通常规模较小、但偶尔会造成破坏的地震，是地热能开发和油气生产等涉及向地下注水的工业过程所产生的副作用。不过，科学家一直不清楚流体注入在触发这些人为地震中究竟发挥什么作用。
如今，美国和法国的加州理工学院及其他机构的研究人员首次观测到，流体注入如何在一条规模可观的地下断层上引发微震。这些发现有望通过加深对断层流体流动的认识，改善地震风险管理，同时也有助于阐明天然地震的力学机制。
“目前，业界面临的一个主要问题是，没有成熟理论可用于评估流体注入相关的地震危险性，”论文共同作者、剑桥大学地球物理学教授、加州理工学院厄尔·C·安东尼地质学教授，以及已关闭的加州理工学院构造观测站（研究最初在此启动）的前主任让-菲利普·阿武亚克说。“通过我们这样的实验，我们可以建立亟需的模型，帮助评估地震可能发生的位置、震级和概率。”
这项研究由法国艾克斯-马赛大学欧洲环境地球科学研究与教育中心（CEREGE）教授伊夫·居列尔米牵头，刊载于6月12日出版的 《科学》。
地震通常发生在地壳岩层沿断层滑动时，这是压力不断累积所致。最广为人知的断层位于构成地壳的大陆尺度构造板块之间，例如加利福尼亚州的圣安德烈亚斯断层，它是太平洋板块与北美板块的边界。不过，许多较小断层从这些主要断层分支而出，向下延伸至微观裂缝；大多数岩石，甚至可能所有岩石中都存在这类裂缝。
“我所在领域的一项挑战，是把我们能够在实验室模拟的尺度上观察到的岩石变形，与自然界中反映出大出许多个数量级的变形尺度的现象联系起来，”阿武亚克说。“两者之间存在巨大的尺度差距。”
这项新研究有助于弥合这一差距。阿武亚克及其同事在一条穿过石灰岩、长度超过四分之一英里的断层上进行了流体注入实验。由于这条断层毗邻法国东南部的低噪声地下实验室（Laboratoire Souterrain à Bas Bruit，LSBB）而得以接近；该实验室原为地下军事设施，如今已向科学家开放。
研究团队在约925英尺深处向断层钻了一个孔。随后，他们将一个长五英尺、装有传感器的罐状设备放入孔中。该设备名为“原位裂缝性质阶梯速率注入法”（Step-Rate Injection Method for Fracture In-Situ Properties，SIMFIP）。SIMFIP旨在悬置于断层带中时测量压力、水流速率、岩石运动及其他关键数据。
“SIMFIP探针为表征断层性质打开了道路，而断层性质对于地震危险性研究和理解地震物理机制至关重要，”论文共同作者、法国尼斯-索菲亚·安蒂波利斯大学Géoazur地球与行星科学实验室教授弗雷德里克·卡帕说。卡帕与居列尔米和阿武亚克共同开发了实验和模型；在研究筹备期间，他曾任构造观测站访问教授。
“SIMFIP技术是一项突破，”阿武亚克说。“我们希望未来能看到这项技术或类似技术被用于研究多种地质背景下的断层。”
插入SIMFIT探针后，研究人员向断层带注入了250加仑水。随着流体被泵入，SIMFIP记录到岩石最初缓慢、逐渐发生的滑动；由于没有出现可测量的微震，这类断层运动被称为无震滑动。然而，在这次轻微运动过程中，断层两侧的岩石分离，流入断层的水流速率随之急剧增加。实验进行约18分钟后，滑动速率上升，产生了地震波和数十次可测量的微震。
实验显示，流体注入本身并未直接引发地震。相反，无震滑动可能在岩石蠕滑区域边缘积累了应力。最终，应力克服了断层内岩面之间的摩擦，从而触发地震。
未参与这项研究的加州大学圣克鲁兹分校地震学家艾米丽·布罗德斯基评论说，研究中的“近距离观测”“迄今为止提供了最完整的地震起始图景。从无声蠕滑到地震的转变，在这组数据中呈现得十分丰富，而且与一个非常简单的模型出奇地吻合。”
这项工作为了解与石油和天然气行业流体注入相关的地震危险性，以及地热能源公司建设发电设施相关的地震危险性提供了信息。继续使用SIMFIP开展研究，也可能有助于开发碳捕集与封存技术，将发电站排放的二氧化碳封存于地下，防止这种温室气体进入大气层。令人担忧的是，这类活动可能诱发地震；例如，地震可能损坏地下碳储层，导致泄漏。
最后，阿武亚克及其同事指出，更好地理解由流体注入引发的浅层人为地震，将有助于完善相关理论，说明深处的水如何影响断层及其引发大地震的可能性。
论文题为 《流体注入诱发的无震滑动触发地震活动》。 实验工作由法国国家研究署（ANR）通过HPPP-CO2项目资助，并由普罗旺斯-阿尔卑斯-蓝色海岸大区（PACA）通过PETRO-PRO项目资助。本研究中的速率—状态断层模型获得了法国科学院、加州理工学院构造观测站和ANR HYDROSEIS的支持。
本文由 加州理工学院合作发布。本文的发表并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：亚当·哈扎齐为加州理工学院撰稿。
图片：堪萨斯州哈德森的基维拉国家野生动物保护区一处干涸水池上空出现彩虹。路透社/杰夫·塔特尔
