弗吉尼亞理工大學(xué)的一組地球科學(xué)研究人員開發(fā)了一種新理論，來解釋即使注入速度下降，注入誘發(fā)的地震如何以及為什么繼續(xù)發(fā)生。

自1960年代以來，專家就知道，當(dāng)油田廢水通過深注入井泵入地下時(shí)，就會發(fā)生地震。在過去的十年中，注水誘發(fā)的地震已成為全球油氣盆地的經(jīng)常性事件，特別是在美國中部，甚至在中國和加拿大。

石油和天然氣生產(chǎn)通常伴有高度咸淡的地下水，也稱為油田鹽水。這些液體的咸度可能比海水高五到六倍，因此它們對陸地生態(tài)系統(tǒng)有毒，幾乎沒有有益的用途。結(jié)果，油田鹽水被認(rèn)為是一種廢物，可以通過將其抽回到深部地質(zhì)構(gòu)造中進(jìn)行處置。

當(dāng)將流體泵入深注入井時(shí)，它們會改變深部地質(zhì)構(gòu)造中自然發(fā)生的流體壓力。這些流體壓力的變化會破壞斷層的穩(wěn)定性，導(dǎo)致地震，例如2016年9月在俄克拉荷馬州波尼發(fā)生的5.8級破壞性地震。

在有關(guān)注射誘發(fā)地震更傷腦筋的科學(xué)問題是為什么他們似乎在這些地方的俄克拉何馬州和堪薩斯州，在那里注射率已經(jīng)到組合減少由于被越來越深地震減災(zāi)措施，減少石油和天然氣生產(chǎn)。

在8月5日發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》上的一項(xiàng)研究中，地球科學(xué)系助理教授Ryan M. Pollyea和一組學(xué)生研究人員提出了一種新理論，即廢水本身在導(dǎo)致注入的過程中起著重要作用。引起的地震。

弗吉尼亞理工大學(xué)計(jì)算地球流體實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人波利亞說：“我們知道俄克拉荷馬州的地震正在加劇。因此，我們正在試圖弄清楚什么條件使之成為可能。我們的研究表明，這是由于地震的綜合影響而造成的。地質(zhì)，地下巖石中的天然流體以及廢水本身。”

盡管數(shù)十年來研究人員已經(jīng)知道深部流體注入會引發(fā)地震，但Pollyea表示，先前的研究缺少有關(guān)其發(fā)生方式的一些相關(guān)細(xì)節(jié)。他特別指出，油田鹽水與純凈水相比，密度和粘度具有很大不同的特性，這些差異會影響導(dǎo)致流體壓力引發(fā)地震的過程。

該研究的合著者，前博士學(xué)位的Richard S. Jayne說：“基本思想是，油田鹽水具有大量溶解的固體物質(zhì)，這使廢水比深部地質(zhì)構(gòu)造中的天然流體重。” 弗吉尼亞理工大學(xué)的學(xué)生，現(xiàn)在是桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究水文地質(zhì)學(xué)家，“因此，如果流體具有相同的材料特性，稠密的廢水會下沉，增加流體壓力，并引起更深的地震。”

Pollyea和他的團(tuán)隊(duì)使用弗吉尼亞理工大學(xué)高級研究計(jì)算部門的超級計(jì)算機(jī)，通過使用地質(zhì)屬性，廢水溫度和廢水密度的各種組合，生產(chǎn)了100多個(gè)油田廢水處理模型，測試了他們的想法。通過這種計(jì)算方法，研究小組隔離了改變地質(zhì)構(gòu)造中流體壓力的條件和物理過程。

Pollyea說：“我們發(fā)現(xiàn)確實(shí)有兩種不同的過程將流體壓力驅(qū)入地下深層地震發(fā)生。” “第一個(gè)過程稱為壓力擴(kuò)散，這是當(dāng)廢水被迫進(jìn)入已經(jīng)充滿水的地質(zhì)構(gòu)造時(shí)發(fā)生的。這一過程早已為人所知，但第二個(gè)過程發(fā)生在高密度廢水下沉并推動低密度流體的過程中。擋開。”

根據(jù)這一新理論，廢水和深層地下流體之間的密度差對于誘發(fā)地震的發(fā)生比以前已知的更為重要。地質(zhì)學(xué)助理教授梅根·布朗(Megan Brown)說：“這是誘發(fā)地震研究中已被忽略的領(lǐng)域之一。”該教授專門研究北伊利諾伊大學(xué)的流體觸發(fā)地震活動，但并未參與這項(xiàng)研究。“密度驅(qū)動的壓力瞬變是注入流體和地層流體之間的密度差的直觀結(jié)果。”

盡管自2014年和2015年高峰以來，美國中部地震的發(fā)生率一直在下降，但這種新理論不僅解釋了為什么俄克拉荷馬州的地震越來越深，而且還解釋了為什么2016年俄克拉荷馬州發(fā)生了5級以上的地震。全州注射率正在下降。

“我們研究的一個(gè)有趣的方面是下沉的廢水羽流不需要泵就可以遷移到更深的地下，” Pollyea說，“實(shí)際上，在停止注入后數(shù)十年內(nèi)，它們將繼續(xù)以自身的重量下沉，我們的研究表明廢水不一定要重很多。”

在減震和規(guī)范實(shí)踐方面，這項(xiàng)研究具有深遠(yuǎn)的意義：研究小組指出，美國許多油氣盆地中都存在高密度鹽水，但他們也認(rèn)為，在實(shí)踐中使用這項(xiàng)研究需要更多有關(guān)流體的信息。布朗說：“這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)需要針對特定??地點(diǎn)的數(shù)據(jù)和增加采樣，因?yàn)槊芏炔町愂墙鼒鰤毫λ沧兊尿?qū)動因素，也可能導(dǎo)致注入前的緩解措施。”

Pollyea說，他的研究小組正在繼續(xù)研究導(dǎo)致誘發(fā)地震的水文地質(zhì)過程的新理論。Pollyea說：“我們真的很想知道我們對流體化學(xué)的看法如何影響俄克拉荷馬州和得克薩斯州的區(qū)域性擴(kuò)展注入操作。” “而我們最近的一名MS畢業(yè)生，Graydon Konzen(研究合著者)在這一領(lǐng)域做了一些令人興奮的新工作。”