综述：咸水层大规模注入采出水引发地震对CO2地质封存的影响

这篇综述系统探讨了大规模CO2地质封存（CCS）与诱发地震的关联机制，通过类比北美中部采出水处理（SWD）引发地震的典型案例，揭示了基底断层触发地震的关键条件。作者提出应力场状态（SHmax/Shmin）、孔隙压力变化（ΔPp）和断层滑动势（FSP）是评估封存安全性的核心参数，强调年轻弱胶结地层和枯竭油气藏是更优的封存选址。

　　

咸水层注入与地震触发的物理机制

库仑断层理论揭示了流体注入触发地震的核心原理：当注入导致孔隙压力升高时，有效正应力降低，使处于临界应力状态的断层发生滑动。研究区域（如俄克拉荷马州、二叠纪盆地）的应力场分析显示，基底断层在ΔPp仅1 MPa时即可被激活。值得注意的是，诱发地震的规模与注入体积呈正相关，而与压力增幅无关——这源于断层在空间上的分形分布特性。

四大典型案例的共性特征

北美中部四个深部注水区（俄克拉荷马州、沃斯堡盆地、特拉华盆地、米德兰盆地）均呈现三大共性：

1. 1.

   地震发生于基底结晶岩中的先存断层，这些断层可向上延伸至注入层

2. 2.

   断层形成于古老构造事件，但仅当前应力场中处于临界状态的断层会被激活

3. 3.

   地震系统遵循Gutenberg-Richter定律（b值≈1），表明是天然地震在时间上的提前释放

特别值得关注的是，俄克拉荷马州阿巴克组注水引发2016年M5.8波尼地震，证实基底断层即使未知也可能具有巨大潜势。

地层约束型与基底型地震的差异

特拉华盆地南部出现独特的"地层约束型"地震，其特点包括：

• •

  断层垂向延伸受蒸发岩顶板和页岩底板限制

• •

  最大震级不超过M3.5（与断层垂向尺度<3 km相关）

• •

  由浅层注水、水力压裂和储层压实共同触发

  InSAR数据显示这类断层常伴随厘米级地表升降，部分表现为无震滑移。

CO₂封存项目的启示

Quest（加拿大）和Decatur（美国）两个小型CCS项目已显示警示信号：

• •

  Quest项目在注入400万吨scCO₂后触发基底微震

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  DecaturMt. Simon砂岩注水引发NE-SW向断层活动

  这些案例表明，现有小规模项目尚未验证大规模注入的安全性。

优化封存选址的地质准则

研究提出两类低风险封存目标：

1. 1.

   墨西哥湾沿岸年轻地层：弱胶结的粘土质岩层通过粘弹性应力松弛（VSR）抑制断层垂向扩展，且富含页岩可形成有效流动屏障

2. 2.

   压力枯竭油气藏：特拉华山组实例显示，储层压力降低50%以上时可大幅提高注入安全阈值

结论与展望

基底连通性评估应成为CCS选址的核心指标。未来研究需整合三维应力场建模、断层滑动势分析和实时微震监测，建立分级预警系统。值得注意的是，公众对诱发地震的容忍度极低——荷兰格罗宁根气田仅因M3.6地震即终止开采，这提示CCS项目必须将地震风险控制在感知阈值以下。