双井注入诱发实验室地震的成核过程

《Tectonophysics》：Nucleation process of laboratory earthquakes induced by dual-well injection

　　**摘要**- 实验室实验模拟了双井注入诱发地震。- 钻孔间距和注入速率影响破裂成核和断层滑动。- 非地震滑动的汇合可以引发动态破裂。---## 引言众所周知，向地球内部注入流体可以诱发地震。这在地热能开采（Deichmann和Giardini, 2009；Grigoli等, 2018；Kim等, 2018）、废水处置（Hincks等, 2018；Kerenan等, 2013；Kerenan等, 2014）、非常规储层油气开采（Ellsworth, 2013；Grigoli等, 2017）、碳封存（Vilarrasa等, 2019；White和Foxall, 2016）以及盐矿开采（Lei等, 2020）中均有报告。通常，注入诱发地震发生在注入密集的区域。注入诱发地震的激增往往出现在注入活动期间甚至之后（Barbour等, 2017；Kim, 2013）。此外，流体注入还可能导致更大且具潜在破坏性的地震（M > 5）（Grigoli等, 2018；Kerenan等, 2013；Lei等, 2019），正如德克萨斯州和新墨西哥州的特拉华盆地所记录的，那里地震频率的显著增加与废水处置和水力压裂有关（Savvaidis等, 2020）；中国四川盆地的页岩气产区，多次M_L ≥ 5事件被归因于高压流体注入（Lei等, 2017；Lei等, 2019；Li等, 2021a）；以及韩国浦項增强型地热系统（EGS）站点，2017年一场M_w 5.5地震被确认为注入诱发（Kim等, 2018）。这些注入诱发地震不仅扰乱工业运营，还会造成巨大的经济损失和社会风险（Ellsworth, 2013）。因此，研究注入诱发地震对于理解其机理和减轻灾害至关重要。注入诱发地震事件，尤其是震级较大的事件，主要由流体注入导致的断层/裂隙剪切产生（Ellsworth, 2013）。目前已知的注入诱发地震机制包括：(1) 孔隙压力效应：流体注入提高了断层面上的孔隙压力，降低了有效法向应力，从而根据库仑破坏准则促进断层重新激活（Ellsworth, 2013）；(2) 孔隙弹性效应：流体注入导致周围岩体发生弹性变形，引起应力重分布，从而重新激活附近断层（Segall, 1989），基于位错的方法已被广泛用于量化由此产生的孔隙弹性应力扰动（An等, 2021）；(3) 非地震滑动触发：注入最初诱发非地震滑动，该滑动向外扩展，最终通过应力传递触发远处断层段的不稳定性（Guglielmi等, 2015）。此外，还提出了其他机制，如流体润滑（Dou等, 2020）、化学反应（An等, 2020）以及诱发微震事件之间的级联触发（Sumy等, 2014）。这些研究揭示了诱发地震的机理。为了最小化诱发地震的可能性并减轻潜在的 seismic 危害，已提出几种注入方案，包括降低注入速率（Langenbruch和Zoback, 2016；Weingarten等, 2015）或循环注入（Hofmann等, 2019）。例如，降低注入速率可显著减少诱发大事件的频率，如俄克拉荷马州一个深层废水注入项目中的情况（McClure和Horne, 2012）。实验室研究进一步阐明了注入速率在流体诱发断层重新激活中的控制作用，这在近期研究中尤为明显（French等, 2016；Passelègue等, 2018；Wang等, 2020）。例如，Passelègue等（2018）证明注入速率控制孔隙压力的空间结构，在缓慢且均匀的增压条件下产生库仑型全局破坏，但在快速注入条件下产生局部高压破裂成核。Wang等（2020）表明注入速率通过调节能量输入与耗散的平衡来控制滑动方式，快速注入产生间歇性低速粘滑，而低速迫使则促进准稳态非地震蠕滑。French等（2016）和Ji等（2022）的补充实验揭示，快速注入加速有效法向应力的降低并增强孔隙压力的不均匀性，从而降低临界成核长度并实现更快、更大的滑动，足以重新激活先前稳定的断层带。尽管先前的研究已大大推进了我们对注入诱发地震机理的理解，但断层对多井注入的响应仍然是一个未解的问题。在实践中，流体通常通过多口井注入到深部地层中，如废水处置或水力压裂的情况（Dvory等, 2022；Goebel等, 2017；Rubinstein等, 2014；Rubinstein和Mahani, 2015）。在废水处置项目中，多井注入可能因大量流体注入而诱发远处的潜在破坏性地震（Goebel等, 2017）。此外，多井注入可能加剧应力不均匀性并沿断层产生分布式的非地震滑动（Dvory等, 2022）。应力不均匀性和非地震滑动均已被证明在单井注入诱发地震的成核中发挥重要作用（Cebry等, 2022；Gori等, 2021；Guglielmi等, 2015；Ji等, 2022）。特别是，非地震滑动的汇合被提出作为引发天然地震的可能机制（Bletery和Nocquet, 2020；Meng等, 2018；Xu等, 2024）。然而，多井注入产生的非地震滑动区之间的相互作用及其在诱发地震成核中的作用仍知之甚少。在本工作中，我们进行实验室实验来探索双井注入诱发地震的成核过程和破裂行为。我们测量了包括地震成核和动态破裂传播阶段在内的全场断层滑动。我们研究了钻孔间距、注入速率和应力状态对注入诱发地震的影响。我们观察到，注入诱发地震的成核模式受钻孔间距和注入速率组合的调控。这些发现可能拓展我们对注入诱发地震机理的理解。---## 章节摘要### 断层样品断层样品由PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）制成，这是一种均匀材料，适用于实验室地震研究（Dong等, 2023；Dong等, 2024）。PMMA的力学性能如下：杨氏模量6.24 GPa，P波速度2.3 km/s，S波速度1.1 km/s，泊松比0.30。本工作所用方形PMMA板的尺寸为510 mm × 510 mm × 30 mm，沿对角线预切成两个相同的三角形板。当一对三角形板被固定时……### 典型成核模式在双井注入实验中，系统研究了钻孔间距、注入速率和应力状态对成核和破裂行为的影响。从全场剪切应变分布的演化中识别出两种不同的破裂成核模式（图4）。在图4中，沿断层的局部剪切应变减小表明断层滑动的发展。图4a展示了一个代表性事件，其中高速破裂在其中一个钻孔附近起始……### 结论我们关于双井注入诱发地震的实验室实验突出显示了以下关于流体扰动下破裂成核和震级标度的关键发现：1. 临界成核长度取决于注入速率和断层的初始应力状态。在恒定应力状态下，它通常随注入速率的增加而减小，归一化临界成核长度也显示出类似的趋势。在相同注入速率下，强断层通常具有更大的……---### CRediT作者贡献声明**罗子轩：** 写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，形式分析，数据管理。**王普：** 调查研究，形式分析，数据管理。**董鹏：** 写作 – 审稿与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，形式分析，概念化。**夏凯文：** 监督，项目管理。---### 利益冲突声明作者声明他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。---### 致谢本研究得到国家自然科学基金（项目编号：42307205，42574129，U23B20160）和中國地質大学（北京）中央高校基本科研业务费（项目编号：2652026309，2-9-2024-013）的支持。