水力压裂诱发地震研究进展(2)
图2?诱发地震造成的地表运动(Atkinson?et?al.,?2020)。(a)地表运动记录及对应模型预测;(b)由PGV/PGA得到的强度数据及观测值
图2a中的数据点分别为美国俄克拉荷马州(OK)SWD及西加拿大沉积岩盆地(WCSB)HF引起的不同震级的峰值地面速度。蓝实线代表对OK地震事件的模型预测,灰虚线代表对加州天然地震的模型预测。图2b中分别给出了MMI的观测值、中位数以及模型预测曲线,阴影代表MMI观测值25%-75%的区域。可以看出,尽管主控触发机制不同,给定震级和震源距离,天然地震与诱发地震引起的地表运动和感应烈度量级相当。另外,观测值和模型预测曲线也有很高的吻合度。诱发地震事件造成的破坏程度取决于事件震级、与居民区和关键基础设施的距离、造成地表运动的强度以及当地基础设施的易损性。
对于诱发地震灾害预测与风险控制,事前规避已知的断层面并不能有效控制水力压裂诱发地震的发生。因此,最常用的风险控制策略是交通灯预警(TLP):黄灯预警时降低注水量,红灯预警时停止注水。预警的阈值通常由震级来确定,也可以使用地表运动阈值。但是由于诱发地震引起的灾害严重程度随人口密度等因素而变,不同区域的预警阈值相差很大。TLP预警系统概念简单易懂,操作上只需要少量的输入信息,但本质上是一种被动反馈机制。该策略起作用的前提是停止注水可以消除地震事件并防止大震的发生并且大震之前会有先兆性的小震事件产生,然而实践发现这两个前提很多时候并不成立。??
此外,还有利用物理和统计模型估计事件震级的方法。物理模型方法由于需要的模型尺寸较大、自由参数较多而难以实时应用。统计模型采用从诱发地震时间演化中定义少量参数用以外推并预测大震事件震级,由于易于操作而获得了广泛应用。不同的经验公式也被提出用以描述最大破裂尺寸以及累计地震矩。然而,不满足比例关系的异常值也时有出现(如图3),图中的五个菱形数据点分别代表了五个不同地方发生的诱发地震事件,灰线和黑线分别代表两种不同的累计液体注入量与地震矩之间的线性关系,左上角到右下角的渐变色代表从失控破裂到稳定破裂的过渡,插图给出了A-A'截面不同破裂类型的分布直方图。由于无法准确预测诱发地震的时间、地点及震级,因此地震灾害评估通常只具有概率意义,由此发展起来地震灾害概率分析法(PSHA)。由于模型对灾害预测的不确定性,未来研究还需在PSHA中考虑不同地点的作业参数以优化算法。诱发地震在低中震级区域带来的灾害会远超天然地震,因此在关键基础设施附近进行水力压裂作业时一定要综合运用多种手段确保其安全性。?
图3?累计液体注入量与地震矩之间的关系(Atkinson?et?al.,?2020)
主要参考文献
Foulger?G?R,?Wilson?M?P,?Gluyas?J?G,?et?al.?Global?review?ofhuman-induced?earthquakes[J].?Earth-Science?Reviews,?2018,?178:?438-514.
Atkinson?G?M,?Eaton?D?W,?Igonin?N.?Developmentsin?understanding?seismicity?triggered?by?hydraulic?fracturing?[J].?NatureReviews?Earth?&?Environment,?2020,?1:?264-277.
(撰稿:何鹏飞,王鑫尧,李晓/页岩气与工程室)
校对:张崧
文章来源:《水力发电学报》 网址: http://www.slfdxbzz.cn/zonghexinwen/2021/0211/445.html