地下深处注入的废水可以引发更强烈的地震

弗吉尼亚理工大学的科学家们已经发现，在油田废水处理普遍存在的地区 - 注入水的密度高于深层天然流体 - 地震的深度与污水沉降的速度相同。

也许更为关键的是，地球科学家的研究小组发现，高强度地震的百分比随着深度的增加而增加，并且可能会产生 - 虽然数量较少 - 在注入速率下降或完全停止后数年内发生更大规模的地震。

问题是：当废水的密度高于已经存在的流体时，废水会下沉并增加地下深处的流体压力。压力变化如此之深 - 深度达5英里或更大 - 即使地震的总体数量在减少，也会造成更大规模的地震。

“地震现在在美国中部普遍存在，那里3级或更大的地震数量从2008年之前的每年约19次增加到每年超过400次，”地球科学助理教授兼计算机主任Pollyea说。弗吉尼亚理工大学Geofluids实验室。(Pollyea补充说，自2016年以来，每年的整体地震发生率一直在下降。)

“在许多情况下，这些地震发生在油田废水通过将其泵入深层地质构造而被处置掉的时候，”Pollyea补充道。“由于废水被注入地下深处，流体压力逐渐增加并从注入井中迁移出来。这会破坏断层的稳定性并导致'注入引发的'地震，例如2016年在俄克拉荷马州波尼发生的破坏性5.8级地震。”

Pollyea与地球科学研究副教授兼弗吉尼亚​​理工大学地震观测台主任Martin Chapman共同撰写了这项研究。和Richard S. Jayne以及吴浩，他们都是弗吉尼亚理工大学的研究生。该研究使用了来自俄克拉荷马州北部和堪萨斯州南部广大地区的计算建模和地震数据分析 - 大约30,000平方英里。

“这是一个令人惊讶的结果，”查普曼说。“这表明沉没的废水会增加更深处的流体压力，并可能导致更大的地震。”

通过分析地震数据，研究人员发现，从2017年到2018年，大于4的地震数量增加了150%以上，而同一时期2.5级或更大的地震数量减少了35%。更直接的是，地震的总体数量开始减少，但是更高等级的地震的百分比正在增加。

“我们的模型显示，在注射停止后，高密度废水可能继续下沉并在5英里或更长的深度增加流体压力10年或更长时间，”Pollyea说。“俄克拉荷马州中北部和堪萨斯州南部的地震深度大于5英里的高震级地震比例较大，但这些地震的地震总数较少。这意味着高震级地震的发生速度正在缓慢下降比整体地震率。“

该研究还发现，下沉废水引起的流体压力比以前认为的要长得多。“我们的模型显示，高密度废水在注入停止后持续下沉并增加流体压力10至15年，这可能会延长俄克拉荷马州和堪萨斯州等地区的地震危险，”Pollyea说。

值得注意的是，Pollyea和他的同事们并没有说所有的油田废水处理操作都会导致地震，他们也没有预测到中西部地区发生的大规模和潜在的破坏性地震。该研究也没有表明密度驱动的压力增加发生在油田废水运行的每个地方。

Pollyea说，自20世纪60年代以来，研究人员已经知道地下深层泵送地下水会引发地震，但这项研究首次证明了废水密度本身在地震发生过程中发挥作用。流体越重，天然流体的位移效果越大，流体压力变化越大。也就是说：取一杯含有溶解颗粒的咸海水，倒入一杯普通自来水中。在两者最终混合之前，较重的海水将沉到底部，向上移动“较轻”的自来水。

“过去的孔隙压力模型假设注入流体的密度与主岩相同，但现实世界不同，注入的流体往往更重，”教育部主任兼教授Shemin Ge表示。科罗拉多大学的地质科学学院没有参与这项研究。“这项研究考察了较重的流体对孔隙压力的影响，从而影响了地震。较重的注入流体倾向于向下迁移，这有趣地追踪了地震的发生。”

研究小组表示，这项新研究为科学家，监管机构和政策制定者提供了一个管理油田废水处理和相关地震灾害的新框架。在俄克拉荷马州，地震缓解措施正在进行中，这项研究的结果可能特别重要，因为持续和加深的流体压力的结合表明，高震级地震的速度可能比整体地震速率下降得慢。

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