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摘要: 绝大多数非常规油气资源的开发有赖于向地下注入大量的液体，这可能使附近断层活动从而诱发地震。在过去5年里，加速的油田注水已经导致北美部分地区的地震频率急剧增加。在美国中部，大多数诱发地震起因于与油气开采相伴生的废水的排放。形成对比的是，在加拿大西部，大多数最近的诱发地震在时间和空间上与水力压裂高度相关，在水力压裂过程中，为诱发局部岩石破裂，在钻井结束的过程中，高压液体被注入。并且，与水力压裂相关的观测到的最大地震震级似乎超越了预测的、经常引用的注入液体体积与最大期望震级之间的关系。这些发现对评估诱发地震危害具有深远的意义。
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图 1 西加拿大沉积盆地中的地震活动和井分布情况
（a）红色线勾绘的是研究区域，与西加拿大盆地的山麓区域平行。椭圆形区域是之前由于水力压裂、废水排放以及油气生产活动而诱发了地震活动的区域。红色/粉红色圆形区域显示的是与水力压裂井相关的矩震级大于等于3的地震活动情况。青绿色圆形区域显示的是与处理井相关的矩震级大于等于3的地震活动情况。橙色圆形区域显示的是与水力压裂井和处理井都相关的矩震级大于等于3的地震活动情况。背景中的小方块显示的是水力压裂井（深粉色）和处理井（青绿色）的位置。背景中稍远位置的灰色方块都是井。（b）从1985年开始统计至今的西加拿大沉积盆地中地震活动累积频率；本研究中西加拿大沉积盆地中的处理井和水力压裂井数量在图片顶端显示。很明显，美国中东部盆地中地震活动频率也存在类似的增长（参见底部图片；数据来自Ellsworth 2013年的结果）。Ellsworth研究中所使用的井信息无法获得，但是大部分活动都与废水排放有关。灰色线显示的是恒定地震频率下的预期数据（原图及电子版图为彩色）
图 2 达到水力压裂初次筛选标准并且在距离处理井20 km范围内的地震活动
由于这些地震活动和水力压裂时间窗具有时间关系，以及缺乏之前发生的距离处理井20 km范围内的地震数据，所以，以上地震活动在二次筛选后被确认与水力压裂井相关。红色点显示的是位于处理井20 km半径内、矩震级大于等于3且标注为水力压裂地震活动的时间及其强度（图右）。水力压裂时间窗为3个月（紫色柱状图）。图片中的标题所显示的日期表示附近的处理井组开始运行的时间（小数之前的数字）以及井的纬度和经度（小数之后的数字，在本案例中即为56.9°N，122.1°W）。蓝色直线显示的是累积灌注量/m3，青绿色直线显示的是月灌注量/m3（原图及电子版图为彩色）
图 3 达到水力压裂初次筛选标准但是在之后的2次筛选后被认为与排放相关的地震活动（红色点）
考虑到位于最近处理井组（蓝色方块）20 km半径内的其他地震活动（白色圆点），认为水力压裂时间窗内矩震级大于等于3的地震活动（红色圆点）的时间关系具有偶然性；灰色实心点显示的是没有出现在标注的处理井时间—距离范围中的附近的其他地震活动，但是这些地震活动可能与其他附近的处理井相关（更小的蓝色方块）。标题显示的是井的运营日期和地震活动位置（参见图2）（原图及电子版图为彩色）
图 4 净灌注量与地震矩震级之间的对比（左数轴是地震矩N·m，右数轴是对应的矩震级M）
通过不同机制观测出来的诱发地震与使用McGarrr[7]预测的最大矩震级之间进行对比（剪切模量G的假想值在20～40 GPa之间变化，如图中灰色条形显示）。之前研究中废水（蓝色三角形）、地热（黄色圆形）以及水力压裂（绿色菱形）的数据点都是通过文献[7]获取的。本研究中水力压裂由实心方块显示（红色至棕黄色），误差线表示净注入量的不确定性，从地震发生前一阶段的注入量（最小量）到地震发生前一个月内附近井完井的所有阶段注入量的总和（最大量）；鉴于来自其他机构对地震矩震级的不同估算，误差线也表示地震矩的不确定性；方块表示水力压裂诱发地震的矩震级和灌注量不确定范围的中心。选用的实例从下至上分别为：卡兹顿地震群[26]、2013年12月仙狐湾地震活动[27]、2014年7月16日以及30日的蒙特尼地震活动[22]、霍恩河盆地地震活动[21]、2015年1月仙狐湾地震活动[25]，以及2015年6月仙狐湾地震活动、2016年1月12日仙狐湾地震活动、2014年8月4日蒙特尼地震活动[22]和2015年8月17日蒙特尼地震活动[36]（原图及电子版图为彩色）
图 5 （a）地震活动附近的一些处理井（方形），地震活动依时间顺序用不同颜色标注。（b上）灌注量（例如，累积灌注量/m3以及月灌注量/m3）；（b下）1976—2015年中期的地震活动情况（原图及电子版图为彩色）
图 6 （a）显示周围地区有地震发生的处理井，红色圆圈表示可能与水力压裂井和处理井都相关的矩震级大于3的地震；（b上）显示废水灌注量（例如，累积灌注量/m3和月灌注量/m3）；（b下）1976—2015中期的地震活动情况。紫色垂直柱状图表示有相关可能性的水力压裂井（左图绿色大三角形所示）完井后3个月时间范围（原图及电子版图为彩色）
图 7 西加拿大沉积盆地中每年矩震级大于等于3的地震活动频率（蓝色柱状图）（a）与水力压裂有关；（b）与废水排放有关；（c）推测与地质构造相关
黑色直线表示的是累积量。粉红色方块表示的是每年每种类型的所观测到的最大矩震级。一些地震活动被划分成与处理井相关，但其中一些可能与油气生产活动相关。需要指出的是，2015年的信息只包括上半年的数据（原图及电子版图为彩色）
表 1 西加拿大沉积盆地中与井相关地震活动概况
排放 水力压裂 地质构造矩震级大于等于3级 1985—2015年间备选井数量 1 236 12 289 – 与矩震级M≥3地震相关的井数量 17 39 – 矩震级M≥3地震与井相关性比例 约1% 约0.3% – 1985—2009年间矩震级M≥3的数量 126* 13* 14 2010—2015年间矩震级M≥3的数量 33* 65* 7 2010—2015年间矩震级M≥3与井相关性比例 31% 62% 7% *这些总数中，每项都包含了与处理井和水力压裂井都相关的18次地震活动，其中8次出现在2010—2015年期间；在对相关性比例计算中，每次此类地震活动都按1/2进行计算。相关井和地震的目录参见本文第5节 
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