚理工大学的水文地质学家和助理教授，他想看看微咸废水流体与天然存在于基底中的水之间的密度差异是否会在让废水渗透到相对不可渗透的岩层中发挥作用。“所有关于废水注入期间和之后流体压力传播的模型都认为流体在任何地方都是相同的，但事实并非如此，”Pollyea 说，他的研究由美国地质调查局的资助，并于 7 月 16 日发表在Nature Communications上。“因此，我们想尝试了解‘这对于地震灾害意味着什么？’”

由于俄克拉荷马州的含油气岩石包含古代海洋的遗迹，因此废水非常咸。根据美国地质调查局关于全国地下水的数据，它的溶解盐量可能是深层岩层中发现的水的两到三倍。Pollyea 和他的同事发现，这种差异导致废水的密度比深层水高 5% 到 15%。高密度水在岩石孔隙内产生更大的压力——并且由于它密度更高，它可以比密度较低的水下沉得更深，从而将增加的压力带到更深处。

为了了解这种情况如何改变地震灾害，Pollyea 和他的同事研究了俄克拉荷马州的阿尔法法县，该县自 2013 年开始废水注入和地震频率迅速增加。研究人员将实际地震位置和深度与他们创建的高容量注入井的计算机模型进行了比较。他们发现，阿尔法法县地震发生层的水平以每年约半公里的速度向下迁移——这与他们模拟的压力前沿的速度相同。“这为我们提供了非常有力的证据，表明水的密度效应下沉可能确实正在推动地震向地下更深处发展，”Pollyea 说。

他和他的同事的分析还发现，高震级地震的百分比随着地震发生深度的增加而增加。Pollyea 说，这种联系之所以发生，是因为更深的断层承受着更大的压力，因此这些断层在破裂时可以释放更多的能量。

第二项研究于 7 月 29 日发表在Proceedings of the National Academy of Sciences USA上，该研究使用不同的模型来解释废水处理的压力如何引发地震。亚利桑那州立大学的博士后研究员翟光和他的同事将压力扩散和岩石对压力的“弹性响应”结合到一个新的俄克拉荷马州地震模型中。（弹性响应是一个术语，描述了流体压力如何物理地推拉岩石。）他们发现，将岩石的应力响应添加到他们的模型中，仅压力扩散对地震频率的影响就放大了高达六倍。

该模型还纳入了来自俄克拉荷马州 700 多口废水井的 24 年注入记录，以及地下地质和断层走向。翟说，该模型可用于评估特定断层段的地震潜力，以及预测区域诱发地震灾害。

这两项研究都着眼于在监管机构减少或完全停止俄克拉荷马州的废水注入的假设情景下，废水注入的影响将多快停止。翟的研究小组发现，地震可能会持续至少六年，而 Pollyea 的研究小组得出的结论是超过 10 年。“即使在泵关闭后，水仍然在地下，”Pollyea 说。“它仍在下沉，并且仍在增加流体压力。”

他补充说，监管机构应考虑收集废水流体特性的数据，作为新井许可过程的一部分。Pollyea 说，提前了解废水和地下水之间的密度差异可以帮助科学家预测未来多年的地震灾害。

研究人为诱发地震的美国地质调查局地震学家 Art McGarr 表示，新模型是目前最先进的模型之一，最终可能有助于更好地预测——但获得更多孔隙压力等属性的实际测量值是更重要的优先事项。“建模在某种程度上超前于现有数据，”他说。他希望看到 20 世纪 60 年代末和 70 年代在科罗拉多州 Rangely 油田进行的经典实验的重演。在该实验中，美国地质调查局的研究人员接管了雪佛龙公司拥有的油井，并弄清楚了在该地区引发地震所需的压力。只要他们将处理量和压力保持在一定阈值以下，地球就会保持平静。

俄克拉荷马州州地震学家 Walter 同意需要更多数据，并警告说这些模型不太可能导致更安全的注入实践。“未知因素太多了，”他说，包括可能意外破裂的未绘制地图的断层——2016 年在俄克拉荷马州波尼发生的 5.8 级地震就是这种情况。但“我认为这是向前迈出的根本一步，”他说翟的论文。（Walter 和 McGarr 均未参与这两项研究。）

在更多数据出现以输入模型之前，Walter 专注于提高俄克拉荷马州居民的意识，尽管他们可能正在经历较少的地震，但他们感受到强烈地震的可能性仍然很高。