http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2014-07-17
科学专题：地下巨量间歇性高温高压热流源易引发浅源性地震
美国俄克拉何马州的琼斯镇地区由于注水开采油气造成浅源性地震多发，我们认为，此种原因并不难理解，应该不是我们通常所认为的造成地层断裂层难以复位的因素，而是所注入的水量逐步在某些地下巨型空穴储存起来，当地下某些高温高压热流源物质突然充入这些空穴时，就会瞬时形成大量高温超临界水汽混合物。这种注入能量所造成的体积膨胀和超高压力非常难以通过细小空间迅速消解和扩散，这就造成了巨型空穴结构消解的地爆发生。这也就是当地浅源性地震频发的机理。这种方式可能和地下核爆炸有同工异曲之妙。
我们认为，美国这些因人工注水开采油气易引发浅源性地震的地区，可能地下不仅存在大量的巨型气穴，而且一定还有间歇性地下深层高温高压气源性热流源。这些地层巨型气穴可能是平衡当地地层力量的重要结构。当地层深处间歇性气源性高温高压热流源涌入巨型气穴时，如果空穴中没有大量水源，气压不足以将这些气穴爆破，同时他们还可通过某些细小的通道不断进行缓慢性释放，最后逐步冷却下来，实现新的地层平衡。如此方式，当地地层就一直不断进行着巨型气穴充入高温高压热源后升压——缓慢释放高温高压热气得到释压——恢复地层压力平衡的循环演变模式。这种方式是不难理解的，美国黄石公园内的间歇性温泉、中国西藏的羊八井间歇性温泉，它们的巨量间歇性喷发都是很好的例子。
当该处地下因人工开采油气注入大量水体后，比如，许多巨大型气穴缓慢储蓄了一定量水体后，如果突然窜入大量地下深部高温高压热流源，就必然会导致巨型气穴内水体的快速升温，甚至成为高温超临界状态水汽混合物，如果地下深层超高温高压热源能量足够充分，那就必然会最终爆破巨型地穴。地层之下这样巨大的超高压力，也只有通过爆破方式才能将巨量超临界水汽混合物释放而达到新的地层平衡。因为巨型气穴体积受限，不会大到引发更大规模的地爆，因而地震的范围一般不会超过六级。但是，地下是极其复杂的，当地有无超过能达到更高地震级别的气穴和超高热源充入条件，确实还需要通过科学研究和长期观察。
如果美国当地因注水开采油气引发的浅源性地震级别越来越大，那就是一个很大的问题了。那就证明更巨型化的深部气穴也积存了相当规模的水源或者油气物质。地下间歇性热源最终会将这些地下气穴一个一个引爆，地震级别也会越来越大。我们建议，美国地理科学家们现在就应当加紧分析科学监测数据和适宜进行地下勘探，同时当局应将注水开采油气工作暂停，一旦证实有这样的趋势，那就更应当加强浅源性地震灾难预防了。人们长久千辛万苦建立的业绩，可能会因为一次性灾难而毁灭。
通过这个案例，我们进一步明确一下关于地层浅层浅源性地震形成的原因，那就是来自地层深部巨量间歇性高温高压热源注入浅层地层中巨型气穴（这些气穴一般含多有一定量的水等挥发份物质）所造成的。正如上面所分析，形成这种浅源性地震需要同时具备有三个因素：1、巨量间歇性高温高压热源；2、含有一定挥发份物质的巨型化气穴；3、逐步形成超出缓冲地层压力平衡结构的积量。这说明，浅源性地震同样也有很大的偶然性。
所以，浅源性地震和地层深层地震形成的原因和特征表现是有所区别的。深层地震因为高温高压气泡的释放造成地层巨型化撕裂扩张性破坏，浅地层中浅源性地震大多是气穴结构的爆破。这两种地震在孕育前期也有很多不一样的表征。
深层高温高压气泡的密度非常高，它应该也是一种超高临界的液汽混合物。之所以称谓为高温高压气泡，一是它与岩石的成分不一样，形成了独立的物质体系；二是因比重较轻存在一种近如液体中气泡的游动能力和扩张性质；三是这些超高温高压物质在地表环境中较低温度条件下表现为气体。随着它从地层深处向地层浅部逐步上移，由一个液汽混合气泡转变为另一个高温高压液汽混合气泡，地层压力逐步降低，高温高压气泡密度虽然有所减小，但是体积就会变得越来越庞大，就像来自深海底部的气泡一样；有时候因为极端高温高压更会快速软化地层，并引起地层物质发生深刻物质反应，实现经过一路改造地层一路，同时生发出更多的气源性物质，因此，地震级别有时候会很大。同时，深层大型地震含有很多地幔特征的物质，比如放射性和电荷量都很高，表现出的电磁效应也是很显著的。（深层地震形成原理具体阐述请参考：大地喘息与地震——火山爆发及地震成因论）
当然，浅层地震因为气穴所处温度环境不是非常高，岩石更多地表现出刚性而非极端高温高压下的流软可塑性，气穴内高温高压临界水汽混合物超出极限就会爆裂岩石地层。浅层巨型气穴形成的地震，放射性物质相对很少，电磁效应等表征也很弱，而且导致气穴爆裂的物质大多是温度不是非常高的水汽，也很容易为破坏后的地层物质所消解冷却，其改造地层的能力也是比较有限的。
人工开采油气引发地震还有一个重要的因素，就是水的比重比油气更重，油气更容易漂浮于水体之上，加注水量越多，地层气穴的存气容量就越小。这样，一旦有地下间歇性热源注入气穴腔体，原有的缓冲能力极大地受限，气穴腔体更容易爆裂在所难免。我们认为，在那些通过注水方式可获得高产油气资源的地区，它们的地质结构是非常微妙的，地下不仅有丰富的气穴，而且一定存在丰富的间歇性热源。正是这些地下间歇性热源的驱动，使得注水采集油气能获得高效回报，也正是这些地下间歇性热源的驱动，使得浅源性地震频繁发生。
我们通常所认为的浅层地震一般不会超过深入地下10Km的范围。这一地层的平衡如今正越来越受到人类活动的影响，尤其是超深度地下采矿、注水采油采气、高程储水大坝等行为极易引发小级别地震高发，严重影响到地质结构的稳定性。我们倡议：全世界，特别是科技发达国家，现阶段就应当对全球这一地层的开发，着手地层结构平衡影响评价体系的制度建设。这一工作不仅对地区经济发展十分必要，而且事关人类社会的文明进步。预未所预见，虑未所预现，人类就会减少更多自为的损失和灾难。
[Anbaoe Lee 2014.07.17]
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美局部地震频发或与废水处置有关
自2008年以后，总人口只有2692人的美国俄克拉何马州的琼斯镇共经历了2547场小型地震。最初，当居民感到震感时，他们跑到市政厅向市长Ray Poland提出要求。Poland回忆道：“他们非常害怕，希望我做些什么。我当机立断地作出决定，一定要让地震不再发生。”
让小镇远离地震并不是一个天方夜谭的想法，实际上，科学家将如此高频率的地震归因于小镇附近的注入井——工厂向这些井倾倒大量由石油和天然气开采所产生的工业废水。大量废水注入对井内的岩石造成极大的压强，减弱了保持断层闭合的压力，有可能造成岩石断裂。琼斯镇还没有出现断裂现象，因为在其方圆20公里的范围内没有大规模的注入井存在。但是，一项新研究显示，排布密集的注入井在地表下产生强大的压力波，而全美注入井分布最密集区域中的4个区域正是琼斯镇地震不断的罪魁祸首，该研究结果发表在近日的《科学》杂志上。加州门洛帕克市美国地质调查局（USGS）地震学家William Ellsworth说：“如此远的距离仍然会造成这种结果，着实令人惊讶。”
该研究还指出，在俄亥俄州、阿肯色州及得克萨斯州这些石油和天然气开采重镇，类似的问题一样存在。不过，俄克拉何马州仍是当之无愧的“冠军”，截至今年6月15日，俄克拉何马州已经发生了190次3级或以上地震，同时期的加州则只有71次，后者曾长期保持着全美地震发生频率最高州的头衔。俄克拉何马州地质调查局（OGS）地震学家Austin Holland说：“这引起了极大的关注。”
科学家认为，问题的关键在于耗水量极大的抽汽作业产生了大量废水。水力压裂法值得商榷，但更应注意的是用于脱水作业的处理井。石油和天然气开采会从地下抽出大量的水，脱水作业能够将水中的石油和天然气分离出来。
研究还指出，全俄克拉何马州有超过9000座注入井，其中绝大部分不会造成问题，只有4座耗水量极大的位于城市附近的处理井会对俄克拉何马市造成影响（分别名为“钱伯斯”“花之力量”“深喉”和“甜心”）。这些处理井每月能向地下注入47.7万立方米的废水。康奈尔大学地球物理学家Katie Keranen和同事发现，位于城市附近的4座处理井具备诱发地震的能力。通过研究琼斯镇精确的水文地质模型，他们证明地表下的压力波正在从井口附近向外延展，并且与频发的地震在地理位置上和时间上高度吻合。总部位于俄克拉何马州塔尔萨市的New Dominion公司是这些处理井的运营方，它拒绝回答该研究涉及的问题，并发布公告声称这份研究是依据“错误的假设”而展开的。
Keranen认为这4座处理井距离内马哈断层带过近，该断层带直接穿过俄克拉何马市，并且在长度和规模上都足以产生7级地震。Keranen分析道，断层带的主体部分不太可能发生断裂，这是因为地质结构压力会从断层带的两侧向内挤压。但是，断层带密布的分支对水流压力的抵御力恐怕就没有那么强了。她说：“从长期来看，一场发生在俄克拉何马市的6级地震将带来一场大灾难。”
监管部门正在介入此事。6月20日，俄克拉何马州州长通过了一项新规定：从今年晚些时候起，石油和天然气开采商必须每天向政府报告注入井内的水量以及水流造成的压力，此前政府只要求开采商每个月汇报一次。2013年9月，俄克拉何马州企业委员会（OCC）首次行使监管权，对疑似诱发地震的事件进行调查。它要求一家处理井的运营商向政府报告废水处理量，因为该处理井与一场3.4级的地震有关。其他州的监管者也在采取类似行动，例如俄亥俄州和阿肯色州。近日，在科罗拉多州，监管者要求一处注入井停止运营20天，因为后者很可能诱发了一场3.4级的地震。OCC认为，他们正在评估最近发表在《科学》杂志上的研究报告，并与New Dominion讨论该集团下属的4座处理井的运营问题。
对研究者来说，一些悬而未解的问题加大了解决问题的难度。例如，他们很难设定一个废水处理的安全运转率，因为每座处理井所处的地质结构都不一样，承载量自然也就不一样。Holland说：“我们无法给出一个黄金标准，这需要一个测试、失败、然后再测试的漫长过程。”
没有人知道频发的地震会不会在未来的某一天演变成一场大地震，根据往常的经验，地震学家推测每发生1000次4级地震，就会发生100次5级地震，10次6级地震，以此类推。迄今为止，由注入井所引发的最大地震发生在2011年，那场5.7级的地震发生在俄克拉何马州布拉格市，当时就连25公里之外的大学都震感强烈。以后会不会发生更大规模的地震？Ellsworth说：“这是一个非常关键的问题，但是没有人知道答案。”
研究者希望通过更先进的地震监测技术，或者更完备的注入井运营报告分析帮助他们找到问题的答案。Holland认为，到今年年末，俄克拉何马州将把本州永久性地震监测台的数量从17座增加到25座，不过这一数字仍然远远落后于加州的2530座。（段歆涔）
[光明网-中国科学报]
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