鑽探引發地震

編者注（2016年11月7日）：11月6日星期日，俄克拉荷馬州中部發生5.0級地震，該地區建築物受損。專家尚未將本次地震與石油和天然氣生產聯絡起來，但震中靠近廢水處理井，此結構曾在該州早期的地震中受到牽連。 

對於凱西·華萊士來說，達拉斯郊區整潔的家中發生的地震感覺就像地下雷暴。先是遠處傳來轟鳴聲，然後是巨響和震動。她的房子搖晃，窗戶震顫。牆壁上的鑲框畫發出撞擊聲並傾斜。一個沉重的玻璃花瓶傾倒併發出破碎聲。

最糟糕的時刻是隆隆聲和衝擊之間。“每次發生這種情況，你都知道它要來了，但你不知道會有多嚴重，”她說。“這次會更大嗎？這是我的房子要倒塌的部分嗎？這太可怕了。非常可怕。”

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直到2008年，美國地質調查局從未記錄到達拉斯-沃斯堡（DFW）地區的任何地震，華萊士在那裡居住了20多年。從那時起，已有近200次地震震動了這些城市及其近郊。在全州範圍內，德克薩斯州的地震發生率比歷史水平高出六倍。俄克拉荷馬州的地震發生率激增了160倍，其中一些地震已導致人員住院，建築物和高速公路受損。2014年，該州的地震發生率超過了加利福尼亞州。

地震的增加與鑽探活動的增加同時發生。例如，華萊士的房子坐落在巴奈特頁岩地層之上，這是一層堅硬的黑色岩石，蘊藏著美國第二大天然氣礦藏。1998年至2002年間，公司開始使用水力壓裂法（或壓裂法）鑽探該礦藏，該方法涉及將數百萬加侖的水，加上沙子和化學物質，以高壓泵入地下，以裂開岩石並釋放天然氣。當天然氣從井中湧出時，壓裂液以及大量含鹽量極高的危險鹽水也隨之湧出。這些液體被泵回不同的孔洞，這些孔洞鑽到頁岩下方深處的多孔岩石中，以便永久處理。隨著越來越多的液體被注入這些廢水井中，壓力可能會開始在地質深層斷層上積聚。最終，一個斷層可能會滑動，從而引發地震。

美國地質調查局和其他機構的研究人員已將包括德克薩斯州、俄克拉荷馬州、俄亥俄州、堪薩斯州和阿肯色州在內的八個州的地震激增與石油和天然氣作業聯絡起來。一些州監管機構對科學家的發現接受緩慢。居民越來越憤怒，環保組織也提起了訴訟。“這是一個公共安全問題，但一直存在很多否認和忽視這個問題的情況，”華萊士說，她與鄰居一起推動關閉附近的廢水井。

隨著科學家們繼續研究這種現象，他們發現了更多值得關注的原因。證據表明，地震風險可以蔓延到原始處理場所以外數英里，並且在鑽探停止後可能會持續十年或更長時間。儘管廢水注入引發的最大地震是5.6級（2011年發生在俄克拉荷馬城附近，里氏震級），但科學家們認為，可能發生震級高達7.0級的地震——足以造成人員傷亡並廣泛破壞建築物——儘管可能性不大。

聯絡的最初跡象

地質學家自20世紀60年代以來就知道，將液體注入地下可能會引發地震。1961年，工作人員在丹佛郊外的一個化學武器工廠（稱為落基山兵工廠）鑽了一口深井。在工人開始向井中泵入有害廢物後的幾個月內，居民就感受到了震動。1962年至1966年間，700多次小型至中型地震震動了地面。

當地地質學家大衛·埃文斯注意到，注入的體積和壓力與地震發生率相對應。在1966年的一篇論文中，他得出結論，這口井很可能是地震的罪魁禍首。“據信，一個穩定的局面，”他寫道，“正在被流體壓力的施加變得不穩定。”

美國陸軍在同年關閉了該處理井。然而，地震仍在繼續，甚至變得更強烈，因為注入產生的壓力在地下傳播，遇到新的斷層並擾亂它們。達拉斯南衛理公會大學（S.M.U.）的地球物理學家馬修·霍恩巴赫將這種現象比作將一杯水灑在紙巾上。“即使你停止傾倒，水仍然在那裡擴散，而且很難阻止它，”他說。最大的地震，包括1967年發生的一次震級達到4.8級的地震——強度足以將物體從架子上震落，但通常不會破壞建築物——在1967年發生，然後逐漸減弱。居民們一直感覺到較小的震動，直到1981年。

這個案例引起了地震學家的興趣，美國地質調查局幾年後基於此案例進行了一項實驗。1969年，雪佛龍石油公司允許美國地質調查局使用其一口井來更仔細地研究流體壓力對斷層的影響。這口井位於科羅拉多州蘭格利油藏的地震活躍帶，雪佛龍一直在向井中注入水以刺激石油生產。美國地質調查局的科學家開啟和關閉注入，並跟蹤流體壓力在深層岩石中遷移的情況。他們得出了引發地震所需的精確注入壓力。當壓力超過該水平時，地震隆隆作響；當壓力降至該水平以下時，地震就平靜下來。

實驗表明，人為引發的地震可以透過調整廢水注入壓力來控制。不幸的是，蘭格利和落基山兵工廠的教訓顯然在2000年代初期被遺忘了，當時化石燃料公司開始了頁岩氣繁榮。“在隨後的40多年裡，地球物理文獻中發表了大量關於注入誘發地震的論文，地震學家們充分理解和重視這個問題，”斯坦福大學地球物理學家比爾·埃爾斯沃思說，他在美國地質調查局開始了他的職業生涯，當時蘭格利實驗正在進行中。他認為專業懷疑論減緩了共識的形成。“許多優秀的石油工程師對[注入井引起的地震]甚至是否可能表示懷疑，”他說。“關於整個物理過程的知識要麼丟失了，要麼沒有有效地傳達給廣泛的社群。”

始於德克薩斯州

在德克薩斯州和俄克拉荷馬州頁岩中開始更積極的鑽探後不久，地震報告開始湧入。2008年10月30日，達拉斯-沃斯堡居民撥打911報告巨大的轟鳴聲，並伴有牆壁和傢俱的震動。許多人想知道是否發生了爆炸。

奧斯汀德克薩斯大學的地震學家克利夫·弗羅利奇和S.M.U.的布萊恩·斯塔姆進行了調查。他們佈置了許多地震儀，記錄了2008年10月30日至2009年5月31日期間發生的180多次小地震。然後，他們發現一家主要的天然氣生產商最近在達拉斯-沃斯堡國際機場鑽了一口廢水井，距離震群中心不到半英里。“根據時間和空間相關性，我們得出結論，DFW地震序列可能是SWD[鹽水處理]井流體注入的結果，”他們在2010年3月發表在The Leading Edge雜誌上的一篇論文中寫道。

弗羅利奇說，如果不是因為其他幾起事件，這篇論文可能已被忽視。2009年6月，另一組地震撼動了沃斯堡南部的一個小型工業城市。幾個月後，更強烈的地震撼動了阿肯色州的蓋伊鎮和格林布賴爾鎮。2011年3月，俄亥俄州通常穩定的地面開始移動，12次地震震動了揚斯敦地區。

美國地質調查局的科學家們從他們在加利福尼亞州門洛帕克的辦公室注意到，正在發生一些不尋常的事情。“每天，我們都可以看到在不應該發生地震的地方發生了地震，”埃爾斯沃思說，他直到2015年都在美國地質調查局工作。他開始廣泛關注美國各地的地震發生率，並發現了一個令人不安的模式：1967年至2000年間，落基山脈以東的平均地震發生率為每年21次。2010年至2012年間，這一比率躍升至100次。他繪製了資料並在一次科學會議上展示。“這引起了廣泛的興趣，”他說，來自公眾以及工業界和學術界的科學家。

側向鑽井

地震增加的背後是廢水注入井的增加。而這些井的背後是一項名為水平鑽井的技術突破。該技術允許操作員垂直鑽井，然後像柔性吸管一樣將其彎曲90度。這些井不是直接鑽穿厚度為300英尺但綿延數英里的天然氣礦藏，而是在進入礦藏內部時可以轉彎並延伸數千英尺，從而收集到更多的天然氣和石油。

然而，隨著天然氣和石油的到來，也帶來了大量的極鹹水。“石油和天然氣業務實際上是一項水處理業務，”德克薩斯州地質學家、奧斯汀德克薩斯大學經濟地質局局長斯科特·廷克說。水來自與石油和天然氣相同的岩石。這三者都是古代海洋的殘餘物，經過加熱、加壓和時間的推移而轉變。“岩石中的孔隙空間或微小孔洞仍然充滿了這些古代海洋，因此當我們今天鑽井時，這些水會被產到地表，”廷克說。雖然水是天然的，但它的鹽度可能是海水的幾個數量級，並且通常摻雜有天然存在的放射性物質。它對動植物有毒，因此操作員將其深埋地下，以保護靠近地表的飲用水源。

傳奇的德克薩斯州天然氣大亨喬治·米切爾於2013年去世，他是第一個使用水力壓裂法開採巴奈特頁岩的人。俄克拉荷馬州的德文能源公司將水平鑽井與水力壓裂法相結合，以提取更多的天然氣。這項技術很快在德克薩斯州、俄克拉荷馬州和其他石油生產州流行起來。

隨著鑽探的激增，美國頁岩氣產量急劇上升，從2007年的1.3萬億立方英尺增加到2010年的5.3萬億立方英尺，再到2014年的13.4萬億立方英尺。被帶到地表並必須處理的廢水體積也隨之飆升。

在德克薩斯州，泵入廢水井的水量從2007年每月3380萬桶增加到2014年每月8110萬桶。在俄克拉荷馬州，這一數字幾乎翻了一番，從2009年每月8.49億桶增加到2014年每月15.4億桶。很快，常規注入井就不夠大了，運營商轉向了所謂的大容量注入井，名稱如“深喉”。許多井每月吸收超過30萬桶水。

俄克拉荷馬州亮起紅燈

隨著地震次數的增加，科學家們從將地震與廢水注入鬆散地聯絡起來，轉向推斷更直接的聯絡。2011年，俄克拉荷馬大學地震學家凱蒂·克拉恩從阿拉斯加州的野外研究中帶著六個地震儀返回。當它們放在她地下室實驗室的倉庫裡時，一場4.8級地震震動了俄克拉荷馬城以東約60英里的布拉格鎮。她和她的學生剛佈置好儀器，一場5.6級地震就震動了同一個城鎮。根據美國地質調查局的資料，截至目前，那次11月的地震是與廢水注入相關的最大事件。它造成兩人受傷，摧毀了14所房屋，使部分高速公路彎曲，並在至少17個州有震感。

克拉恩和她的學生記錄了那次地震以及數百次餘震，並使用這些資料在Geology和Science雜誌上發表了論文。對於2013年3月發表的Geology論文，克拉恩和她的同事建立了一個地球物理模型，以估計地下流體壓力積累的速度以及它可以傳播多遠。它表明，壓力可能足以引發第一次地震，然後引發多米諾骨牌效應；第一次破裂產生的應力變化導致附近斷層滑動。2014年7月釋出的Science論文將瓊斯（位於布拉格以西）的一系列地震與四口大容量注入井聯絡起來。

克拉恩將流體和壓力在地球地下的運動比作水注入一個被人打破又粘合在一起的花瓶。“如果壓力足夠高，流體可以直接強行向下進入斷裂通道，”她說。壓力抵消了將斷層結合在一起的摩擦力，並允許它們分離——這種現象被稱為誘發地震。

俄克拉荷馬州地質調查局（OGS）不相信，發表宣告反駁了克拉恩在Geology論文中的發現。“我們的觀點只是認為這看起來像一次自然地震，沒有理由稱之為誘發地震，”蘭迪·凱勒說，他在2014年底退休前擔任該調查局局長。當時由凱勒和俄克拉荷馬州地震學家奧斯汀·荷蘭簽署的宣告，指出了該地區歷史上自然地震的證據。

克拉恩對這種回應感到驚訝，但現在認為她的反應很天真。“我更理解他們不一定會相信一份報告的事實，”她說。“他們希望看到大多數科學家和多項研究都指向那個方向。”不過，她感到沮喪的是，俄克拉荷馬州沒有迅速減緩或停止一些井的注入，該州直到2015年初才大規模採取這一步驟。她說，她還受到了她所在大學管理人員的阻力，他們不相信可以證明處理井與地震之間的聯絡。2013年年中，克拉恩離開俄克拉荷馬大學前往康奈爾大學。

來源：2009-2014年俄克拉荷馬州按地質完成區劃分的年度、州和縣級 II 類鹽水處理，作者：Kyle e. Murray。俄克拉荷馬州地質調查局，2015年12月31日（廢水注入資料）；美國地質調查局地震地圖（地震資料）
地圖：Amanda Montañez

沃斯堡附近的隆隆聲

克拉恩的論文發表幾個月後，德克薩斯州再次開始震動。這一次地震襲擊了沃斯堡西北部的兩個農村小鎮——阿澤爾和裡諾，這裡是石油和天然氣開發最密集的地區之一。

此時，S.M.U.聘請了幾位新的地球物理學家，他們加入了弗羅利奇和斯塔姆的調查。地震學家希瑟·德肖恩部署了地震臺站，並開始繪製城鎮下方的斷層圖。霍恩巴赫與斯坦福大學的埃爾斯沃思一起，開始研究湖泊、河流和含水層的水位，以瞭解德克薩斯州北部地區的乾旱是否可能改變了斷層上的應力。該團隊還收集了附近鹽水處理井的資料，並建立了一個3D模型來模擬注入井的壓力，並估計壓力將如何在地下岩石中移動。他們的結論是：來自附近兩口井的廢水注入是地震最可能的原因。

甚至在2015年4月該研究發表之前，州監管機構就開始質疑其發現。在我將S.M.U.論文的禁運版本傳送給為德克薩斯州鐵路委員會（RRC）工作的地震學家克雷格·皮爾遜後，他回應了一份宣告，稱該研究“對其方法論、所用資訊和得出的結論提出了許多疑問。”但他拒絕在與論文作者會面之前詳細說明。

RRC（其名稱是歷史遺留物）由三名專員監督。其中一位接受了石油公司政治行動委員會的競選捐款，另外兩位接受了S.M.U.研究中牽涉到的兩家運營商之一EnerVest執行長的捐款。然而，“監管決策是基於科學、資料和最佳實踐做出的，以確保公共安全和我們的自然資源得到保護，”RRC發言人蓋伊·麥克爾溫在一份給大眾科學的宣告中寫道。

RRC最終確實傳喚了兩家井運營商到奧斯汀參加為期一整天的聽證會，以證明他們的井不應被關閉。“由於這些高度技術性的聽證會，基於提出的科學資料和證據，確定運營商沒有對地震活動做出貢獻，”麥克爾溫寫道。到2015年9月，當委員會發布裁決時，在地震附近注入的廢水體積已減少，地震已減弱，井運營商被正式允許照常營業。

俄亥俄州說停止

其他州反應不同。在2011年一系列震動擾亂了俄亥俄州揚斯敦居民後，該州關閉了附近的注入井，並安裝了額外的地震臺站，以探測太小而無法感受到的地震。它制定了新的規則，規定小至2.0級的地震（大約比產生明顯震動弱10倍）將觸發井關閉和調查。根據美國地質調查局的資料，俄亥俄州的地震在2011年達到峰值11次，然後在2015年減少到4次。

堪薩斯州也反應相對迅速。堪薩斯州地質調查局臨時局長雷克斯·布坎南在2014年9月觀看堪薩斯城皇家隊比賽時，他的手機開始收到來自美國地質調查局的警報。震動正在震動堪薩斯州中南部，靠近該州與俄克拉荷馬州的邊界。這並不令人意外，因為那一年堪薩斯州發生了100多次地震，高於平均每兩年一次的水平。但震動正在增強，很快達到4.2級。堪薩斯州州長山姆·布朗巴克召集了一個誘發地震工作組來評估地震。由布坎南擔任主席的工作組建議限制兩個縣內五個地震帶內的注入量。

堪薩斯州官員是如何達成共識的？“我認為我們無法提出任何其他解釋，”布坎南說。“你看到了我們所看到的活動水平：急劇、急劇的增加，幾乎完全在真正的大容量井正在進入的地方——以及你在俄克拉荷馬州看到的相同關聯。很難得出任何其他結論。”他補充說，他和他的同事受益於觀察俄亥俄州、德克薩斯州和俄克拉荷馬州的科學和法規發展。到目前為止，堪薩斯州採取的措施似乎已產生影響。“當然，我們最近的活動有所減少，”他說，就地震發生率和規模而言。“但我一直敦促人們不要採取這個問題已經解決的方法，因為它沒有解決。”

活動減少至少部分與目前較低的石油價格有關，這促使一些運營商減少鑽探，從而減少廢水產量。但布坎南說，價格最終會再次上漲，他希望做好準備，“這樣我們就不會再次經歷這種情況。”

地震能有多大？

制定建築規範的工程師和保險公司的官員需要知道下一次誘發地震將在哪裡發生以及震級有多大。為了找出答案，美國地質調查局地震災害計劃的地質學家正在分析美國各地激增的誘發地震的發生率，以及誘發地震與自然地震的地面震動方式有何不同。

美國地質調查局的科學家發現，誘發地震的地面運動在震中正上方更強，但在遠離震中立即區域的地方則較弱，可能是因為它們往往比自然地震更淺。然而，由於落基山脈以東地殼最上層比加利福尼亞州的密度更大，它們能有效地傳遞能量，誘發地震仍然可以在很遠的地方感受到。

接下來，該小組必須得出這些地震的最大震級：它們能有多強？在將美國中部地震與世界上地質相似地區的地震進行比較後——並注意到到目前為止，誘發地震往往會比西海岸地震破裂較小的斷層或較小的斷層段——他們確定了6級的上限，這可能會損壞即使是建造良好的建築物。“但我們不能排除7級及以上的地震，”國家地震災害繪圖專案負責人馬克·彼得森說。由於科學家在德克薩斯州-俄克拉荷馬州地區的史前記錄中發現瞭如此大的地震的證據，美國地質調查局的新地圖包括了這種可能性發生的低機率。

最後，地質學家必須計算出一個合理地震預測的時間段。他們根據前一年的地震發生率確定了一年的預測，並將該資訊放在一系列地圖中。“這有點像天氣，”彼得森說。“如果今天下雨了，明天更有可能下雨。”

美國地質調查局於今年3月28日釋出了這些地圖。用於生成地圖的計算機模型還估計了地震可能發生的位置、頻率和地面震動強度，以便居民、工程師和城市規劃者可以看到他們的社群在未來一年內發生破壞性地震的可能性。

遏制威脅

對於許多俄克拉荷馬州人來說，風險明顯急劇上升。資料支援了他們的經歷。該州的地震發生率以驚人的速度增長。2013年，該州記錄了109次3級及以上地震。第二年，這個數字躍升至585次，2015年達到890次。

這種升級促使美國地質調查局和OGS在2013年10月和2014年5月聯合釋出了兩次不同尋常的警告。地震學家指出，俄克拉荷馬州發生破壞性5.5級地震的可能性顯著增加。“我認為這是我們第一次在落基山脈以東釋出地震預警，”美國地質調查局中東部地震災害協調員羅伯特·威廉姆斯說。

克拉恩和斯坦福大學地球物理學家馬克·佐巴克等科學家正在對為什麼地震在某些地方如此頻繁地發生，而在其他地方則較少或根本不發生進行更詳細的分析。例如，北達科他州是僅次於德克薩斯州的第二大原油生產州，在過去五年中僅記錄到一次地震。一種可能性是流體壓力尚未積聚到足以引起地震的程度。而且只有一小部分斷層可能具有必要的方向，相對於地殼中的自然應力，有利於滑動。

隨著科學的進步，法規也在進步。OGS在2015年4月正式宣佈，處理井正在引發該州的地震。“OGS認為，最近的大多數地震，特別是俄克拉荷馬州中部和中北部的地震，很可能是由處理井中產生的注水引發的，”它在一份宣告中寫道。

此後，該州已要求在地震多發地區運營的600多口處理井將注入量減少到低於2014年水平的40%。儘管現在判斷這些行動是否會產生持久影響還為時過早，但OGS局長傑里米·博克表示，他開始看到注入量減少地區的地震發生率下降。然而，總的來說，該州在2016年初看到了更強烈地震的增加。斯坦福大學的埃爾斯沃思不提供政策處方，但想知道俄克拉荷馬州的減量是否足夠。“如果你泵入的量減少了，你仍然在泵入，”他說，“這並不能保證你不會遇到斷層並引發地震。”

許多人想知道為什麼俄克拉荷馬州等到2015年，在該州經歷了七年多的750多次地震之後，才採取重大行動。

俄克拉荷馬州公司委員會（該委員會負責監管該州的石油和天然氣）發言人馬特·斯金納說，該機構自2013年以來一直在關閉個別井並採取其他措施來管理地震風險。他說，該機構直到去年才採取更廣泛的行動，因為到那時，研究人員發表了更多科學研究，表明流體壓力可以從廢水井傳播多遠。“問題從我們應該對哪口井採取行動轉變為我們需要對哪一組井採取行動以降低潛在風險？”斯金納說。

退休的OGS局長凱勒說，他也意識到該州對石油和天然氣的經濟依賴。“我們絕對比那些迅速扣動扳機的人慢，”他說。“我們坐在那裡試圖平衡經濟影響，試圖不按下恐慌按鈕，同時試圖負責任。弄清楚該怎麼做並非易事。”對於井運營商而言，減量意味著收入損失，並且可能不得不將廢水長途運輸到其他設施。

德克薩斯州已出臺新措施來監測地震。去年，該州撥款近450萬美元用於安裝地震網路和額外的地震研究。在過去兩年中，鐵路委員會還賦予了自己新的權力，可以在新的地震活動區域關閉油井並要求運營商進行測試。儘管該機構已表示對地震的擔憂，但尚未正式得出任何地震是由能源生產引發的結論。

各州以及石油和天然氣公司正在探索的其他緩解策略包括回收廢水或將其注入更遠離或隔離於深層斷層的岩層中。他們也可能會將注入井間隔得更遠。

對於石油和天然氣行業而言，暫停注入——即使是在單個廣闊區域——也是不可接受的。“禁止注入就是禁止石油和天然氣生產，”能源縱深組織（Energy InDepth）發言人史蒂夫·埃弗利說，該組織是美國獨立石油協會的一部分。這是因為目前還沒有具有成本效益的注入替代方案，而且許多替代方案都帶來了自身的環境成本，例如長途運輸水，他說。

即使俄克拉荷馬州今天關閉所有油井，許多專家表示地震仍將繼續。“我們正在努力計算系統中現在有多少能量，以及它可能會持續多久——按照目前的地震發生率，數字非常大，”科羅拉多州戈爾登市美國地質調查局地質災害科學中心的地震學家丹尼爾·麥克納馬拉說。

在被追問細節時，他停頓了一下。然後他補充說：“是數百年。”