自2009年以来，美国中部和东部大部分地区中小地震数量显著增加，尤其是以非常规油气高产量著称的俄克拉荷马州的地震活动在大范围内急剧增加，引起广泛关注，这直接影响了正常的油气开发和地区生存环境的安全。针对上述地区的地震问题，2014年康纳尔大学的Keranen等在Science上撰文，建立了地震活动性和水文地质模型，研究了深部注入流体的压力传播范围及其触发地震的阈值压力，建立了深部废水回注与诱发地震理论上的联系；2015年，斯坦福大学的Walsh and Zoback在Science Advances上撰文，将俄克拉荷马州深部废水回注作业与地震发生的时间和空间上的关联性进行了统计分析。目前普遍认为，深部流体注入导致断层带内孔隙压力增大与（或）流体注入产生的孔隙弹性应力传递是导致断层失稳滑动的主要机制，但是断层以稳定的无震蠕滑形式发生，还是以非稳定破裂的地震形式发生，很大程度上取决于断层带的物质组成和加载条件。尽管人们对流体注入诱发地震的机理有了定性认识，但是对于俄克拉何马州废水注入引起的地震问题，由于缺乏地区基底岩石结构方面的研究，很难明确该地区地震发生的过程和机理。
为了研究这一问题，美国俄克拉荷马大学的Kolawole等研究了俄克拉荷马南部前寒武纪基底岩石出露区的断层和裂缝体系，以及地震活动区地下基底的断层结构特征，并通过实验确定了基岩的地震稳定性。研究结果首次证明了基底岩石结构与当前地震之间的联系，揭示了废水注入与更深的前寒武纪基底岩石之间的联系和地震震源深度的分布规律，从而解释了为什么俄克拉荷马州的基底断层很容易被废水注入激活，并导致广泛而强烈的地震活动，研究成果发表在近期的Nature Geoscience上。
图1 俄克拉荷马州地震与基底岩性。a. 2010-2017年俄克拉荷马州地震；红色圆圈代表地震震中；黑色细线代表断层；Mw>5.0事件震源机制解，绿色为2011年Mw 5.7 Prague地震, 紫色为2016年Mw 5.1 Fairview地震, 蓝色为2016年Mw5.8 Pawnee地震，橙色为2016年Mw 5.0 Cushing地震，黑色方块和白色星号表示指定图形的位置；b. 图a中标识的图1b区域特写，显示了重新定位的地震(红圈)的断层构造与之前所绘制的断层之间的差异；c. 美国大陆中部前寒武纪地层；d. 前寒武纪基底出露的近距离卫星图像 (Kolawole et al., 2019)
他们采用5种独立方法（断层和裂隙网络现场测绘、断裂系统卫星尺度制图、地下断层结构探测与制图、地震群线性构造划定及地震震源机制解节点面汇编），发现俄克拉何马州主要的基底构造和最近的地震特征存在显著的关系，在前寒武纪基底内存在一个以不连续带为主的构造组构，其走向为北东-南西和北西-南东(图2d)，这些已经存在的断层处于临界应力状态，当应力或孔隙压力扰动达到2 MPa或更小时，可能被重新激活。
通过基岩断层结构地震三维地震结构的研究,他们发现基岩断层切入了上部的Arbuckle地层（俄克拉荷马州废水处理的主要地层）和浅部地层(图2c)，这个流体运移通道的存在是注水快速触发地震的重要组成部分。
图2 三维地震数据及结构数据。a、b.基于三维地震测量的地下结构地震探测结果，在图1a(白星)所示的位置，显示了顶部基底(a)和顶部Arbuckle (b)的时间结构图相似，曲率和能量比值也相似，黑色箭头表示在a和b中检测到的线性构造特征；白色箭头表示仅在b中检测到线性构造（断层带）；c. 地震剖面沿A –A’(在a中) 叠加解释；d. 卫星尺度裂缝、露头尺度裂缝、地震断层的频率-方位玫瑰图叠加图和焦平面机制解节点平面，箭头表示俄克拉何马州估计的最大水平压应力(SHmax)方向 (Kolawole et al., 2019)
图3 俄克拉荷马州地震稳定性和地震的深度分布。a. 俄克拉荷马州基底岩石样品的地震稳定性，用速率-状态-摩擦参数(a-b) 表示，符号表示速度步长平均值，误差条表示各实验样品的取值范围和深度。金色和黑色虚线分别表示纯方解石和Westerly花岗岩的数据；b. 2010年至2017年期间俄克拉荷马州不同深度地震(本研究)数量的直方图和累积矩 (Kolawole et al., 2019)
此外，该研究通过俄克拉荷马基底岩石和热液蚀变产物的岩石力学研究发现，这些岩石在3-6 km的深度条件(温度、压力和饱和度)下变得不稳定(图3)，由这些岩石组成的断层带，可能在>3 km深处形成地震破裂而非蠕变滑动。这种向不稳定滑移的过渡很好地解释了震中和地震矩集中在3–6 km处的原因（图3），也解释了注水较少诱发3 km以内地震的原因。
主要参考文献
Kolawole F, Johnston C S, Morgan C B, et al. The susceptibility of Oklahoma’s basement to seismic reactivation[J]. Nature Geoscience, 2019, 12(10): 839-844.（链接）
Keranen K M, Weingarten M, Abers G A, et al. Sharp increase in central Oklahoma seismicity since 2008 induced by massive wastewater injection[J]. Science, 2014, 345(6195): 448-451.（链接）
Walsh F R, Zoback M D. Oklahoma’s recent earthquakes and saltwater disposal[J]. Science Advances, 2015, 1(5): e1500195.（链接）
（撰稿：赵海军/页岩气与工程室）
