即使停止壓裂廢水注入，地震也不會停止

Jacob Walter 喜歡提醒人們，過去十年在俄克拉荷馬州發生的事情在人類歷史上是前所未有的。

Walter 是俄克拉荷馬州州地震學家，他所說的是自該州最近一次石油和天然氣繁榮以來一直困擾該州的地震激增。包括水力壓裂（或壓裂）在內的生產技術導致了大規模的地下廢水處理，科學家們已將此與該州自 2008 年以來地震增加 900 倍聯絡起來。2015 年之後，隨著石油需求下降、價格下跌以及俄克拉荷馬州實行新的廢水處理規則，地震頻率急劇下降。儘管如此，該州仍持續遭受罕見但破壞性的震動，這些震動是由已注入地下的液體引發的。“我認為人們沒有充分意識到多年來注入的水的規模和數量，”Walter 說，並補充說人類現在已經造成了俄克拉荷馬州有記錄以來五次最大地震中的四次。

自從地震激增開始以來，科學家們一直在努力解決如何在不削弱該州最賺錢的產業之一的情況下管理地震。兩項新的研究表明，注入的廢水的持續運動如何引發地震活動——這些知識揭示瞭如何預測和減輕震動。研究結果表明，即使在注入速度減慢或停止後，廢水處理的影響仍可持續多年，因為來自廢水的壓力繼續在地下擴散並使古老的斷層破裂。

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當運營商透過生產井泵出天然氣和石油時，與石油和天然氣位於同一地層的微鹹水也會隨之湧出。然後將這些水分離出來，並泵入更深的一組處理井中，進入稱為 Arbuckle 地層的多孔、可滲透的岩層。當廢水滲入岩石中的孔隙時，它會改變這些孔隙內的壓力。這些壓力變化會與準備滑動的斷層相互作用，從而引發地震。但是，地震已經在比處理井底部深得多的地層中被引發，這表明廢水流體及其施加的壓力並不侷限於井所在的地層。在一個稱為壓力擴散的過程中，廢水可以遷移到更深層的岩石層，稱為“基底”——俄克拉荷馬州絕大多數地震都發生在那裡。一個關鍵問題是這種情況是如何發生的。

Ryan Pollyea 是弗吉尼亞理工大學的水文地質學家和助理教授，他想看看微鹹廢水流體與天然存在於基底中的水之間的密度差異是否會在讓廢水滲透到相對不可滲透的岩層中發揮作用。“所有關於廢水注入期間和之後流體壓力傳播的模型都認為流體在任何地方都是相同的，但事實並非如此，”Pollyea 說，他的研究由美國地質調查局的資助，並於 7 月 16 日發表在Nature Communications上。“因此，我們想嘗試瞭解‘這對於地震災害意味著什麼？’”

由於俄克拉荷馬州的含油氣岩石包含古代海洋的遺蹟，因此廢水非常鹹。根據美國地質調查局關於全國地下水的資料，它的溶解鹽量可能是深層岩層中發現的水的兩到三倍。Pollyea 和他的同事發現，這種差異導致廢水的密度比深層水高 5% 到 15%。高密度水在岩石孔隙內產生更大的壓力——並且由於它密度更高，它可以比密度較低的水下沉得更深，從而將增加的壓力帶到更深處。

為了瞭解這種情況如何改變地震災害，Pollyea 和他的同事研究了俄克拉荷馬州的阿爾法法縣，該縣自 2013 年開始廢水注入和地震頻率迅速增加。研究人員將實際地震位置和深度與他們建立的高容量注入井的計算機模型進行了比較。他們發現，阿爾法法縣地震發生層的水平以每年約半公里的速度向下遷移——這與他們模擬的壓力前沿的速度相同。“這為我們提供了非常有力的證據，表明水的密度效應下沉可能確實正在推動地震向地下更深處發展，”Pollyea 說。

他和他的同事的分析還發現，高震級地震的百分比隨著地震發生深度的增加而增加。Pollyea 說，這種聯絡之所以發生，是因為更深的斷層承受著更大的壓力，因此這些斷層在破裂時可以釋放更多的能量。

第二項研究於 7 月 29 日發表在Proceedings of the National Academy of Sciences USA上，該研究使用不同的模型來解釋廢水處理的壓力如何引發地震。亞利桑那州立大學的博士後研究員翟光和他的同事將壓力擴散和岩石對壓力的“彈性響應”結合到一個新的俄克拉荷馬州地震模型中。（彈性響應是一個術語，描述了流體壓力如何物理地推拉岩石。）他們發現，將岩石的應力響應新增到他們的模型中，僅壓力擴散對地震頻率的影響就放大了高達六倍。

該模型還納入了來自俄克拉荷馬州 700 多口廢水井的 24 年注入記錄，以及地下地質和斷層走向。翟說，該模型可用於評估特定斷層段的地震潛力，以及預測區域誘發地震災害。

這兩項研究都著眼於在監管機構減少或完全停止俄克拉荷馬州的廢水注入的假設情景下，廢水注入的影響將多快停止。翟的研究小組發現，地震可能會持續至少六年，而 Pollyea 的研究小組得出的結論是超過 10 年。“即使在泵關閉後，水仍然在地下，”Pollyea 說。“它仍在下沉，並且仍在增加流體壓力。”

他補充說，監管機構應考慮收集廢水流體特性的資料，作為新井許可過程的一部分。Pollyea 說，提前瞭解廢水和地下水之間的密度差異可以幫助科學家預測未來多年的地震災害。

研究人為誘發地震的美國地質調查局地震學家 Art McGarr 表示，新模型是目前最先進的模型之一，最終可能有助於更好地預測——但獲得更多孔隙壓力等屬性的實際測量值是更重要的優先事項。“建模在某種程度上超前於現有資料，”他說。他希望看到 20 世紀 60 年代末和 70 年代在科羅拉多州 Rangely 油田進行的經典實驗的重演。在該實驗中，美國地質調查局的研究人員接管了雪佛龍公司擁有的油井，並弄清楚了在該地區引發地震所需的壓力。只要他們將處理量和壓力保持在一定閾值以下，地球就會保持平靜。

俄克拉荷馬州州地震學家 Walter 同意需要更多資料，並警告說這些模型不太可能導致更安全的注入實踐。“未知因素太多了，”他說，包括可能意外破裂的未繪製地圖的斷層——2016 年在俄克拉荷馬州波尼發生的 5.8 級地震就是這種情況。但“我認為這是向前邁出的根本一步，”他說翟的論文。（Walter 和 McGarr 均未參與這兩項研究。）

在更多資料出現以輸入模型之前，Walter 專注於提高俄克拉荷馬州居民的意識，儘管他們可能正在經歷較少的地震，但他們感受到強烈地震的可能性仍然很高。