页岩气相关诱发地震活动：空间格局、预测方法与风险治理的综合评述

《Entropy》：Shale-Gas-Related Induced Seismicity: Geospatial Patterns, Forecasting Approaches and Risk Governance

　　

：在全球能源系统追求低碳转型的背景下，页岩气开发的快速扩张增加了地下流体注入活动，加剧了人们对诱发地震活动及相关地震风险的担忧。尽管区域研究已记录了特定的诱发地震序列，但全球格局、区域差异性、预测方法及治理实践很少在统一框架内被综合考察。本综述综合了北美、欧洲和中国等主要产区的页岩气相关诱发地震活动，重点关注水力压裂（hydraulic fracturing）与废水回注（wastewater disposal）所引发地震响应的共性模式与差异。跨不同地质与作业环境的证据表明，废水回注通常与更大震级和更广空间分布的地震活动相关，而水力压裂通常产生局部性地震活动，但在临界应力断层与压裂改造区存在水力连通的情况下，也可能伴随显著地震事件。基于区域综合，研究人员比较了统计、物理、混合及机器学习预测方法在作业适用性、预测能力、数据需求及局限性方面的表现。然而，将这些方法进展转化为有效风险降低，需要与稳健监测和适应性治理实践相结合。现行治理措施可降低风险，但其有效性取决于足够灵敏的监测、及时的数据交换、区域校准的适应性作业阈值以及持续注入后监测。未来风险管理应转向动态、受物理约束的地理空间框架，整合地震观测、注入历史、断层构造及区域应力条件，以支持适应性作业决策。

论文主体内容总结：

2. 页岩气相关诱发地震活动：时空格局与作业类型

页岩气开发相关的诱发地震活动在全球范围内表现出显著的空间异质性。北美地区报告案例最为集中，美国中部的俄克拉荷马州等地震序列主要与废水回注（wastewater disposal）相关；加拿大西部特别是阿尔伯塔省和不列颠哥伦比亚省，许多地震序列与水力压裂（hydraulic fracturing）直接相关；中国四川盆地是页岩气相关诱发地震活动的另一重要集中区域；欧洲报告案例相对较少。水力压裂采用沿水平井分段注入流体和支撑剂的方式，注入时间短且压力高，可能超过地层破裂压力，地震响应通常与压裂段位置和处理进度密切相关。废水回注则将含盐废液注入地下地层，持续数月或数年，可能产生更广泛和持久的地下压力扰动，相关地震活动可能延伸至回注井周边区域并在注入停止后继续。两种作业均可通过增加孔隙压力和降低有效正应力或改变围岩应力促进断层滑动，断层响应取决于其产状、初始应力、水力连通性以及压力和应力扰动的演化。

3. 页岩气诱发地震活动的区域特征

3.1 美国

美国页岩气资源分布呈现"东丰西疏"格局，主要产区包括阿巴拉契亚盆地的马塞勒斯（Marcellus）和尤蒂卡（Utica）页岩、沃斯堡盆地的巴尼特（Barnett）页岩、西墨西哥湾盆地的海恩斯维尔（Haynesville）页岩、阿科马和阿纳达科盆地的伍德福德（Woodford）页岩等。2009年后美国中部地区地震活动显著增加，俄克拉荷马州震级3级以上地震从2009年前年均1.2次增至年均25次以上。阿巴拉契亚盆地地震活动相对较少且分散，俄亥俄州因回注井更接近前寒武纪基底且尤蒂卡页岩埋藏更深，地震频率高于邻近州。阿纳达科和阿科马盆地的SCOOP和STACK区带中，超过75%的地震活动可直接归因于当地水力压裂井。2010至2011年阿肯色州Guy-Greenbrier地震序列与废水回注密切相关，最小孔隙压力增加约0.009至0.035兆帕即可触发基底和沉积层中的断层滑动。西墨西哥湾盆地的Eagle Ford页岩区，超过85%的地震事件与水力压裂活动时空吻合，而废水回注与地震活动未显示显著时空相关性。二叠纪盆地特拉华次盆地震级3.0以上地震在2015年前未记录，2015至2020年间发生超过67次，大部分归因于废水回注，约5%与水力压裂相关。

3.2 加拿大

加拿大西部诱发地震活动主要与水力压裂相关，不同于美国中部以废水回注为主。霍恩河盆地（Horn River Basin）地震活动与注入体积正相关，但与注入压力无显著关系，b值估计为1.21，高于构造地震约1.0的平均值。阿尔伯塔盆地Duvernay组是水力压裂诱发地震研究最系统的区域之一，Crooked Lake序列自2013年12月至2014年12月记录一系列震级从M_L1.0至M_L3.6的地震，最大事件为2014年1月23日M_L3.6地震。诱发地震以走滑机制为主，震源深度系统性地浅于区域天然地震。流体扩散和触发机制研究表明，注入流体沿Duvernay组层间路径向东扩散，在到达东部断层时诱发无震滑动，进而导致更深处的震源破裂。地质上，Duvernay区带诱发地震优先发生在靠近基底的碳酸盐岩礁台边缘。西加拿大沉积盆地（WCSB）的Montney组2013至2014年间记录231次地震，其中193次与水力压裂时空紧密相关，仅38次归因于废水回注。Montney North和Kiskatinaw地区b值分别为1.0至1.3和约1.5，该区域迄今最大诱发地震为2015年8月17日M_L4.6事件。

3.3 欧洲

欧洲尚未实现大规模商业化页岩气开发，但局部水力压裂已明确展示诱发地震潜力。2011年英国Blackpool附近Preese Hall井水力压裂期间记录52次地震，最大震级达M_L2.3，归因于水力裂缝与先前未识别断层的相互作用。2018年Preston New Road PNR-1z井压裂期间最大事件为M_L1.6，地震活动率在注入期间总体增加、注入后下降，但各压裂段响应差异显著。2019年PNR-2井压裂后，尾随事件包括8月24日M_L2.1和8月26日M_L2.9地震，其发生在注入停止后，凸显了作业暂停后持续监测的重要性。2019年11月英国政府宣布暂停英格兰水力压裂。波兰Wysin场地2016年压裂后检测到两次弱地震事件，震源深度小于150米，但其成因尚不确定。欧洲其他诱发地震案例如荷兰Groningen气田与常规天然气开采相关，西班牙Castor地下储气库与垫底气注入相关，均与页岩气开发无关。

3.4 中国

中国页岩气开发集中于四川盆地，主要产区包括涪陵、威远、昭通、泸州、长宁、威荣和綦江等。四川盆地构造复杂，西北和西南边缘毗邻青藏高原活跃构造带，龙门山逆冲断裂带是大陆内部最活跃的地震带之一。2010年重庆荣昌M_L5.1地震后，川西南地区诱发地震活动持续增加。2018年12月16日兴文M_L5.7地震、2019年1月3日珙县M_L5.3地震和2019年6月17日长宁M_L6.0地震相继发生。长宁-兴文区块是四川盆地诱发地震活动水平最高的区域，迄今记录10次震级大于4.0的地震。兴文M_L5.7和珙县M_L5.3地震归因于压裂流体向主震区迁移导致先存断层孔隙压力增加；长宁M_L6.0地震序列可能反映页岩气作业与盐矿采卤注水的综合效应。威远-荣昌区块2019年2月25日荣县M_L4.9地震震源深度仅约1公里，2019年9月7日威远M_L5.4地震是威远页岩气场迄今报告的最大破坏性诱发事件，其时空演化可由扩散系数0.2至3.5平方米/秒的流体扩散模型解释。焦石坝区块微震事件震级较小，集中于生产区边界断层附近，震源深度主要在2至6公里。

3.5 诱发地震活动的区域差异及控制因素

区域地震响应的差异需在作业和地质背景下理解。美国中部序列主要与长期废水回注相关，加拿大和英国案例与水力压裂的时空联系更清晰，四川盆地则同时存在水力压裂、废水回注和盐矿注水。废水回注涉及长时间注入、大累计体积和多口作业井，压力扰动可向外传播并影响远离回注井的断层；水力压裂通常为短暂高压分段注入，地震响应与各压裂段和处理进度紧密相关，但短暂注入不意味着扰动保持局部或处理结束后消失，其后续演化取决于地层和断层系统的水力连通性。断层条件同时影响地震发生和破裂范围，破裂范围可超出较强孔隙压力扰动区域，作业结束也不意味着断层响应终止，加拿大西部和英国均记录了注入停止后的地震活动。

4. 页岩气诱发地震的预测、地理空间易发性评估与减缓

诱发地震评估涉及最大震级、地震活动率、空间易发性和作业风险等不同目标。最大震级评估可在特定注入情景和明确物理假设下约束最大事件，概率模型估计主动注入期间超过指定震级的概率，地震活动率预测估计单位时间内超过指定震级阈值的事件数，空间易发性评估识别有利于诱发地震的地质条件位置，作业风险评估结合地震危险性与暴露度和脆弱性评估潜在后果。统计方法以地震目录为主要数据源，采用古登堡-里克特（G-R）关系结合有限样本极值理论估计最可能最大震级，或基于注入体积或地震矩守恒约束诱发序列的累计矩释放上限。物理方法强调数值模拟捕捉注入期间的流体运移和压力演化及应力场变化和断层失稳条件，需要良好约束的地质和作业参数。混合方法先用物理模拟追踪系统向失稳演化，再用统计方法表征失稳后的地震活动。机器学习方法从大量地震监测数据中自动提取特征、识别异常模式并预测地震活动趋势，在短期预测精度和实时预警方面具有潜在优势。