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长宁地震频发是页岩气开采惹的祸?

撰文 | 杨   朔 责编 | 夏志坚
四川省长宁县,页岩气开发的热土,中国首个国家级页岩气示范区长宁-威远国家级页岩气产业示范区所在地之一。8月13日,长宁发生了一次4.1级的地震,而自2019年6月17日起,该县已经发生36次地震,其中四级以上的地震9次。
 
在美国,页岩气开发的重点区域俄克拉荷马州同样地震频发。2010年俄克拉荷马发生了41次三级以上的地震,而到了2015年,该地区三级以上地震已经飙升到了888次 [1]。
 
一时间,人们对于页岩气的开采是否诱发了长宁频繁的地震产生疑问。
 
在页岩气开发过程中,通常需要用到水力压裂技术,即向地下注入高压流体,压裂岩石,为页岩气的运移提供更多的流动通道。网上的一些评论称,开采页岩气时,水力压裂破坏了地层稳定的应力状态,从而诱发了地震。
 
然而,事实是否果真如此?
 
地震频发都是水力压裂惹的祸?
 
水力压裂是否会诱发中等强度的地震,学术界对此并未取得共识。
 
Hadi Ghofran 等学者指出,页岩的压裂会诱发作业地区中等强度的地震,特别是美国中部,像俄亥俄州、俄克拉荷马州地震频发和页岩气的开采作业有着密切的联系 [2]。
 
不过也有人表示,尽管压裂时的高压流体会在某些方向上导致地层岩石发生破裂,但产生的影响微乎其微,不足以诱发中等强度的地震。此外,水力压裂的作业区域一般在地下2000-3000米处,而震源往往深得多,二者之间并不能简单地建立因果关系。
 
值得一提的是,6月18日,在中国地震台网中心召开的 “四川长宁6.0级地震专家集体访谈” 活动上,中国地震台网中心主任王海涛表示,目前尚无充分证据证明此次地震与水坝、页岩气开采有关。有学者表示,从地震学角度来说,目前对诱发地震是否能够引起中等强度以上地震仍不清楚 [3]。
 
油田废水,诱发地震的另一“嫌犯”?
 
在学者关于水力压裂是否导致地震争论不休时,有人将目光投向了注入地层的废水。
 
有研究发现,除了压裂可能导致地震外,开发过程中向地层注入的废水也可能致震。美国联邦地质调查局指出,页岩气开采的水力压裂不是产生诱发地震的主要原因,石油和天然气开采过程中产生的废液被增压注入或直接注入废水井,是产生大部分诱发地震的主要原因 [4]。
 
在美国发生地震最多的俄克拉荷马州,只有1-2%的地震与水力压裂作业有关,剩余的地震则是由废水处理引起的。在《自然-通讯》杂志上,Ryan M. Pollyea 等人发表了《高密度油田废水处理导致更深、更强、更持久的地震》(High density oilfield wastewater disposal causes deeper, stronger,and more persistent earthquakes)一文呼应了上述观点,作者研究发现,由于高压泵入地层的废水和岩石流体之间存在密度差,可能会导致压力瞬变,从而致震 [5]。
 
不过也有人表示,该结论可能并不符合中国的实际情况 [6]。在美国,河流较多,水资源获取方便,人们会将水力压裂产生的废水收集起来,再从别的地方集中注入地层。而中国的页岩气开采环境条件恶劣,多数是丘陵地区,实际的工作区域多在山上,水的运输成本很高,所以这些水都要经过处理,循环利用,并不会出现上述现象,所以无法简单断定是油田废水诱发了地震。
 
中国地质大学地球物理与信息技术学院的副教授刘志坤认为,与国外相比,国内关于页岩气开采致震的研究仍不足够,目前不能确定长宁地震是否是由于页岩气开采导致的。
 
“国外对于页岩气开采诱发的地震做了大量的研究工作,我觉得国内做的还远远不够。一是我们国家在这方面的项目投入不足,另外一个就是对于页岩气开采而言,企业的数据公开程度也不够,这就限制了进一步的研究。比如,如果研究页岩气开采对地下结构的影响,需要知道向地下注了多少水,用什么样的速度去注水。” 刘志坤对《知识分子》表示。
 
日本地质调查所的Xinglin Lei博士亦认为,尽管四川盆地目前的观测台网比较密集,但水压致裂的公开信息非常有限,要构建完整的证据链条,需要不少细致的野外考察。
 
综合来看,页岩气开采是否致震,目前学界主要存在两种声音。一种声音认为是水力压裂诱发了地震;另一种声音指出油田废水的不合理使用才是致震的主要原因。很明显,两种观点都有合理之处,不过依然需要更加详实的证据支撑。中国的页岩气储量世界第一,页岩气无疑是塑造未来能源结构的重要一环,但目前仍然存在许多未知,等待着科研人员进一步的研究。
 
冯可可、魏宇心对本文亦有贡献。
 
 参考资料
[1] https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/browse/stats.php
[2] Ghofrani H,Atkinson GM,Eaton DW,et al.加拿大西部沉积盆地水力压裂与地震活动[J],地震研究快报,2016,87(3):págs.631-647
[3] 何登发, 鲁人齐, 黄涵宇,等. 长宁页岩气开发区地震的构造地质背景[J]. 石油勘探与开发, 2019, 46(5): 1-14.
[4] https://earthquake.usgs.gov/research/induced/myths.php
[5] https://www.nature.com/articles/s41467-019-11029-8
[6] https://baijiahao.baidu.com/s?id=1628250213471212001&wfr=spider&for=pc
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