页岩油气开发诱发地震的研究现状及进展

摘要：

页岩油气的开发助推了全球油气储量及产量增长，重塑了全球能源格局。伴随着页岩油气开发过程中的水力压裂和废水处理，页岩油气田附近的诱发地震频率急剧增加，其中大多数为微地震，但破坏性地震也时有发生。这种现象主要发生于美国中西部、加拿大西部和中国西南地区。页岩油气开发诱发地震成因复杂，目前普遍认为主要有三种诱发机制：静态库仑应力变化、孔隙弹性介质理论和流体压力扩散及无震滑移。在汇总全球主要页岩油气诱发破坏性地震分布及其诱发机制的基础上，以加拿大的不列颠哥伦比亚省霍恩河盆地和阿尔伯塔省的Fox Creek地区，美国的科罗拉多州南部、新墨西哥州北部的Raton盆地和俄克拉何马州，中国的重庆市荣昌地区和四川省长宁—兴宁地区为例，系统论述页岩油气开发典型诱发地震的基本情况和诱发机制，介绍诱发地震的前瞻性预测与管控措施，并对页岩油气开发诱发地震的研究现状及进展进行总结和展望。

关键词：

页岩油气; 水力压裂; 废水处理; 诱发机制; 前瞻性预测; 红绿灯系统

中图分类号： P319""""" 文献标志码：A"" 文章编号： 1000-0844（2024）05-1179-18

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240520002

Advances in induced seismicity from shale oil and gas development：

case studies in Canada， the United States， and China

LIU Hanqing1，2， HU Caibo1，3，4， SHI Yaolin1，3，4

（1.College of Earth and Planetary Science， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China;

2.Bureau of Science，Industry，Commerce and Information Technology in Jiaoling County，Meizhou 514100， Guangdong， China;

3.Key Laboratory of Earth System Numerical Modeling and Application （Chinese Academy of Sciences）， Beijing 100049， China;

4.Key Laboratory of Computational Geodynamics，Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract：

The development of shale oil and gas has significantly driven global growth in reserves and production， fundamentally altering the energy landscape. As shale oil and gas development progresses， including hydraulic fracturing and wastewater disposal， the frequency of induced seismic events near shale oil and gas fields has increased notably. While most of these events are microseismic， destructive earthquakes occasionally occur in regions such as the Midwestern United States， Western Canada， and Southwestern China. The triggering mechanisms of destructive induced earthquakes are complex， involving static Coulomb failure stress changes， poroelasticity， pore-fluid pressure diffusion， and aseismic slip， and have been studied worldwide. This review summarizes the distribution and mechanisms of major destructive induced earthquakes related to shale oil and gas globally. It systematically discusses the basic conditions and triggering mechanisms of typical induced earthquakes in several regions， including the Horn River Basin in British Columbia， Canada; the Fox Creek area in Alberta， Canada; the Raton Basin in southern Colorado and northern New Mexico， United States; Oklahoma in the United States; Rongchang in Chongqing， China; and the Changning-Xinjiang area in Sichuan， China. Additionally， this review presents prospective prediction and control measures for induced earthquakes and concludes with a summary and outlook on the current status and progress of research related to induced earthquakes from shale oil and gas development.

Keywords：

shale oil and gas; hydraulic fracturing; wastewater treatment; triggering mechanisms; prospective prediction; traffic light system

0 引言

人类活动诱发地震的观测记录非常丰富，以往研究表明，地下采矿［1-3］、水库蓄水［4-5］均可能诱发地震。2013年6月18日在俄罗斯Kuzbass地区的Bachatsky露天煤矿触发的Bacha 6.1级地震，是迄今为止记录到的由采矿爆炸引发的最大地震［6-7］。中国西南地区深井采盐历史悠久，自1947年自流井背斜上有研究记录以来的地震都可能与采盐注水有关，其中包括4次较强地震（MS4.6～5.0）［8］。1967年12月10日印度西部Koyna地区发生的MS6.3地震［9］、2007年3月龙滩水库大坝西北方向的库水流域罗妥附近发生一次4.0级地震和一次3.2级地震以及2007年7月17日发生的天峨4.2级地震［10］、新丰江水库于1959年10月在水库蓄水后连续发生地震及1962年3月19日发生了6.1级主震［11-12］均被认为是典型的水库触发型地震。

除了采矿和水库蓄水，页岩油气开发［13-15］、干热岩开发［16-20］以及碳储存［21-23］均需要向深部地层注入高压流体，同样可能会诱发地震。随着水力压裂（Hydraulic Fracturing，简称HF）技术的进步和广泛应用，页岩油气开发的范围越来越广［24］，增强地热系统和碳封存技术［22-23］日益成熟，近年来全球范围内人类活动诱发的地震频率和影响范围急剧增加［14-16，25］。

自页岩油气开发以来，美国中西部和加拿大西部的页岩油气开采区域地震频率激增，在俄克拉何马州尤其严重［26］，目前普遍认为与页岩油气开发产生的废水处理有关。例如，2011年的美国俄克拉何马州MW5.7地震是页岩气开发过程中的废水处理注入诱发的地震［27］；2016年美国俄克拉何马州Pawnee MW5.8地震是该州有记录以来发生过的最大地震，同样与深部地层废水注入事件密切相关［28］。在中国四川盆地，近年来由于页岩油气的大量开采，部分地区地震频率显著提升，例如，2018年兴文MS5.8地震、2019年长宁MS6.0地震通常被认为是由于页岩气开采或注水采盐活动引起的［8，29］。2017年11月，韩国Pohang地热田发生的MW5.5地震是公认的最大地热开发诱发地震［30］。页岩油气开发由于需要高压HF，诱发机制复杂，涉及范围较广，诱发破坏性地震的次数相对较多。本文以页岩油气开发诱发地震为例，对地下高压流体注入诱发地震的机制、案例、前瞻性预测和风险管控进行深入分析和总结。

1 页岩油气开发与诱发地震活动

非常规油气是指用传统技术无法获得自然工业产量、需用HF技术建立人工储层、提高储层渗透率或降低孔隙流体黏度等手段才能经济开采的油气资源。非常规油气包括致密油气、页岩油气、煤层气等多种类型［31］，广义的页岩油气可代指非常规油气，狭义的页岩油气仅包括页岩油和页岩气［32］。HF是页岩油气开发过程中一项关键的技术手段，通过高压注水在泥页岩、致密砂岩中建立一个与钻孔相连的人工裂缝网络，以提高储层渗透率和产能［14］。在页岩油气高压注水开采过程中不可避免地诱发了许多地震，其中绝大多数是MW1.0以下的地震［33］，但有时也会诱发有感地震，乃至破坏性地震。页岩油气开采过程中会产生大量废水，这些废水一般会通过废水处理井注入深层地层，在此过程中同样会诱发地震［16］（图1）。废水处理相较于页岩油气开发生

产过程中的HF，其影响范围往往更大，诱发地震的规模更大、震级更高，并且诱发地震活动过程相对缓慢［34-35］。因此，页岩油气开采本身的高压注水以及伴随的废水注入而诱发地震是一个重要的科学问题，日益受到科学界和工业界的重视。

表1系统总结了全球页岩油气开发本身的高压注水以及伴随的废水处理注入诱发地震的典型案例及诱发机制。页岩油气诱发地震主要以页岩油气开发过程中的水力压裂及产生的废水处理诱发地震为主。美国中东部、加拿大西部和中国西南地区是全球主要的页岩油气产区（图2），自页岩油气开采以来，地震频率和震级均显著增加，其中美国中东部大于MS3的地震发生率在过去10年中增加了10倍，加拿大西部发生率增加了3倍。但这些地区页岩油气开采诱发地震的机制存在一定差异，美国中东部大多数诱发地震与页岩油气开发产生的废水处理有关，加拿大西部诱发地震活动在时间和空间上与HF高度重合［34-36］，而中国西南地区诱发地震的成因机制还存在争论。本文以美国中东部、加拿大西部、中国西南地区为例加以详细论述。

2 诱发机制

页岩油气开发需要通过高压HF创造新的裂缝和打开已有裂缝，以提高储层渗透率并增加油气产量。在HF过程中，会发生大量微地震事件，这些微地震事件一般在MW2.0以下，但在高频HF期间也可能激活先存断层而诱发破坏性地震［15］。在开采过程中产生的废水一般通过高压回注到页岩油气储层，同样会引起开采区地震活动剧增，乃至诱发破坏性地震［62］。静态库仑应力变化、孔隙流体压力扩散和孔隙弹性介质理论，以及无震滑移是页岩油气开发诱发地震的3种基本理论［16，62］。

2.1 静态库仑应力变化

诱发地震的产生往往与先存断层的活化有关，莫尔-库仑破坏准则（Mohr-Coulomb Friction Theory）是评估断层滑移的基础理论。根据该准则，预先存在的断层临界失稳的条件为［14-15，63-64］：

τ=τ0+μ（σn-p） （1）

式中：τ为断层剪应力;τ0为断层内聚力;μ为摩擦系数;σn为断层正应力;p为流体压力。

主断层滑动可以造成主断层附近已知方向的其他断层上的正应力、剪应力分量以及静态库仑应力的变化，静态库仑应力的增加可触发附近断层活动而发生更多地震。静态库仑应力变化理论适用于注水相关的人类活动产生的诱发性地震［16，41，62］（图3）。在断层活化分析时，断层的静态库仑应力变化（ΔCFS）常常被用来描述注水产生的应力扰动［44，47，65-66］：

ΔCFS=Δτ+μ（Δσn-Δp） （2）

式中：ΔCFS为静态库仑应力变化;Δτ、Δσn分别为断层面上的剪应力变化（与断层滑动方向一致时为正）和正应力变化（张性为正）;Δp为孔隙流体压力变化。

2.2 孔隙弹性介质理论和流体压力扩散

Biot［67］首创了孔隙弹性介质的理论处理方法，在应力-应变本构关系中引入孔隙流体压力项，以考虑孔隙流体压力对固体骨架应变的影响。孔隙弹性介质理论研究孔隙流体压力和固体骨架岩石应力之间的耦合［16，68］，常被用于模拟页岩油气开发过程中，断层附近固体骨架的岩石应力场和孔隙流体压力场的时空变化，并结合构造地质背景，解释地震成因和诱发机制［44，46，69-70］。

孔隙流体压力扩散是一种解释流体诱发地震的经典机制。当向地下注入流体时，孔隙流体从注入流体的位置扩散开来，增加了周围介质的孔隙流体压力并降低固体骨架岩石的有效应力，断层上有效正应力的减少致使作用于断层的库仑应力增加，导致断层上的正应力和剪应力状态满足断层临界失稳的条件，激发断层活化，诱发地震活动。孔隙流体压力扩散和孔隙弹性介质理论常被用于解释远场地震（Far Field Seismicity）的发生［16，69-71］（图3）。孔隙流体压力扩散方程如下［16］：

式中：K为水力传导率;p为流体压力;S为储水率;t为时间。

2.3 无震滑移

当流体注入地下时，伴随着孔隙流体压力的扩散通常会发生慢滑移［72］，并在触发较大地震中起到关键作用［73-74］，Bhattacharya等［75］认为当断层超过临界状态时，无震滑移的影响大于孔隙流体压力扩散。法国东南部低噪声地下实验室的原位实验证实了无震滑移诱发地震活动的机制：随着地下注水，孔隙流体压力逐渐增大，接着在断层上发生无震滑移，最终断层滑动加速，导致地震活动。在此过程中，无震滑移和地震活动比孔隙流体压力扩散传播更快，从而抑制孔隙流体压力向更大的区域扩散［76］。无震滑移诱发地震机制可以很好地解释注入流体地点的远场地震活动［16，75］。

3 典型案例

3.1 加拿大西部页岩气开发水力压裂诱发地震

加拿大从2005年开始开采页岩气，其中不列颠哥伦比亚省和阿尔伯塔省是主要的页岩气产区［77］。随着页岩气的开采，加拿大不列颠哥伦比亚省东北部霍恩河盆地（Horn River Basin，简称：HRB）［40，78］和西加拿大沉积盆地（Western Canada Sedimentary Basin，简称：WCSB）之间的阿尔伯塔省Crooked 湖以西Fox Creek地区［37，79］的地震活动频率日益增加。

Farahbod等［40］对不列颠哥伦比亚省东北部霍恩河盆地2006年12月—2011年12月期间发生的地震进行了系统分析，确认了该地区的背景地震活动特征 ，并深入研究了区域地震活动与HF作业的时空关系。2006年11月霍恩河盆地开始进行HF，2009年页岩气开发规模扩大，HF操作变得更加频繁［78］。霍恩河流域地震事件数量从2002—2003年的24起（HF前）增加到2011年的131起（HF高峰期），地震最大震级从2006—2007年的2.9级增大到2011年的3.8级。2011年HF达到高峰时，不仅高频HF作业日的地震月发生率增加了6倍，非高频HF作业日的地震月发生率也增加了3倍以上，进一步证明地震数量的增加与HF作业之间的相关性［40］。

加拿大阿尔伯塔省Crooked湖以西的Fox Creek地区自2010年6月开始开采页岩气，截至2016年该地区2.6～4.0 km深的Duvernay组已经有290多口水平井完井［37］。自2013年12月1日起，该地区地震频率显著提升，这些地震被称为Crooked Lake序列（Crooked Lake Sequence，简称CLS）［37］。2013年12月1日—2014年12月31日，Fox Creek镇监测到MW1.7～3.9地震序列，2014年1月23日发生MW3.9最大地震事件［79］。2014年8月9日阿尔伯塔省Rocky Mountain House地区发生MW3.8地震，2015年1月23日Crooked湖附近发生ML4.4地震［80］，2016年1月12日Fox Creek镇附近发生ML4.8地震［38］。2019年3月4日阿尔伯塔省Fox Creek镇附近页岩气HF再次诱发了MW4.18地震序列，随后阿尔伯塔省颁布了一款新的红绿灯协议［62，81］（图4）。加拿大阿尔伯塔省Fox Creek地区自页岩油气开采以来地震频率的显著提升被认为与页岩气开发HF密切相关。Atkinson等［34］、Bao等［36］、Schultz等［79］统计了WCSB页岩气开发中，HF操作与CLS的时空分布，一致认为该地震序列是由HF引起的。Bao等［36］认为岩体对HF的弹性响应引起的应力变化或沿渗透性断裂带的流体扩散引起的孔隙压力变化，引起了加拿大西部阿尔伯塔省Fox Creek 页岩气开采区断层活化，诱发了CLS。

Schultz等［37］和Wang等［38］分析了阿尔伯塔省Fox Creek镇 ML4.8地震序列和生产井HF作业的时空分布。Schultz等［37］认为Duvernay组地层HF作业的引起了孔隙压力的增加，激活了先存断层，诱发了此次地震。Wang等［38］认为HF激发了NS向的断层系统活化，诱发了此次地震。Eyre等［39］认为ML4.8地震序列的重新定位结果表明，大多数诱发事件的震中位于HF上方100 m处的沉积剖面内，HF井底部与一个复杂的NNE—SSW走滑断层系统相交，地震事件主要集中在断层活化的平面结构上，大部分位于HF井的东侧。HF注入的流体泄漏到与断层系统相连或部分断层系统的水力传导通道，流体的存在增加了断层的孔隙压力，降低了有效应力，诱发了此次地震序列［39］。Hui等［82］在考虑相邻水力裂缝之间的应力影响和水力裂缝与天然裂缝的相互作用基础上，建立了三维孔隙弹性耦合模型，揭示了此次诱发地震活动的触发机制。研究表明，地震群的发生与西38～39期完井和东38期完井的压裂液注入有关，岩石的脆性变形、地层超压和大的破裂作业尺寸是地震团簇成核的原因，页岩储层的天然水力裂缝网络提供了流体流动路径，导致发震断层的重新活化。此外，Shen等［83］、惠钢等［84］、Igonin等［85］对Fox Creek页岩气开采区的一些非典型地震序列的诱发机制也作了深入的研究。

图4（a）显示了按水力压裂地层着色的HF井、地震活动分布以及Duvernay和Montney组地层的边界;图4（b）显示了每个地层的HF井数量;图4（c）显示了基于震级的诱发地震“红绿灯”系统（IS-TLP）在North Peace和Kiskatinaw Seismic Monitoring and Mitigation Area（KSMMA）区域（Montney组地层）、Fox Creek和Red Deer地区（Duverna组地层）实施的日期（红色垂直线）;图4（d）显示的HF井数量与地震事件数量之间的强相关性;图4（e）是北美的参考地图。

总体而言，目前对霍恩河盆地页岩油气开发诱发地震的机制尚不明确，对阿尔伯塔省Fox Creek地区诱发地震的成因机制研究较多。普遍认为HF高压注水引起地层孔隙流体压力扩散及断层孔隙弹性应力变化，是激发断层活化的主因。

3.2 美国中东部地区页岩油气开采废水处理诱发地震

美国页岩气和致密油资源丰富，主要产自阿纳达科盆地（Anadarko Basin）、阿巴拉契亚盆地（Appalachian Basin）、巴肯（Bakken）页岩区、伊格尔福特（Eagle Ford）页岩区、海恩斯维尔（Haynesville）页岩区、奈厄布拉勒（Niobrara）页岩区、二叠盆地（Permian Basin）等7个页岩区［87］。2021年美国原油产量为5.49×108 t，其中页岩油产量为3.62×108 t，占比65.9%;天然气产量为9 736×108 m3，其中页岩气产量为7 643×108 m3，占比78.5%［87-88］。随着页岩气的开采，俄克拉何马州、德克萨斯州、科罗拉多州、新墨西哥州等地区的地震频率日益增加，地震震级也有所增大，一般认为与页岩气开发时的高压注水以及产生的废水注入深部地层等活动有关［15，43，51］。

从2001年开始，科罗拉多州南部和新墨西哥州北部的Raton盆地的废水注入速率急剧增加，随之而来该地区的地震发生频率也急剧上升，如2011年8月23日科罗拉多州发生MW5.3地震序列［50-51］。Nakai等［51］利用数值模拟软件MODFLOW，建立了Raton盆地的非均质各向异性分层介质的三维水文地质模型，模拟了1994年11月—2010年12月期间的孔隙流体压力变化。对比2008—2010年Raton盆地的地震活动与孔隙流体压力变化的空间分布，发现震中位置与孔隙流体压力增加的位置一致。其中，新墨西哥州部分的孔隙流体压力gt;0.08 MPa，达到了诱发地震活动的必要条件。此外，还发现累积废水处理体积与地震次数呈幂律关系。

2009年以前，俄克拉何马州平均每年发生1次3级以上地震。自2009年起，由于页岩气开发产生的废水注入深度地层，该州地震活动频率急剧增加，其变化具有统计学意义，仅2015年俄克拉何马州中北部就发生了大约900次3级以上地震［43，70，89-90］。2009年迄今，该州发生了4次最大震级在5级以上的诱发性地震序列，分别是2011年11月发生在Prague附近的MW5.7地震，2016年2月发生在Fairview的MW5.1地震，2016年9月发生在Pawnee的MW5.8地震，以及2016年11月7日发生在Cushing 地区的MW5.0地震［33，43，47］（图5）。

俄克拉何马州Prague地区在2010年以前很少发生地震，2010年初在废水处理井附近发生了最大震级为MW4.1的地震序列，余震持续了一年;2011年11月5日，该地区发生了MW5.0地震，20 h后发生了MW5.7的主震，之后又发生了数千次余震，其中最大余震震级为MW5.0，震源位置非常接近一对废水处理井［27，49］。Keranen等［27］认为Prague地区持续18年以上的废水注入可能填充了一个夹层，导致储层周边断层的有效应力降低，从而诱发了2010—2011年的地震。Sumy等［49］则认为MW5.0的前震对于MW5.7主震的发生起到了关键的触发作用。废水注入导致了孔隙流体压力增加，断层强度降低，激发了Wilzetta断层活化，从而形成了MW5.0前震，前震引起的断层库仑应力变化诱发了MW5.7主震。

2012年俄克拉何马州西北部Fairview地区2～2.5 km深的Arbuckle 地层废水处理的注水速度迅速增加，该地区在2013年之前很少发生地震，2014年起地震活动频率开始增加，2016年2月距离污水处理井10～40 km的位置发生MW5.1地震序列［41］。Goebel等［69］基于数值和半解析的孔隙弹性模型研究了此次诱发地震的诱发机制，结果表明震源处的孔隙弹性引起的库仑应力变化超过了孔隙流体压力变化，为注水井远场诱发地震提供了一种合理的机制。

2016年俄克拉何马州Pawnee地区发生MW5.8地震序列，Barbour等［44］认为废水处理过程中的瞬时高压注水和长期注水引起的孔隙压力变化的共同作用决定了Pawnee地震的发生时间和地点。流体压力扩散是断层孔隙流体压力变化的主要传递机制，岩石与流体之间的应变耦合效应同样对地震的发生产生了重要影响。Chen等［45］则认为MW5.8地震序列是废水注入、构造断层和前震相互作用的结果，3个M≥3前震在主震震源处产生了正的库仑应力，共轭断层系统中的前震活动瞬间对注入速率的变化做出反应，弹性应力变化导致断层临界应力状态的改变，激发了断层活化，导致了主震的发生。

2015年9月—2016年11月期间，在俄克拉何马州Cushing地区附近探测到超过100次中小型地震，2016年11月7日，发生最大震级（MW5.0）的地震［47］。Cushing MW5.0地震序列在时空上与4 km范围内的4个废水处理井相连，Deng等［47］基于孔隙弹性介质模型计算了多井注入流体引起的孔隙压力和应力扰动，研究表明包括Cushing MW5.0地震序列在内的大多数地震都位于剪应力变化的区域，虽然孔隙压力变化幅度远大于剪应力变化幅度，但地震活动与剪应力变化有更好的相关性。

俄克拉何马州页岩油气田开采过程中往往会把废水注入Arbuckle组地层，Langenbruch等［43］认为由于Arbuckle组地层与基底中的断层连通，废水注入增加了断层附近的压力，降低了有效应力，从而触发了地震中累积应力的释放。俄克拉何马州废水处理井附近的地震活动最早出现在注水地层中，随后向深部地层扩展，主震地震序列一般出现在地震活动发生的几个月后［91-92］。

美国页岩油气开发诱发地震的形成一般与废水处理有关，科罗拉多州南部和新墨西哥州北部的Raton盆地诱发地震的空间分布与孔隙流体压力增加的位置一致，孔隙流体压力扩散是主要诱发机制。俄克拉何马州不同地区诱发地震的诱发机制存在一定差异，废水注入引起断层面上的静态库仑应力变化是Prague地区2011年MW5.7地震序列发生的主要诱因，Fairview地区2012年MW5.1地震序列和Cushing地区2016年MW5.0地震序列的发生是由废水处理导致震源孔隙流体压力扩散及孔隙弹性应力增加引起的，Pawnee地区2016年MW5.8地震序列则是静态库仑应力变化、隙流体压力扩散及孔隙弹性应力增加综合作用的结果。

3.3 中国西南地区页岩气开发诱发地震

中国2020年已探明页岩气储量和年总产量分别超过2×1012 m3和2×1010 m3，其页岩气产量名列世界前茅，是北美外第一个实现商业化规模开发的国家［93］。截至目前，四川盆地上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组海相页岩及其周边涪陵、长宁、威远、昭通等油气勘探开发区是中国页岩气的主要来源［93-96］。

自2010年中国西南地区页岩气开采以来［97-98］，页岩气田附近地震活动频率持续增长，且震级越来越大［8］。2010年9月10日重庆荣昌地区发生ML5.1地震，2018年12月18日四川省宜宾市兴文县发生ML5.7地震，2019年1月3日，在其西边8 km处的珙县发生了ML5.3地震，2019年6月17日四川省宜宾市长宁县发生MS6.0地震，其后5天内相继发生了珙县MS5.1、长宁MS5.3和珙县 MS5.4强余震，7月4日，在珙县珙泉镇再次发生MS5.6地震，2019年9月7日威远县发生了ML5.4地震［8，57-58，99-100］（图6）。图6（a）为川南盆地的地理位置（DLS：大梁山，DLM：大罗山，HYS：华英山）。图6（b）为四川盆地3个页岩气田（A：长宁—昭通、C：威远、D：涪陵）和1个盐矿（B：长宁），白色菱形表示中国地震台网的永久站点，黑框中为图6（d）所示区域。图6（c）为中国地震台网记录的长宁—南平（C-Z）地区MWgt;1地震次数随时间增加与区域内系统HF时间对照。图6（d）为长宁—昭通地区地质年代分布。相关研究表明在昭通和长宁页岩气田观测到的ML≥3.0地震活动的激增与HF活动密切相关［100-102］。

重庆荣昌地区在页岩气开发以前地震活动性很弱，随着页岩气的开采及废水回灌，区域地震活动频率和震级明显增强，2010年9月10日发生了ML5.1地震［57］。王小龙等［103］对荣昌地区天然地震资料反演得到了精细的一维速度结构，并对荣昌ML5.1地震进行了重定位，研究表明地震序列震源深度集中在2 km附近，与页岩气储层及注水作业深度吻合。王志伟等［58］基于Cut and Paste（简称CAP）方法对重庆荣昌地区2008年10月—2011年7月期间发生的ML3.5以上地震进行了地震机制反演，研究表明，荣昌地区地震震源空间上与注水井深度一致，集中在几条隐伏断层附近，注水引起的流体压力扩散导致孔隙压力增加并激发断层活化并诱发地震。

在过去的十年中，长宁—兴文地区发生了多次5级以上地震，包括2018年12月兴文ML5.7主震、2019年1月巩县ML5.3主震和2019年6月长宁MS6.0主震及MS5以上余震［104-105］。

Lei等［13］对兴文ML5.7和珙县ML5.3主震及自2018年6月以来覆盖两个主震的区域地震活动进行了系统分析，反演了该区域的平均应力模式，并进一步估算了导致这些地震事件所需的孔隙超压。何登发等［106］对兴文ML5.7地震和ML5.3地震及其余震序列进行重新定位，复原长宁背斜的形成过程，以揭示地震发生的构造地质背景，研究认为，长宁地区的地震频发可能与现今青藏高原向东南缘挤出的大地构造背景有关。

Li等［25］研究了长宁MS6.0地震的震源破裂，通过对注水开采过程中的孔隙压力进行数值模拟，结合先存断层的静态库仑应力计算结果，提出了断层的连续破裂模式，论证了页岩气开采、井盐注水和长宁MS6.0地震的相关性。Sun等［59］基于同震地表变形测量结果，推断出了一条复杂的隐伏发震双重断层的几何形状和展布，认为该断层是兴文ML5.7地震、长宁MS6.0地震的发震断层。Tan等［61］利用高分辨率的地震速度结构和孔隙压力场三维模型对页岩气田下部流体分布进行了表征，在此基础上分析了长宁MS6.0地震的成因机制。Jiang等［107］在分析长宁MS6.0地震序列和区域应力场分布基础上，研究了该地震的同震变形机制，结果表明，长宁地震是由于区域应力场释放导致的，并非孤立事件。Jia等［108］基于地震目录估计的修正库仑应力变化研究了长宁MS6.0地震的孕震机制，在此基础上将地震活动频率、盐矿注水作业和页岩气HF作业过程进行了对照。胡幸平等［109］认为小震与中强震震源机制解具有一致性，并对长宁MS6.0地震序列的发震构造进行了深入探讨。Li等［110］发现兴文ML5.7地震和巩县ML5.3地震的同震滑动与断层平面上高地震速度区相关，据此推测页岩气HF引起了断层应力场变化，进而导致了这两次地震序列的发生。

目前，一般认为兴文MS5.7地震序列由页岩气开采中的HF作业而诱发，而长宁MS6.0地震序列主要由岩盐注水开采引起，两个地震序列的发生在构造上具有一定的关联性。雷兴林等［8］认为震源附近盐矿矿区由于长期高压注水采盐活动，岩盐空腔增大，流体沿着先存断层外流，流体压力扩散导致断层激发活化，为发生震群性地震活动提供了条件。Li等［60］根据长宁MS6.0震源深度较浅、距盐矿矿区较近的特点，推测长宁地震可能是盐矿长期注水引起的。Jia等［108］认为盐矿注水诱发的地震活动性与页岩气HF诱发的地震活动性有明显的区别，长宁地区盐矿注水与长宁MS6.0地震有明显的时空相关性，而页岩气HF与此次地震的关联性不大，同样表明盐矿注水诱发了此次地震。Li等［110］依据兴文ML5.7地震序列和巩县ML5.3地震序列的前震和余震特征，判断兴文ML5.7地震是由迁移到主震区域的注入流体导致先存断层孔隙压力增加引起的。Li等［111］基于预应力断层进行注水和抽水作业，利用孔隙压力中的孔隙弹性模拟和静态库仑应力计算结果，判断盐井注水诱发了此次地震。

Sun等［59］、Tan等［61］、胡幸平等［109］、常祖峰等［112］对于长宁MS6.0地震的成因机制有不同的看法。Sun等［59］认为页岩气开发HF过程中的流体注入为一条隐伏基底断层滑移提供的润滑，诱发了兴文ML5.7地震与长宁MS6.0地震［113］。而Tan等［61］则认为长宁MS6.0地震可能与页岩气开采HF有关，地震主要是由于含流体的发震断层孔隙压力增大所致，同时HF产生的孔隙弹性应力扰动和无震滑移也在一定程度诱发了长宁MS6.0地震。胡幸平等［109］认为长宁背斜轴部在6～9 km深度内存在基底断层，基底断层在应力场作用下的错动是长宁MS6.0地震序列发生的主要原因［109］。常祖峰等［112］认为2019年长宁MS6.0 地震可能是双河背斜中的赋存超压环境叠加北东向古构造应力场和旋转应力场的作用下使节理进一步破裂的结果。

中国四川盆地诱发地震的频发与井盐注水开采、页岩气开发水力压裂和废水处理密切相关，目前一般认为，页岩气开采和废水注入引起了区域内流体压力扩散和孔隙压力增加，最终导致了重庆荣昌地区地震活动频率的激增。2018年兴文ML5.7地震序列和2019年巩县ML5.3地震序列由页岩气开采HF高压注水诱发，不过目前其诱发机制的研究相对较少，诱发过程尚不明晰。2019年长宁MS6.0地震序列的诱因和诱发机制还存在争论，可能是页岩气开发HF和井盐开采注水共同作用的结果。

4 诱发性地震预测与缓解措施

由于页岩油气开发过程中的水力压裂和开发后的废水处理可能会诱发破坏性地震，页岩油气开发诱发地震的前瞻性预测和风险管控措施日益受到学术界的重视。

4.1 前瞻性预测

诱发性地震前瞻性预测对于页岩油气开发具有重要意义，是诱发性地震风险评估中必不可少的一环，可以为诱发性地震监测系统的建立提供关键依据，能有效减轻破坏性诱发性地震发生的风险［114-115］。诱发性地震的预测主要包括对最大震级的预测，其预测模型可以分为统计模型、物理模型和混合模型三类［15，116-118］。一般来说，诱发性地震活动的统计模型在概念上和计算上都很简单，基本不考虑控制其活动的物理过程，即无法预测地震的空间分布，在预测大事件或做出准确的长期预测方面能力有限［118］。物理模型考虑了其潜在的物理过程，在长期预测方面则表现更好，但计算运行成本较高［118］。混合模型是物理模型和统计模型所得结果的折中，即在考虑物理过程的基础上，用统计方法或随机过程代替了求解数学物理方程，减少了计算量［118］。

（1） 统计模型。统计模型基于作业前和作业期间观测到的地震目录，利用诱发性地震活动的时间演变来确定少量参数，根据这些参数实时预测地震事件的发生概率、最大震级［15，117］。Langenbruch等［43］提出了一种经过校准的统计模型，预测美国俄克拉何马州中北部的有感地震（M≥3）以及潜在破坏性地震发生的可能性。Hincks等［90］开发了一种先进的贝叶斯网络，用于模拟空间、注水作业和地震活动参数之间的相互依赖关系。McGarr等［119-120］分析了大量地震序列的实例，认为最大震级由注入流体总量决定，提出了一个计算注入流体诱发地震序列的最大地震矩震级的简单公式;为了考虑地震变形的影响，在该公式的基础上引入了地震有效因子作为校正因子。Li等［115］在McGarr等［120］的公式基础上进行了改进，提出了一种新的注水诱发地震最大震级的短期实时预测方法，该方法通过连续跟踪累积地震矩的时间变化实现了更加准确的短期预测。Richter等［121］认为诱发地震活动是速率-摩擦力行为（Rate-and-state frictional behavior）的断层应力变化的统计学响应，在此基础上为格罗宁根气田设计了一个诱发地震预测概率模型。

（2） 物理模型。一般通过建立大尺度的物理模型来模拟流体注入引起的储层物理参数变化，并间接使用记录的地震目录进行模型校准，从而预测流体注入引起的最大地震震级［15，19，122］。Zhai等［46］在考虑孔隙压力和孔隙弹性应力的基础上建立了一个基于物理的线性孔隙弹性模型（地震预测模型），结合速率-状态摩擦定律，模拟了俄克拉何马州地壳应力和地震活动速率的变化，用于评估注入流体引起的地震危险性。Norbeck等［123］开发了一个基于流体流动和地震物理学的模型，将俄克拉何马州和堪萨斯州的部分地区流体注入历史与地震活动的观测结果联系起来，再现了历史地震序列的重要特征。Johann等［124］利用地表水库蓄水诱发地震的概念，建立了地下储层诱发地震（Underground Reservoir-Induced Seismicity，URIS）模型，考虑了注入地层的流体质量、作用基底表面的正应力、孔隙流体压力扩散，以及孔隙弹性耦合对孔隙流体压力和应力变化的贡献。

（3） 混合模型。把统计学方法与基于物理学的方法相结合的诱发地震预测模型称为混合模型。混合模型遵循工业活动的物理学描述，并使用诱发地震活动目录来约束岩石破裂后的地震事件特征［117］。Qin等［70］基于随机森林机器学习技术来预测俄克拉何马州的诱发地震活动率，其模型测试期间的输入特征包括：运行参数（注入速率和压力）、地质信息、模拟孔隙压力以及孔隙弹性应力。Langenbruch等［125］模拟了俄克拉何马州和堪萨斯州废水处理流体注入引起的孔隙压力的时空变化，在考虑孔隙压力、先存基底断层数量和应力状态的空间变化基础上提出了一种新的混合模型，预测了美国俄克拉何马州与堪萨斯州页岩气开采区域破坏性地震在空间和时间上发生的概率。

4.2 风险管控

“红绿灯”系统（Traffic Light System，TLS）是降低诱发地震风险的一种有效方法，当达到地震活动阈值时，降低注入压力或者速率；如果地震活动仍然增加，则暂停注入［126］。“红绿灯”系统最早由Bommer等［127］提出，并首次应用于中美洲萨尔瓦多东部柏林地热开发项目中。目前构建TLS的主要方式包括震级阈值方法、峰值地面速度（Peak Ground Velocity，PGV）阈值方法、量化的风险评估方法等［128-131］。TLS已被广泛用于干热岩和页岩油气开发等与注入流体过程有关的诱发性地震的风险管控中，在加拿大阿尔伯塔省、美国俄克拉何马州等地表现良好［132-133］。

2015年1月22日，在加拿大阿尔伯塔省中西部Fox Creek地区的HF井附近发生了ML4.4地震序列以后，阿尔伯塔省能源局（Alberta Energy Regulator，AER）制定并实施了一个红绿灯协议（Traffic Light Protocol，TLP）［134］。该协议要求Fox Creek地区的所有运营商建立地震监测阵列，能够在高频井5 km范围内探测ML≥2地震事件，如果出现2≤MLlt;4地震事件，就会触发黄灯，触发黄灯的运营商必须执行预先确定的缓解策略，以限制地震规模增加。如果触发ML≥4地震事件，则触发红灯，需要立即暂停注入作业。触发红灯后，操作人员必须提交他们记录的地震数据，并且在得到AER许可前不能恢复作业［132］。在AER制定并实施红绿灯协议后，Fox Creek地区又分别于2015年6月13日和2016年1月12日发生了两次红灯事件，在事件发生后，停止HF作业并在3 h内报告给AER，此后AER审批同意恢复生产，并在恢复运营后没有发生其他超过红灯阈值的地震事件［35，131-132，134］。俄克拉何马州监管机构在2016年推出了一个红绿灯系统，如果触发ML≥2.5的地震事件，运营商需要进行管控，在2018年调整为ML≥2.0，目前该州的黄灯阈值为ML2.0。红灯阈值为ML3.5，在红绿灯系统运行以后，不再出现因水力压裂或废水注入引起的破坏性地震［133］。

5 结论与展望

本文以加拿大、美国和中国为例，系统地整理和总结了前人关于页岩油气开发诱发地震的研究现状及进展，通过典型案例分析和总结了水力压裂、废水处理与诱发地震时空分布的关系，对页岩油气开发水力压裂诱发地震的3个不同的机理进行了深入讨论，最后总结了前人关于页岩油气开发诱发地震前瞻性预测的统计模型、物理模型和混合模型，并对“红绿灯”系统进行了详细介绍。主要取得了以下4点认识：

（1） 页岩油气开发过程中，高压水力压裂和废水处理是全球破坏性诱发地震频发的重要原因。近二十年来与页岩油气开发有关的破坏性地震主要发生在页岩气田的水力压裂井和废水处理井附近。在美国中东部大多数诱发地震的产生与废水处理有关，加拿大西部诱发地震活动主要由水力压裂引起；而在中国西南地区不同区域的诱因存在一定差异，重庆市荣昌地区废水回注是主要诱因，而在四川省长宁地区破坏性诱发地震的频发，要同时考虑页岩气开发水力压裂和盐场规模化注水采盐的影响。

（2） 水力压裂和废水回注期间井场附近微地震频率的增加是一种正常现象，有时流体注入停止后仍会持续一段时间。目前，普遍认为注水导致诱发地震的机制主要有静态库仑应力变化、孔隙弹性介质理论和流体压力扩散，及无震滑移这3种基本理论。静态库仑应力变化理论适用于直接和注水相关的液压作用导致的诱发地震，孔隙弹性介质理论和流体压力扩散常被用于解释远场地震的发生。

（3） 对页岩油气开发区域进行诱发地震前瞻性预测和风险管控措施能有效降低破坏性地震发生的可能性。在3类前瞻性预测模型中，统计模型可用于短期预测，但长期预测精度较低；物理模型可用于长期预测，但成本较高；混合模型结合了两者的优点，在美国中东部废水处理诱发地震预测的研究中都得到了成功验证。在加拿大西部和美国中西部建立的“红绿灯”系统有效降低了破坏性地震发生的风险，对我国西南地区页岩气开发具有重要的借鉴意义。

（4） 近年来中国西南地区由于页岩气开采，破坏性诱发地震频发，如荣昌ML5.1地震、兴文ML5.7地震，有学者认为长宁MS6.0也是由页岩气开发水力压裂引起的。目前中国尚未建立红绿灯管控系统，也缺乏相关地区诱发地震的前瞻性预测研究，应在页岩油气开发的井场附近建立完善的地震监测系统和红绿灯管控系统，加强前瞻性预测研究和地震风险评估，减少诱发地震的发生。

致谢：感谢北京大学蔡永恩教授和中国科学院大学周元泽教授的指导。

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（本文编辑：任 栋）