Science：如何管理地下注水诱发的地震风险——来自韩国浦项地震的启示

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【前沿报道】Science：如何管理地下注水诱发的地震风险——来自韩国浦项地震的启示

2017年11月15日，韩国浦项发生了MW5.5地震，造成约7500万美元的直接经济损失和至少3亿美元的间接经济损失。浦项地震是韩国有地震记录以来最大的破坏性地震，研究认为它与当地增强型地热系统的开发直接相关（见前沿报道《Science：韩国最大的Mw5.4破坏性地震可能为诱发地震》）。

增强型地热系统是目前开发地球深部热能的常用技术，以浦项为例，通过向两口注水井PX-1和PX-2注水，可以使两口井之间的岩体产生新裂隙，或者使旧裂隙扩张，从而形成流体循环通道（图1），并在低渗透结晶基底区域形成人工地热田，预计的电力产能达1.2MW。但是，PX-2井的高压注水活动诱发了一系列小地震，并最终激活了断层，引发地震。与浦项地热增强项目类似，在欧洲、加拿大、美国、中国、其他国家和地区，也都发生过地下注水诱发地震事件，同样造成了巨大的经济损失（Lei et al., 2017；van der Baan and Calixto, 2017）。

图1 浦项注水后的地震活动性(改自Lee et al., 2019)

最近，韩国首尔国立大学地球与环境科学学院Kang-Kun Lee 等在Science上发表了题为“地下注水诱发地震的风险管理”的报告（Lee et al., 2019）。

文章称，在大城市、港口和工业区附近安置地热增强型系统，必须考虑地下注水诱发地震的潜在风险。首先，在钻探施工之前，需要弄清楚项目工区是否存在可能发生错动的大型断裂；其次，在钻探过程中应该进行实时监测。例如当浦项PX-2井掘进到3.8km深处时碰到未知断层，至少160m3钻井泥浆流入地层，产生了不少于20MPa的额外压力，触发了多次微震，可能意味着钻井穿过的这条断层已经达到了应力临界状态。然而，这些微震活动并未引起重视，施工过程中没有意识到这条新断层的严重危害性，也未调整工程进度。假如有实时监测，就可以及时发现断层活化，进而调整施工方案，就有可能规避地震风险。

一旦向地下注水，就存在诱发地震的潜在风险。诱发地震的大小并非简单地受控于注水量、压力、速度和注水位置，而且与现存的构造条件，以及能够诱发的地震数量有关。诱发地震数量越多，出现强震的几率就越高 (van der Elst et al., 2016)。深部隐伏构造活化可能诱发较大的地震，所以仅根据注水量与震级的统计关系设定安全阀值也过于简单，例如浦项地震就是由于水力压裂激活了一条隐伏断层，最终触发了MW5.5的主震。因此，诱发地震震级不受注水量的限制，地震破裂尺度也可能会超出注水岩体的范围 (van der Elst et al., 2016)。已有的几种地震成核模型都无法充分预测主震前断层上的应力变化或压力扰动引发超出压裂范围断层滑动的可能性，因此，进一步发展诱发和触发地震活动的物理和统计模型对评估地震风险非常必要。

对于靠近大时城市，港口和工业中心的地下注水项目，一旦诱发地震可能造成巨大损失。因此，诱发地震的风险管理与控制的重要性尤为突出。文章呼吁通过制定地震风险预案、推演评估、筹措减灾方案等，建立积极有效的诱发地震监测、减灾和信息发布机制。针对未来的地下注水项目，项目团队、地震监测部门和相关科学机构应该致力于全面和持续的地震监测分析，合理评估随注水活动变化的地震灾害风险；相关数据和结果向公众开放，明确沟通渠道，让公众及时了解所面对的地震灾害风险和对应的减灾措施。浦项注水诱发地震事件的教训警示政府主管部门需要和独立监管审查部门协同建立一套标准的流程，对潜在的诱发地震风险进行持续的评估和审查（McGarr et al., 2015；Lee et al., 2019）。

参考文献：

1.Lee K K, Ellsworth W L, Giardini D, et al. Managing injection-induced seismic risks[J]. Science, 2019, 364(6442): 730-732.

2.Lei X, Huang D, Su J, et al. Fault reactivation and earthquakes with magnitudes of up to Mw4.7 induced by shale-gas hydraulic fracturing in Sichuan Basin, China[J]. Scientific Reports, 2017, 7: 7971.

3.McGarr A, Bekins B, Burkardt N, et al. Coping with earthquakes induced by fluid injection[J]. Science, 2015, 347(6224): 830-831.

4.van der Baan M, Calixto F J. Human‐induced seismicity and large‐scale hydrocarbon production in the USA and Canada[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2017, 18(7): 2467-2485.

5.van der Elst N J, Page M T, Weiser D A, et al. Induced earthquake magnitudes are as large as (statistically) expected[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2016, 121(6): 4575-4590.

（撰稿：赵连锋/地星室）

美编：徐海潮

校对：李玉钤