地熱鑽探如何引發地震?

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美國地質調查局地震災害小組的地震學家大衛·奧本海默解釋說(由凱瑟琳·哈蒙講述)

傳統的地熱鑽探會鑽入熱岩石,例如砂岩,其中水或蒸汽被困在其孔隙空間和天然裂縫中。當鑽孔與這些裂縫相交時,由於壓力突然下降,水會閃蒸成蒸汽——就像開啟汽水瓶蓋時冒出的氣泡一樣。蒸汽湧入井孔,地面的蒸汽壓力旋轉渦輪機以發電。有時,電廠會將一些水返回到儲層中,以保持水位。鑽探本身不會引起地震,但蒸汽的移除和水的返回可能會透過在斷層或裂縫線產生新的不穩定性而引起地震。

在美國加利福尼亞州北部的長期地熱專案“蓋澤斯”中,美國地質調查局自 1975 年以來一直在監測地震活動。即使該地區似乎沒有任何大型斷層穿過,我們每年也記錄到約 4,000 次震級超過 1.0 級的地震。我們知道它們是由蒸汽抽取或注入引起的,因為當運營商在新區域開始地熱生產時,地震就開始了,而當生產結束時,地震就停止了。發生了許多輕微震顫,但已記錄到高達 4.5 級的地震。附近的安德森斯普林斯居民經常感覺到小至 2.0 級的震顫,因為該鎮僅位於岩石裂縫上方几公里處。


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地質學家懷疑,即使是更大的地震也可能發生在附近的斷層上,例如與“蓋澤斯”油田相鄰的馬卡馬斷層。從多孔砂岩中提取水和熱會導致砂岩收縮,就像海綿在乾燥時會收縮一樣。當發生大地震時,公眾會詢問地熱專案是否可能在導致岩石沿其他斷層移動中發揮了作用。研究人員將不得不使用大地測量監測和其他資料來試圖弄清楚這是否真的是改變關鍵應力動態的一個因素。

除了“蓋澤斯”的傳統地熱發電廠外,一個試點專案(已於去年 9 月暫停)旨在直接從砂岩下方的火山非多孔岩石——長英巖中提取蒸汽,長英巖是熱源。由於長英巖沒有天然孔隙,因此也不含水。為了回收熱量,該專案的運營商將需要壓裂岩石並使水在其間迴圈。

首先,在該專案的短期階段,他們會鑽入長英巖並注入水以壓裂岩石,很可能會在此過程中產生地震。然後,藉助孔穴攝像機揭示裂縫形成的方向,他們會鑽第二個孔以與新的裂縫相交,並透過泵送水透過連線井的熱裂縫來產生蒸汽。這種幹巖地熱方法有可能比傳統的砂岩技術利用更多的熱量,但也可能意味著更多的地震。

為了控制地震風險,鑽井人員將嘗試保持裂縫尺寸較小並保持穩定的水流量。地震的閾值目標是里氏震級 2.0 或更低。這種深鑽作業不希望重演瑞士巴塞爾發生的事件,2006 年在那裡發生了一次震級為 3.4 級且震感強烈的地震,最終停止了一個類似的地熱專案。

不幸的是,構造活動較少的地區也較少有易於獲取的地下熱源。例如,加利福尼亞州(由於其靠近構造板塊邊緣的位置)比德克薩斯州擁有更多的熱量。如果我們想獲取用於供暖的熱量,那麼整個國家都具有一定的地熱潛力。但是,由此產生的熱量不一定具有旋轉大型渦輪機發電的能量。

所有能源——水力、核能、風能或煤炭——都有優點和缺點。地熱能具有清潔和可再生的優點,但地震是一個缺點。

大眾科學 Magazine Vol 303 Issue 3本文最初以“地熱鑽探如何引發地震?”為標題發表於《大眾科學》雜誌 第 303 卷第 3 期 (), p. 100
doi:10.1038/scientificamerican0910-100
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