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2024 , Vol. 39 >Issue 6: 2188 - 2206

DOI: https://doi.org/10.6038/pg2024HH0330

Typical characteristics and progress in studies of the fluid injection-induced earthquake

  • Na ZHANG , 1, 2 ,
  • LianQing ZHOU 3 ,
  • ZhiHeng LI 4 ,
  • ZengPing WEN , 1, *
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  • 1 Institute of Geophysics, China Eaerthquake Administration, Beijing 100081, China
  • 2 Shanxi Earthquake Agency, Taiyuan 030000, China
  • 3 Institute of Earthquke Forecasting, China Eaerthquake Administration, Beijing 100036, China
  • 4 Shandong Earthquake Agency, Jinan 250014, China

Received date: 2023-08-31

  Online published: 2025-01-14

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Copyright ©2024 Progress in Geophysics. All rights reserved.
Fold

Abstract

In recent years, large-scale global development of the shale gas, geothermal and other energy resources has led to a large number of seismic activities in some energy exploitation areas, which have caused great social impact. This has sparked the attention of experts and academics, extensive research has been carried out and a large number of reviews have been published. This paper focuses on the fluid injection-induced earthquake caused by three typical fluid injection activities, namely wastewater reinjection, hydraulic fracturing and enhanced geothermal system.Through a large number of literature research, the author comprehensively analyzed the research status and progress of the fluid injection-induced seismic activities, summarized the spatio-temporal characteristics of fluid injection-induced seismicies, and combed the research progress of source parameters and source mechanism solutions, stress and its changes, fluid injection-induced seismic prediction and risk management and control.After comprehensive analysis, We find that: 1.Seismicity induced by fluid injection is closely related to industrial operations in time, most of which occur during injection operation and peak seismic rate during injection operation. 2.The spatial distribution of fluid injection-induced seismicity correlates with the location of the operating wells, the depth of the operating reservoir and the distribution of pre-existing faults in the area. It mainly shows the characteristics of near well hole, shallow depth, and induced earthqukes cluster along the pre-existing faults. 3.The source parameters of some fluid injection induced earthquake, such as small stress drop and non-double force component of the source mechanism solution, but whether the source parameters and the non-double couple component of the source mechanism solution are still controversial as an indicator to identify induced earthquakes. 4.The stress study of fluid injection induced earthquakes can determine the regional stress field of induced earthquakes, evaluate the stress state of pre-existing faults, and simulate the change of pore pressure to determine the seismic mechanism of induced seismic activity.5.Although some understanding of the relevant research on induced seismic activity has been obtained, further case studies and richer theoretical studies are needed to determine the seismic mechanism and characteristics of the fluid injection induced earthquake.

Key words： Water disposal; Hydraulic fracturing; Enhanced geothermal system

Cite this article

Na ZHANG , LianQing ZHOU , ZhiHeng LI , ZengPing WEN . Typical characteristics and progress in studies of the fluid injection-induced earthquake[J]. Progress in Geophysics, 2024 , 39(6) : 2188 -2206 . DOI: 10.6038/pg2024HH0330

0 引言

近年来，由于能源短缺而在全球范围内兴起了广泛的能源开发活动，伴随工业活动频发的地震活动也已成为公众关注的重要话题.随着地震监测能力的提升，已经观测到大量工业活动与地震活动有关；这些活动涉及到水库蓄水、采矿、与碳氢化合物开采有关的地下流体、水力压裂页岩气开采、废水注入、碳氢化合物储存作业、CO2地质封存、增强型地热系统(EGS)等(Grigoli et al., 2017).特别是在进行井下作业的工业设施附近发生的有感地震，对建筑造成的破坏，甚至带来的生命财产损失，增加了公众对实施这些工业活动的担忧.由于公众舆论的压力，频发的地震活动还有可能迫使工业开采活动暂停而造成较大的经济损失.例如，瑞士的巴塞尔增强地热开发造成小地震频繁发生，导致该项目终止，造成严重的投资损失和持续的赔偿诉讼(Ellsworth, 2013)；四川盆地荣县在2019年发生3次4级以上地震之后，造成2人丧生和多数农房开裂和坍塌，荣县境内的所有压裂活动都被迫中断了数周, 部分已钻好的井也可能被永久放弃, 经济损失巨大(雷兴林等，2020).因此，诱发地震活动的研究对于评估是否可以控制工业活动引起的地震危害，以及更好地了解诱发地震潜在的发生机制，进而平衡安全生产与地震风险都具有重要意义.
诱发地震从广义上讲是指由人类活动引发的地震事件，目前分为诱发和触发地震两类.诱发地震(induced earthquake)指其应变直接由外来应力或孔隙压力变化所导致发生的地震(Li et al., 2007; 张捷等，2021).这种情况下就将诱发地震理解为完全受控于人类活动引起的应力变化，整个破裂过程包括其大小都是由这种应力驱动的，是一种纯诱发的状态(Dahm et al., 2013; Grigoli et al., 2017).而触发地震(triggered earthquake)是指由工业活动较小的应力扰动而引起正在孕育的地震的提前发生，引起触发地震的外界扰动可能很小(Hough et al., 2003；张捷等，2021).对于触发地震而言所处区域的构造应力起主要作用，人类活动对应力变化产生很小的扰动，从而导致加载断层失稳发生地震.在这种情况下，人类活动是地震发生的触发因素(Dahm et al., 2013; Grigoli et al., 2017).本文延续当前学术领域的习惯(雷兴林等，2020；张捷等，2021)，将上述人类进行工业活动导致的地震统称为诱发地震.Grigoli等(2017)根据诱发地震产生的工业活动将其分类为：水库蓄水、地下水抽取、矿山开采、碳氢化合物开采、与流体注入有关的工业开采活动、爆炸等活动有关的诱发地震.Doglioni (2018)根据诱发机制不同将诱发地震大致分为：重力地震、废水或者天然气回注地震、水力压裂诱发以及荷载地震.本文重点关注由三类最常见流体注入相关工业活动而产生的诱发地震包括：废水回注、水力压裂开采、增强型地热系统等，其作业目标及作业方式如表 1所示.
表1 与诱发地震相关的流体注入过程(改自Atkinson et al., 2020)

Table 1 The fluid injection process associated with induced earthquakes(modified from Atkinson et al., 2020)

工业活动 目的 典型的注水方式 作业储层
废水回注 将废(盐)水注入现有透水地层进行处置 用于注入废(盐)水的单口直井 可渗透储层，岩石能够快速摄取和传递注入的流体(如石灰岩).
水力压裂 在富烃源岩中创造新的裂缝，以改进开采 在水平井或垂直井注入水或者支撑剂 低渗透率的高有机质含量烃源岩(油、气、凝析油, 如页岩)
增强型地热系统 在地热发电过程中，为两个井之间的水循环创造/增强渗透途径 直井，在井间进行流体循环 低渗透热源，防止流体泄漏(如花岗岩)
人类工业活动导致的地震，一般认为都是外部因素改变了断层面的应力状态从而诱发地震，如水库蓄水因增加断层荷载或者改变孔隙压产生地震，废水回注因增大孔隙压力而产生地震(Doglioni, 2018; 张捷等，2021).关于流体注入诱发地震的发生机制，目前有3种获得广泛认可的诱发机制(Eyre et al., 2019), 如图 1所示：(1)流体注入导致断层带内的孔隙压力增加从而减少断层的有效正应力诱发地震.这种机制产生的条件是：在断层系统和注水层之间存在水文压力裂隙或者通道，直接或间接的实现流体传输；(2)水力压裂缝隙之间的孔弹效应引起的应力变化而造成的断层荷载条件发生改变，重新活化产生地震.这种机制可能不存在水力压裂的联通就可以改变断层的加载条件，所诱发的地震事件相对较小；(3)孔隙压驱动的无震滑动诱发地震.这种情况下无震滑动的传播速度大于流体扩散的速度，气藏(注水)在断层孕震区很远的位置.关于本文讨论的所有诱发地震活动都是基于这三种机制而展开.
图1 流体注入诱发地震的三种诱发机制(引自张捷等, 2021)

Fig 1 Three main mechanisms of the fluid injection induced earthquakes(modified from Zhang et al., 2021)

关于诱发地震活动，国内外学者从不同角度分析撰写了多篇综述文章(Grigoli et al., 2017; Foulger et al., 2018; Doglioni, 2018; Atkinson et al., 2020; Schultz et al., 2020; 雷兴林等, 2020; 来贵娟等，2019；邱宇等，2019；张捷等, 2021；姜丛等, 2021, 2022a, b；尹欣欣等，2021; 黄元敏等，2023；王尧等，2023).Grigoli等(2017)以欧洲发生的诱发地震活动为例从诱发地震的监测、与天然地震的区分以及如何风险管控进行了综述；Foulger等(2018)基于构建的全球人类诱发地震数据库HiQuake，综述了全球范围内所有类型的诱发地震活动并分析了诱发地震活动是否具有共同点、产生诱发地震活动的机制以及如何进行风险管控等；Doglioni (2018)以诱发地震分类为主要内容进行了综述；Schultz等(2020)对全球不同地区记录的水力压裂诱发地震活动进行综述，分析了这些水力压力诱发地震的共同点以及可能的诱发机制；Atkinson等(2020)从水力压裂诱发地震活动的诱发机制、地质环境与诱发地震活动之间的关系、诱发地震和天然地震的异同等方面进行了综述；雷兴林等(2020)综合分析了四川盆地内部天然地震以及与注水有关的地震活动的特征和破坏性诱发地震的发生条件.张捷等(2021)总结了基于地震学、地质动力学、构造地质学的多种分析方法的几个典型地区的诱发地震活动研究及进展.不同于其他综述，本文重点关注废水回注、水力压裂、增强型地热系统三类典型流体注入诱发地震活动研究，尝试总结流体注入诱发地震的活动特征，为相关科研人员系统全面了解与流体注入诱发地震活动特征提供参考.本文在第一节整理了流体注入诱发地震活动的研究现状与进展，第二节至第四节归纳总结流体注入诱发地震活动的典型时空特征，流体注入诱发地震震源参数、应力等方面的现有研究与进展；最后通过对流体注入诱发地震典型特征、研究进展进行讨论总结，为认识诱发地震活动特征提供参考.

1 流体注入诱发地震研究现状与进展

1.1 废水回注诱发地震

通常伴随油气生产会产生大量的原生盐水，将石油开采过程中产生的废盐水(经过处理)回注到地下的方式是现在开采行业普遍采用的废水回注方式之一.2009年在全球范围内产生的废盐水超过700亿桶，其中美国生产了210亿桶(Yazdan et al., 2020).因此在废水回注主要区域——美国俄克拉荷马州(图 2)，废水注入诱发地震被频繁观测到(Ellsworth, 2013; Keranen et al., 2013; Walsh and Zoback, 2015; Qin et al., 2019).废水注入诱发地震活动部分也主要以该区域地震活动研究为主.据统计，美国俄克拉荷马州大部分油井的产水量远大于产油量(Yazdan et al., 2020).2009年之前，美国俄克拉荷马州的背景地震速率为每年两次M3.0以上地震，2010年之后，随着该区域注水速率的增加，地震活动率开始显著增加，在2015—2016年达到高峰(2015年901个和2016年619个M3.0以上地震), 之后随着废水注入量的减少开始显著降低(Qin et al., 2019).这引起了专业领域内学者们的关注并开展了不同角度的研究.Llenos和Michael (2013)对俄克拉荷马州截至2013年的地震活动进行了传染型余震序列模型(ETAS)分析认为该区域背景地震活动、ETAS模型参数的变化反映了该区域地震触发模式的变化，认为可以将ETAS模型分析作为区分诱发地震和天然地震的一种方法.Keranen等(2013)分析了该区域2011年发生的MW5.7地震序列，认为在流体注入18年之后，净流体体积的增加降低了储层边界断层的有效应力而引发了此次地震.Keranen等(2014)分析了2009—2013年该区域诱发地震活动并建立了水文地质模型，模拟结果显示流体压力扰动在同一深度范围内传播，可以传播到35 km.Walsh和Zoback(2015)通过统计分析2009年以来的累积地震数量与废水注水速率的关系发现伴随着废水回注率的增加，地震数目呈5~10倍的增加且集中发生在三个区域；并提出一个简单的诱发地震演化模型，即废水回注显著增加了阿武克尔组的孔隙压力，随着时间的推移孔隙压力向远离注入井的方向扩散，最终在基底临界应力断层上触发滑动，由此解释该区域一直以来的高废水回注量直至2009年才开始丛集地震活动的发生.Langenbruch和Zoback(2016)通过分析2009至2016年9月间地震活动的分布，在考虑引入了地震注水速率影响的G-R关系得到了该区域的修正G-R关系模型和遵循泊松过程的年概率超越模型的对震级发生概率的估算，最后在该区域建立了一种新的地震危险性模型.Skoumal等(2018)应用模板匹配方法对2008年10月16日至2016年12月31日期间俄克拉荷马州所有编目地震生成了新的地震目录，定量分析了废水回注井和诱发地震发生的关系同时进行了孔隙压力建模.以上大量的研究表明俄克拉荷马州的废水主要注入阿巴克尔群(Arbuckle G-Roup)地层，这一地层与下面的结晶基底构造相连通，孔隙度大、渗透率高，因而废水回注量的增加导致阿巴克尔群地层孔隙压力增强并传播到较远较深的地方，引发深层基底的已有断层发生滑动(张捷等，2021)，导致该区域的地震发生(2011年MW5.7).
图2 美国Oklahoma州地区废水回注与地震活动分布(改自Langenbruch and Zoback., 2016; 张捷等，2021)

背景颜色显示了俄克拉荷马州不同地区2009年至2015年12月期间注入废水累积体积(m3).黑色圆圈代表(1979—2008年的地震活动，灰色圆圈代表2009—2016- 09地震活动.彩色五角星代表几次M≥4.5地震活动.

Fig 2 Waste saltwater disposal and earthquakes in Oklahoma (modified from Langenbruch and Zoback, 2016; Zhang et al., 2021)

The background color shows the cumulative volume (m3) of saltwater injected into the Arbuckle formation between 2009 and December 2015 in different areas of Oklahoma. Black circles are earthquakes from 1979—2008, Gray circles are earthquakes from 2009—2016.09. Colored stars show the locations of M≥4.5 earthquakes.

在中国的四川盆地，已进行了长期的废水回注并伴随诱发地震的发生.杜芳等(2002)研究表明在四川宜宾孔滩背斜发生的M5.4地震序列与该区域废盐水回注活动存在时间相关性，认为该地震序列是废水回注诱发产生的.张致伟等(2012)研究发现自贡地区地震活动在废水加压注水阶段, 活动明性显增强, 其频次、强度与注水量呈现较好的相关性.Lei等(2013)研究发现四川盆地的黄家场气田于2009年1月9日开始常规高压回注废水，同时观测到地震活动显著增加，且地震活动分布与该区域的先存共轭断层分布一致，深度分布在2.5~4 km范围内的石灰岩地层内.王小龙等(2011)研究表明荣昌地区的地震活动与废水回注导致的断层重新活动有关.Wang Z W等(2020)研究了荣昌页岩气田在停止废水注入前后的地震活动，包括大地震所需的超压和各种统计特征在内.结果表明，废水注入停止之后的地震活动与注水期间的地震活动诱发机制相似，废水回注是该区域地震活动产生的主要因素.

1.2 水力压裂开采诱发地震

水力压裂法是一种用于开采石油和页岩气等资源的方法，主要是针对埋藏较深、渗透性较低的石油和天然气储层.在水力压裂过程中，水和沙子、化学添加剂的混合物通过操作井在高压下注入岩层增加了岩层的渗透性(Ellsworth, 2013; Yazdan et al., 2020)以开采岩层中的石油或天然气，但在水力压裂过程中可能会诱发地震.目前，水力压裂诱发地震活动主要发生在加拿大、美国俄克拉荷马州以及四川盆地等地(Skoumal et al., 2018).加拿大页岩气资源丰富，主要分布于不列颠哥伦比亚省、阿尔伯塔省、新不伦瑞克省和魁北克省等省份，是全球第二大页岩油气资源开采国家.加拿大主要采用水力压裂技术进行非常规油气开采，在2010年至2015年期间地震活动速率和水压致裂操作井数量均急剧上升，超过一半的M≥3地震活动在时间和空间上都发生在水力压裂作业井场附近，表明该区域诱发地震与水力压裂活动密切相关(Atkinson et al., 2016;Wang et al., 2016; Schultz et al., 2017, 2018; Yu et al., 2019).2013年12月1日加拿大阿尔伯塔省中部Fox Creek镇以西30 km的Crooked Lake附近出现了一个新的地震序列，在此之前该区域地震活动平静(图 3).Schultz等(2017)对该序列进行互相关检测，发现其时空丛集性分布与水力压裂操作密切相关，认为水力压裂是诱发该区域地震原因.Atkinson等(2016)定量统计分析了加拿大西沉积盆地的地震活动性与该区域操作井之间的时空关系，发现虽然诱发地震活动的井占较小的比例，但与M≥3诱发地震有关的水力压裂操作井可达到62%.Schultz等(2018)致力于研究水力压裂操作期间的注入压力、速率和体积对Duvernay play区域诱发地震发生的影响，分析认为诱发地震与大注入体积(104~105 m3)操作井的完井有关，且地震速率的增加正比于注入体积的增加.Zhang等(2022)基于机器学习对阿尔伯塔省的一个加密台阵记录的连续观测数据进行微震识别得到高精度地震目录并分析了诱发地震活动的时空演化，分析认为阿尔伯塔省的地震可能是由液体注入产生的孔隙流体压力和地震引起的扰动应力场共同诱发产生.关于加拿大的水力压裂诱发地震更多的学者聚焦该区域诱发地震的发震机制(张捷等，2021)：孔隙压力的扩散(Schultz et al., 2017)、孔隙弹性应力的改变(Clerc et al., 2016)以及二者共同作用的影响(Mahani et al., 2017).在俄克拉荷马州，如1.1节所述大量研究表明该区域诱发地震活动伴随废水回注产生，也有学者认为诱发地震活动由水力压裂操作产生，如Skoumal等(2018)定量分了该区域诱发地震活动与水力压裂操作井的时空相关性，发现在划定的16个研究区域里，均有≥75%的诱发地震与水力压裂井有关.
图3 加拿大Duvernay Play地区地震活动的空间和时间分布(改自Schultz et al., 2017；张捷等，2021)

(a)浅紫色区域为Duvernay Play区域，灰色圆圈代表地震活动，CLS虚线框为the Crooked Lake序列；
(b)虚线框内100 km内大于2.5级的地震累计次数.

Fig 3 Spatial and temporal distribution of seismic activity in Duvernay Play, Canada (modified from Schultz et al., 2017; Zhang et al., 2021)

(a) Purple area shows the Duvernay Formation, the gray circles show the seismicity, CLS dashed lines show the the Crooked Lake Sequences;
(b) Cumulative number of earthquakes greater than magnitude 2.5 within 100 km of Crooked Lake.

在中国四川盆地随着页岩气开采的发展也观测到了微震活动增加的现象.如长宁上罗页岩气区块(长宁示范区块)于2014年12月开始规模化压裂，与此同时观测到地震活动显著增加(雷兴林等, 2020).Lei等(2017)研究了1980—2017年1月上罗页岩气开采区的诱发地震活动，ETAS分析结果显示该区域有87%的余震可能是外来流体进入断层引发的，该区域b值为0.9，震源机制解结果显示没有非双力偶分量，地震深度显示为分布在页岩气储层之下.Lei等(2019a)通过对长宁区块2016—2018年的地震活动进行ETAS分析、震源机制解以及流体超压估算和库伦失稳应力计算，分析认为两个地震均由水力压裂诱发而产生.Lei等(2019b)在长宁区块综合研究了1970—2019年该区域的地震活动，研究认为上罗页岩气地区观测到的地震活动是由水力压裂引起的先存断层的重新活动造成的，长宁的地震活动是由于深井注水采盐引起的.Meng等(2019)使用长宁页岩气开采区2015—2017年加密台站记录的地震数据，通过分析发现地震活动与注采活动的时间紧密相关，重定位结果显示地震深度位于5 km之内，分析认为注采诱发了地震活动.Tan等(2020)对有详细注入数据的一个页岩气生产井附近的地震活动进行研究，发现观测到的地震和水力压裂操作之间存在明显的时空相关性；地震聚集在页岩储层之下并与低速异常有关，推测地震更有可能是由先存断层因注水重新活动引起的.Zuo等(2020)在长宁—兴文地区开展的地震层析成像分析，结果表明建武向斜地区的地震活动与水力压裂引起的断层活化有关.刘莎和郑钰(2022)研究长宁地区地壳各向异性发现离散的剪切波分裂参数以及较高的各向异性强度，可能与该区域页岩气开采压裂高压注水到页岩气地层，从而改变了岩体和断层的应力状态引起应力环境的改变有关.Tan等(2023)使用长宁页岩气开采区2019年1月至12月间观测到的地震数据，开展地震层析成像及地震活动性的研究，发现流体扩散产生介质的S波速度下降或VP/VS升高的现象，而该区域诱发地震活动多发生在这些区域.Sheng等(2022)则在威远地区基于机器学习的方法构建了高精度地震目录，确定威远地区地震活动的b值，通过流体孔隙扩散率分析了整个序列随时间的迁移过程，进而得出该区域断层区充当流体通道促进这些地震发生的结论.

1.3 增强型地热系统诱发地震

增强型地热系统(EGS)是干热岩开采的主要方式，即通过水力压裂等储层刺激手段将地下深部低孔、低渗岩体改造成具有较高渗透性的人工地热储层，从而采出热能并加以利用(许天福等，2018).在建立人工地热储层的过程中，由于水力压裂造缝受到地应力控制、开发场地深部复杂的构造以及压裂过程中其他的不可控因素影响较多(尹欣欣等，2021)，因此为了准确控制裂缝的延伸方向，在EGS项目中通常会采用微震监测、数值模拟等方法来实时监测地热储层的裂隙结构和走向；EGS项目通常能直接观测到水力压裂操作期间产生的微震地震活动，目前也已积累了大量关于EGS项目诱发的微震活动的研究成果.针对美国Coso项目，Julian等(2010)研究发现注水压裂期间，微震活动丛集发生且其展布方向与井附近先存断层的走向基本一致.Cladouhos等(2016)发现美国Newberry项目的诱发地震活动，水平方向集中分布在井附近100~200 m的范围内，同时分析得到2014年的水力压裂操作期间诱发地震事件的b值约为1，根据地震活动发生的时间和迁移距离拟合的水力扩散系数约为0.006 m2/s.许天福等(2018)总结Raft River场地的微震事件沿着该区域的断层发展，说明原先地层中的先存断层结构会影响到水力压裂制造储层的效果.在法国，Soultz项目中的三口井(GPK2、GPK3、GPK4)在水力压裂过程中显示出不同的诱发地震活动性，其中GPK3更容易产生震级更大的诱发地震事件.Dorbath等(2009)计算GPK2、GPK3水力压裂产生的诱发地震活动b值分别为1.23和0.94，认为与GPK3井相交的断裂带在注水过程中活化而产生的这种差异.Cuenot等(2010)通过分析GPK2、GPK3井闭井循环实验数据发现，两个井水压致裂的压力存在一个阈值，高于阈值就会有诱发地震活动产生.Rittershoffen项目中观测到该井场的地震活动主要集中发生在井GRT1压裂期间，地震活动集中在GRT1井底附近(Maurer et al., 2015)；微震活动所反应的震源机制与该区域应力场、地断层优势分布方位相同(Lengliné et al., 2017).在欧洲，瑞士Basel项目水力压裂期间监测诱发大量微震活动，并在压裂停止后发生了ML3.4最终导致项目被叫停.Herrmann等(2019)通过构建一个高精度的地震目录，分析Basel项目不同时间段的完备性震级、b值随时间的变化，发现这些参数的变化能够反应注水操作.在德国Bad Urach项目则观测到微震活动发生在注水压裂期间且分布在井口附近500 m的范围内.在亚洲，日本Ogachi项目注水压裂期间观测到1553个微震事件，空间分布在井南向250 m和北向700 m范围内(Kaieda et al., 2010).韩国浦项(Pohang)项目(图 4)，自注水压裂以来观测到密集的地震活动，而且在停止注水操作之后仍然发生了MW5.5地震事件，研究认为水力压裂活动是产生这次地震活动的主要原因(Grigoli et al., 2017；Kim et al., 2018；Yeo et al., 2020).
图4 诱发地震活动典型空间分布图(修改自Kim et al., 2018)

(a)Pohang序列主震(红色五角星)、前震(红色圆)，震后3 h的余震(黑色空心圆)分布.绿色正方形为水力压裂操作井台.蓝色三角形为地震台.红色海滩球代表了主震的震源机制.黑色海滩球表示代表性余震的震源机制解；
(b)沿X-X′剖面; (c)沿Y-Y′剖面.PX1和PX2分别表示生产井和注水井.

Fig 4 Typical spatial distribution of induced seismicity (modified from Kim et al., 2018)

(a)Epicenters of foreshocks (red circles), mainshock (red star), and aftershocks (black open circles) recorded in the first 3 hours after the mainshock. The location of the Pochang EGS is indicated by a green square. Blue triangles represent the seismic stations. The red beach ball represents the source mechanism of the mainshock. Black beach balls show the focal mechanism solutions of the aftershocks;
(b) Along the X-X′ section; (c) Along the Y-Y′ section. PX1 and PX2 denote production and injection wells, respectively.

2 流体注入诱发地震活动性典型特征

2.1 典型时间分布特征

本文将流体注入诱发地震活动的典型时间分布特征研究归纳为定性分析和定量分析两种.定性分析显示流体注入诱发地震的时间相关性体现为：一般伴随着工业注水活动(废水回注和水力压裂)注水量的增加，诱发地震活动速率会有明显的增加.如2010年开始，在俄克拉荷马州观测到的诱发地震活动伴废水回注的增加显著增加(图 5)，在2010—2015年期间加拿大诱发地震活动速率随着水力压裂注水增加显著增加.对大量注水诱发地震活动进行统计，发现注水操作期间地震活动增加最快(Schultz et al., 2018; Lei et al., 2017; Yu et al., 2019).Schultz等(2018)统计各地的诱发地震活动与水力压裂井场的关系，发现90%以上的诱发地震活动发生在注水操作期间，震级最大的诱发地震活动也在此期间产生.同样的现象在四川盆也可以观测到，如图 6所示长宁页岩气区块N5井场附近的地震活动发生时间与水力压裂操作时间紧密相关(Tan et al., 2020).但在增强型地热系统也有观测到注水期间并未产生有感诱发地震活动的现象. 如德国(Landu)EGS项目在2005—2006年期间进行注水压裂，在注入速率为190 L/s和井口压力为13.5 MPa的情况下，未引发有感地震(Evans et al., 2012).同样的在德国(G-Roschnebeck)的EGS项目、澳大利亚库珀盆地(CoperBasin)的Jolokia地热田(Baisch et al., 2015)、日本肘折(Hijiori)EGS项目在注水期间都没有观测到有感诱发地震产生的现象(尹欣欣等，2021).Baisch等(2015)认为在注水操作期间没有发生有感地震与该区域缺少大规模断层分布有关.但是，在诱发地震活动的结束时间一般在水力压裂注水操作结束之后，也有地震活动开始活跃的案例，这种现象称为滞后效应.例如在韩国浦项的EGS项目在压裂关井后的2个月后发生了最大的MW5.5地震(Yeo et al., 2020).
图5 1975年至2020年美国中大陆3级以上地震次数的演变

数据来自USGS的ANSS目录(2017).统计数据显示，由于向美国俄克拉荷马州的Arbuckle地层注入大量废水，地震次数急剧增加.这个数字是Rubinstein和Mahani(2015)和Ellsworth(2013)的更新版本.图改自 https://eos.org/editors-vox/understanding-and-anticipating-induced-seismicity.

Fig 5 Evolution of the number of earthquakes of a magnitude greater than 3 between 1975 and 2020 in mid-continental USA

The data comes from the ANSS catalogue of USGS (2017). The statistics show the dramatic increase of the number of earthquakes attributed to the injection of significant amounts of wastewater into the Arbuckle formation in Oklahoma, USA. This figure is an update of versions by Rubinstein and Mahani (2015) and Ellsworth (2013)(modified from https://eos.org/editors-vox/understanding-and-anticipating-induced-seismicity).

图6 中国长宁页岩气区块N5、N7井区地震活动和水力压裂操作的时间的关系(图改自Tan et al., 2020)

插图显示了水压致裂(黑色虚线框)前10天记录到的地震.彩色矩形表示N5井水力压裂的不同阶段.

Fig 6 Timing of the earthquakes and hydraulic fracturing stimulation at the studied well pads (modified from Tan et al., 2020)

The inset shows the earthquakes recorded in the first 10 days of hydraulic fracturing (black dashed box). The colored rectangles denote the different phases of the fracturing process at the well pad N5.

为了更精确的描述流体注入诱发地震活动的时间规律，一些学者致力于诱发地震活动时间特征的定量研究.关于时间的定量描述参数归一化时间参数CV=δdt/dt，其中δdt为时间的标准差，dt为平均时间间隔.CV为1说明地震发生属于泊松分布，大于1代表地震事件活动时间丛集性高(Kagan and Jackson, 1991).如Wang等(2023)发现一水力压裂井附近地震活动的CV约为2，是一个中等型的丛集序列.Skoumal等(2018)通过定义ΔEQrate(对于定义的时间窗内诱发地震的活动速率)，对俄克拉荷马州的废水回注和水力裂井进行分析定义时间窗口T=7天为约束条件，发现在此窗长内发生的诱发地震活动与注水井的操作有关.同时流体注入诱发地震活动以序列为主要特点，有明显的从集性(Skoumal et al., 2018; Atkinson et al., 2020)，这与诱发地震活动的产生机制，注水井场所在区域先存断层被重新激活而产生地震活动有关.Skoumal等(2018)将俄克拉荷马州的诱发地震分为16个区域，研究发现水力压裂诱发地震活动随着时间推移有重复发生的特征，重复间隔为几个月或几个星期，持续时间为一周左右.
综上分析，流体注入诱发地震活动的时间特征可总结为：发生与注水操作时间(操作井场的位置、注水时间、注水速率等)相关，大多数诱发地震活动发生在注水操作期间，注水诱发地震活动也多以丛集性特征出现，但也因水力压裂井所处的区域地质构造概况、断层活化状态具体的时间分布特征不同，存在诱发地震活动发生在注水操作之后的滞后效应.部分水力压裂诱发地震活动有时还存在周期性特征.

2.2 典型空间分布特征

大量研究表明，注水诱发地震活动的定位(重定位)结果显示大多数诱发地震活动与所在井场中的井孔位置相关，诱发地震活动水平方向分布在井孔附近，深度一般较浅，这与注水的目标储层深度有关(Atkinson et al., 2015, 2016; Schultz et al., 2015; Skoumal et al., 2015; Walsh and Zoback, 2015; Meng et al., 2019; Lei et al., 2017, 2019a, b)，如图 7所示.如在增强型地热系统，注水期间观测到的诱发地震活动多集中在井场附近几百米的范围内，也观测到微震活动沿着井场附近先存断层方向分布的现象(Julian et al., 2010; Cladouhos et al., 2016; Kaieda et al., 2010).通常近井场(水平井附近2 km以内，目标储层上下几百米)诱发地震活动是在将流体注入透水性较差的压裂储层过程中阻碍流体扩散而产生的(时间范围为几周或几个月)，远离井场的则是由于流体注入之后引发的应力/应力扰动使得该区域基底存在的先存断层重新激活产生(时间不确定).Meng等(2019)对长宁页岩气区块YS108的H7, H8井的8天注水周期内发生的诱发地震活动进行重定位，结果显示该区域大多数ML ≥3级诱发地震发生位置位于水力压裂期间的白云岩层中，震源深度通常在2.5~4.0 km之间，略浅于基底岩石的顶部.Atkinson等(2020)指出俄克拉荷马州的诱发地震活动水平展布在水平井附近的1~2 km范围内，深度分布在目标储层上下的几百米范围内，但也存在远井场(几公里范围内)记录到诱发地震活动的现象.而诱发地震空间丛集特征则与井场内的先存断层结构有明显的关系.在俄克拉荷马州、加拿大、四川盆地等发生的大量注水诱发地震活动序列的定位结果均能很好的刻画先存断层的几何展布.例如Qin等(2019)对俄克拉荷马州的诱发地震活动簇使用主成份分析法获得了诱发地震活动刻画的断层几何形态(走向、倾向)基本与其他学者调研(Keranen et al., 2013; Yeck et al., 2016)得到的该区域先存断层的几何形态一致(图 8).
图7 诱发地震活动典型空间分布图

以四川盆地2017- 01 -12—19期间由水力压裂引起的H7井附近地区的地震活动分布特征为例(引自Meng et al., 2019). (a)水平方向的分布；(b)垂直方向的分布.其中不同颜色代表不同发震时间段，圆表示地震活动，其大小代表着震级的大小；橙色线代表水力压裂井深，灰色代表基底深度.

Fig 7 Typical spatial distribution of induced seismicity

The distribution characteristics of seismic activity in the vicinity of well H7 caused by hydraulic fracturing during 2017- 01 -12—19 in Sichuan Basin (modified from Meng et al., 2019). (a) Horizontal distribution; (b) Vertical distribution. Among them, different colors represent different seismic times, circles represent seismicity and are scaled on the basis of magnitude; The orange line represents the depth of the hydraulic fracturing well, and the gray line represents the crystalline basement rocks.

图8 基于俄克拉荷马州和堪萨斯州南部的诱发地震活动重定位结果刻画的断层分布(改自Qin et al., 2019)

(a)地震丛以及所刻画断层分布.彩色代表有10个及以上地震事件的地震簇，黑色短线代表了30个及以上的事件刻画的断层.黄色五角星代表俄克拉荷马州4次M≥5地震的位置；(b)显示了研究区域的位置；(c)图(a)断层走向分布直方图；(d)图(a)断层倾角分布直方图.

Fig 8 Mapped faults in Oklahoma and Southern Kansas based on the induced earthquake relocations (modified from Qin et al., 2019)

(a)Earthquake clusters and mapped faults. colored dots represent the cluster with 10 and more events. the short black lines show the faults mapped from 30 and more events. Yellow stars show the location of four M≥5 earthquakes in Oklahoma; (b)The location of the study area; (c)Histogram of strike of faults in(a); (d)Histogram of dip of faults in(a).

综上，流体注入诱发地震活动空间分布特征主要受到诱发地震活动发震机制、区域构造背景(先存断层)以及操作井的位置、流体注入深度等综合因素的影响.因此诱发地震活动的水平分布、深度分布都与操作井的位置、作业储层的深度以及该区域先存断层的分布综合相关，主要特征呈现近井孔、深度较浅，丛集的诱发地震活动簇沿先存断层分布.

2.3 典型震级特征

诱发地震活动震级与其是否可能造成经济财产损失直接相关，注水诱发地震震级特征也是学者最为关注的科研问题之一.目前有关与诱发地震震级特征展开的分析主要有：(1)基于古登堡和里克特(Gutenberg & Richter, 简称G-R)关系的震级分布特征分析；(2)基于地震发生指数的震级分布特征；(3)基于注入体积的最大震级估算.
G-R关系即logN(M)=a-bM，其中N表示地震数目，M表示地震震级，a和b分别是线性拟合截距和斜率.G-R关系是一种地震活动震级分布的基本统计描述(Gutenberg and Richter, 1944)，通常情况下通过观测数据计算得到的b值以推测该区域大地震发生的数目，诱发地震活动与构造地震活动一样一般也遵循G-R关系(Atkinson et al., 2020).
应用G-R分析的流体注入诱发地震活动b值存在一定分布规律，注入过程中的地震活动性表现为较低的事件震级(MW < 0.0)和较高的b值(通常约为2)，但在工业操作结束后会恢复到更典型的天然地震活动性的b值(约1)(Eaton et al., 2014; Maxwell et al., 2009; Wessels et al., 2011).高b值是由于水力压裂期间直接产生破裂发生微震，而低b值则与发生在先存断层的微震活动对应.Atkinson等(2020)认为注水点附近由孔隙压作用扰动直接诱发地震活动的b值在2左右，但大部分研究显示对于包含M>3诱发地活动的序列b值在1左右.
对于给定注水操作诱发地震活动的G-R关系，Shapiro等(2010), Dinske和Shapiro(2013)提出地震发生指数(Σ)将给定量级的事件数与注入量联系起来，进而计算未来流体注入V的情况下诱发地震的震级大于M发生的概率.如公式所示(Dinske and Shapiro, 2013)：
$\log 10^{N_{\geqslant M(t)}}=\log 10^{V_{1\mathtt{t}}}-b M+\mathit{\Sigma}, $
其中V1t代表累积注入量.该公式成立的有效假设为一个区域的b值和发震指数是一个常数.地震指数考虑了注入体积对诱发地震活动的影响.通常情况下地震发生指数越大，发生大于给定震级的地震概率就越大.如表 2所示Dinske和Shapiro(2013)根据少数增强型地热系统的注入参数计算得到: -10＜Σ < 0.5;Langenbruch和Zoback (2016)根据此公式计算得到俄克拉荷马州Σ中部为-0.47，西部为-0.63；Lei等(2017)根据此公式计算得到上罗页岩气开采区的N4和Y7井场的Σ分别为-1.11和-1.66.
表2 根据不同场地的流体注入总结得到的孕震指数(改自Dinske and Shapiro, 2013)

Table 2 Summary of the seismogenic indices of the fluid injection at different sites (modified from Dinske and Shapiro, 2013)

场地位置 注水时间体积/m3 地震数量 震级 b Σ
Basel (SUI) 5.5 days 10, 800 2313 1.0 1.65 0.4±0.1
Cooper Basin (AUS) 9 days 14600 2834 0.0 0.75 -0.95±0.05
Ogachi (JP)1991 11 days 10100 1504 -2.0 0.74 -2.65±0.1
Ogachi (JP)1993 16 days 20700 762 -1.2 0.81 -3.2±0.3
Soultz (FR)1993 16 days 25900 9550 -1.0 1.38 -2.0±0.1
Soultz (FR)1995 11 days 28500 3950 -1.2 2.18 -3.8±0.1
Soultz (FR)1996 48 h 13500 3325 -1.2 1.77 -3.1±0.3
Soultz (FR)2000 6 days 23400 6405 0.6 1.1 -0.5±0.1
Miscellaneous KTB (GER) 9 h 86 54 -1.3 0.93 -1.65±0.1
KTB (GER)2004/2005 223 days 64130 2405 -1.0 1.1 -4.2±0.3
Paradox Valley (USA) 1050 days 1.7*106 2566 1.0 0.98 -2.6±0.1
BarnettShale (USA) 6 days 2840 844 -3.0 2.86 -9.25±0.05
Cotton Valley (USA) A 2.5 h 1020 628 -2.1 2.67 -6.25±0.05
Cotton Valley (USA) B 2.5 h 950 888 -1.8 2.16 -4.42±0.02
Cotton Valley (USA) 2.5 h 333 369 -2.0 4.12 -9.42±0.06
McGarr (2014)提出一个关于矩震级与注入流体总量的估计：M0(max)=GΔV，其中G为拉梅弹性参数，ΔV代表流体注入的体积.该公式被应用于注水诱发地震最大震级的估算(图 9).Atkinson等(2016)对加拿大西部的诱发地震事件分析表明水力压裂诱发事件的最大量级与累积注入量的测量方式有关，与使用诱发地震事件发生前的注入体积相比，采用工业操作(截至事件发生时)的所有阶段累积注入总量可能更合理，从而可以得出在此关系范围内的最大震级分布.Meng等(2019)根据长宁区块的累积注入量，应用上述关系初估最大震级上限为4.8~4.9，和实际发生的MW4.7较为接近(Lei et al., 2017).而Schultz等(2018)在加拿大Duvernay地区的研究显示该区域与水力压裂有关的事件的最大观测震级可能超过此关系的预测.
图9 最大震级(矩张量)与注入流体总量的关系估算(改自McGarr，2014)

其中不同符号代表不同工业活动获得的数据.

Fig 9 Estimation of the relationship between the maximum magnitude (moment tensor) and the total amount of injected fluid(modified from McGarr, 2014)

The different symbols represent data obtained from different industrial activities.

综上，流体注入诱发地震活动的震级特征比较复杂，基于G-R关系得到的b值分布特征，由于b值本身受到多种因素的影响如与孔隙压相关的流体注入体积、流体压力的非均匀性、地质条件的非均匀性，计算方法、震级标度等(详见姜丛等，2022a).目前只得到关于诱发地震活动b值特征的简单共识，b值较大(约2)反应直接孔隙压作用产生微震活动，b值较小(约1)则与先存断层活化有关.而考虑流体注入的孕震指数评估震级发生概率基于b值计算，依赖于b值的变化.考虑流体注入体积的最大震级估算则是一种简单的关于震级大小估算方法，需要在考虑选取的注入量体积计算的前提下，为最大震级提供一个参考值.未来关于诱发地震震级特征仍需要进一步的研究.

3 流体注入诱发地震震源参数特征及应力研究进展

震源参数是理解地震破裂过程的基本参数.因此大量有关流体注入诱发地震的震源参数研究旨在确定诱发地震和构造地震震源之间可能存在的差异(Pennington et al., 2021; Roth et al., 2022).应力降即地震前后断层剪应力的差值，是一个表征震源过程的基本参数.目前诱发地震的应力降计算方法主要包括直接采用谱拟合方法求取震源参数、利用小震级事件作为经验格林函数提高拐角频率和标量地震矩测量精度，以及利用谱叠加和广义反演方法对多台站多事件同时计算震源参数(姜丛等, 2022b).有研究表明(Abercrombie and Leary, 1993；Hua et al., 2015)对于诱发地震，受流体参与的影响同等震级地震的应力降比构造地震小一个数量级，可作为识别诱发地震的指标(左可桢, 2021).如姜丛等(2022b)综合多个流体注入诱发地震案例，发现对于多数震级在1.5~4.0的诱发地震，平均应力降分布在0.03~7 MPa，主要分布在1.0~7 MPa，远低于全球天然地震的应力降(1~100 MPa).但也有大量研究结果表明诱发地震和所处区域的构造地震的应力降相似，即处于同一数量级，并不能将应力降作为识别诱发地震的一个指标.如在美国中东部研究发现诱发地震和构造地震的应力降值在同一数量级上(Ellsworth, 2013; Huang et al., 2016).在西加拿大盆地的阿尔伯塔省和不列颠哥伦比亚省东北部已有研究表明诱发事件和构造事件之间具有类似的应力降值(Clerc et al., 2016; Zhang et al., 2016; Wang B et al., 2020).最近研究如：Pennington等(2021)对加拿大Prague序列使用多种方法得到的应力降结果显示，该序列的应力降结果与该区域构造地震的应力降结果一致.Roth等(2022)最新的研究结果表明在Kiskatinaw区域研究表明应力降随着诱发地震的震级大小恒定缩放，大小在1~10 MPa，这与其他学者在此区域获得的结果一致.姜丛等(2022b)综合分析大量诱发地震应力降还发现诱发地震应力降存在水力压裂井近端范围的数值较低、远端范围的数值较高的现象.与天然地震的应力降研究结果显示深度相关性不同，现有的诱发地震应力降是否有深度相关性仍存在争议.而诱发地震活动应力降研究所存在的争议，除了与研究方法对流体注入诱发地震活动应力降研究带来影响有关之外(Pennington et al., 2021), 还与应力降的计算涉及地质构造、震源模型、地震矩以及台站的选取等多种因素有关(Yu et al., 2020).
天然地震点源破裂机制可以用双力偶模型描述，不符合这个模型的事件则体现为矩张量解中的非双力偶分量，如在核爆破中可以观测到非双力偶分量的存在(张捷等，2021).因此有研究尝试通过反演计算矩张量解并分析其中非双力偶尝试区分诱发地震与构造地震.Zhang等(2016)通过对比分析加拿大地区诱发地震与天然地震的震源地震矩张量反演结果发现诱发地震存在不可忽视的非双力偶分量.戴坤等(2023)研究长宁序列发现主震及大部分强余震均有明显的非双力偶成分，认为流体作用对该序列的发生产生了重要影响.但Wang等(2016)分析了与Zhang等(2016)相同的数据却没有发现明显的非双力偶分量，Roth等(2022)分析Kiskatinaw区域诱发地震活动获得的结果与Wang等(2016)相似，该区域诱发地震活动没有明显的非双力偶分量.张捷等(2021)认为这种差异可能来源于反演地震矩张量方法不同.同时美国地质调查局(USGS)地震目录显示80%以上的天然地震都有较大的非双力偶分量，一般认为主要是由于理论震源模型对于中强地震过于简化的原因(Wang R J et al., 2020; Wang Z W et al., 2020；张捷等，2021).目前关于诱发地震是否可以通过非双力偶分量确定仍需进一步研究.
基于流体注入诱发地震的三种诱发机制，先存断层的应力变化或者流体注入产生孔隙压的变化是产生诱发地震的直接原因，因而应力研究有助于我们理解诱发地震活动的发震机理.目前研究诱发地震活动应力及其变化主要涉及三个方面的研究：(1)基于诱发地震活动的震源机制解反演诱发地震所发生的区域应力场，然后分析评估断层和诱发地震活动之间的关系.(2)基于库伦破裂准则，利用应力莫尔圆推侧断层的临界应力状态估算孔隙压.(3)基于已知注水参数(注水井的位置、注水速率、体积等)通过数值模拟评估该区域注水引起的孔隙压变化.流体注入诱发地震应力及其变化研究已在美国俄克拉荷马地区大量开展.如：Alt和Zoback (2017)结合震源机制解和钻孔测量数据反演了该区域的应力场，该区域SHmax结果显示俄克拉荷马中部主要以走滑断层为主，但北部主要以走滑型正断或者正断层为主; 断层方位与诱发地震活动的发生有关，与俄克拉荷马州污水注入有关的MW>5事件发生在与背景应力方向一致的平面上.Qin等(2019)在累积大量的震源机制解的基础上了获得了俄克拉荷马州高分辨率的应力分布图，基于三维莫尔圆评估发现该区域78%的断层处于临界应力状态，流体易于触发地震活动的产生；同时得到的该区域孔隙压的变化，虽与Langenbruch等(2018)模拟了该区域注水产生的孔隙压在深度上的变化不同，但研究结果均反映俄克拉荷马州孔隙压对诱发地震活动存在促进作用.Kettlety等(2019)分析HRB区域的应力分布与诱发地震活动关系发现，该区域来自注水井附近小事件的累积应力传递似乎对附近断层的重新活动没有起到明显作用，进一步说明弹性应力变化不是显著的驱动因素，需要与加压流体相互作用才能产生断层失稳.在四川长宁地区，Lei等(2017)的数值模拟结果显示水力压裂在致裂区间以外由孔弹性效应产生的应力变化一般远小于1 Ma，进而分析确定该区域诱发地震产生机制为流体超压力驱动已存在断层的再活化.Lei等(2019 a, b)计算发现区域MW≥3.5地震事件所需流体超压力为0.3~5.8 MPa.在增强型地热系统中，Evans等(2012)通过调查欧洲的EGS项目的目标岩层应力状态，认为大部分项目的储层的岩体处于一个临界应力状态，一旦开始流体注入随之产生的微小应力扰动就足以诱发地震活动.
综上所述，流体注入诱发地震活动应力降的特征、震源机制的非双力偶分量是否可以作为一个识别诱发地震指标仍然存在争议.这些争议主要来源于流体注入诱发地震的特殊机制、研究方法所基于的理论模型等因素影响.但研究表明诱发地震活动的应力降可能与该区域深部断层活化有关(Picozzi et al., 2017)，而低应力降可能反应断层软弱带或断层-流体的相互作用(Chen and Shearer, 2013)；因此震源参数、震源机制研究仍作为揭示流体诱发地震机制的重要手段.流体注入诱发地震应力及其变化研究是探究诱发地震活动机制的直接手段，通过应力及其变化的分析计算，可以确定流体注入在诱发地震活动的作用，进一步确定流体诱发地震的发震机制.

4 流体注入诱发地震预测研究进展

对具有破坏性的较大诱发地震实现预测，是减轻流体注入诱发地震的重要途径.诱发地震的预测结果可应用于开采的场地风险评估、压裂增产和开采过程中的交通灯系统等.目前关于诱发地震预测的研究主要是关于最大震级的预测，参考尹欣欣等(2021)的研究结果将流体注入诱发地震预测的研究方法归纳为4种：
(1) 基于统计模型的预测方法.统计预测的方法主要利用记录到的诱发地震事件目录，利用统计学的方法进行未来诱发地震活动预测，预测诱发地震活动的统计方法来源于统计地震学(Gaucher et al., 2015).最初主要使用G-R关系或加入修正参数的G-R关系来预测注水后期的诱发地震活动(Shapiro et al., 2010).之后Dinske和Shapiro (2013)提出了考虑注入参数的孕震指数作为预测参数，预期已知注入体积的情况下后续诱发地震的数量.考虑到诱发地震活动时间分布规律，也有统计模型引入了修正的Omori公式(Utsu, 1961)和传染型余震序列模型(Ogata, 1988).Bachmann等(2011)在研究中发现基于传染型余震序列模型并考虑了流体注速率的预测模型是最佳模型.对于诱发地震活动最大震级的确定，McGarr (2014)分析得到了最大震级与净注入体积(ΔV)之间的线性关系，可用来估计诱发地震的地震矩上限.当前预测最大诱发地震震级的方法主要是将注入流体的体积视为主要控制因素.但总的来说这些方法在预测地震方面并不成功，其中2017年韩国浦项地震就是预测失败的案例(Shapiro et al., 2021).Shapiro等(2021)通过分析诱发地震的历史案例，发现诱发地震最大震级与从流体注入开始到地震发生所经过时间的对数成比例，并提出了预测诱发地震最大震级的替代方法：通过监测孕震指数实时监测假定诱发地震最大震级的超越概率，该指数表征每单位注入体积的流体诱发地震活动强度.
(2) 基于物理模型的预测方法.基于物理模型预测的方法主要涉及到模拟流体注入引起的储层物理变化，模型一般会考虑空间和时间的应力变化、断层破坏准则和破裂动力学、热传导和对流等(尹欣欣等，2021).基于这些物理因素，形成了大量相关数值模拟研究即各类地质力学-数值模型, 如基于应力(Shapiro et al., 1997; Rothert and Shapiro, 2003)的模型.Shapiro等(1997)提出将水力压裂过程中诱发的地震活动前锋的传播拟合为孔隙压力扰动在等效介质中的扩散.Dempsey和Suckale(2017)使用贝叶斯方法计算关键模型参数的概率分布，该方法将诱发地震观测与非均匀泊松过程结合起来.Galis等(2017)利用破裂物理学来解释破裂在应力扰动区域之外的传播，建立了量化的物理模型来估计由孔隙压力扰动引起的最大破裂尺度.
(3) 混合物理统计模型的预测方法.Mena等(2013)在Bachmann等(2011)统计模型的基础上增加了基于孔压扩散的诱发地震活动模型，研究结果显示两种的混合模型效果比单一模型的效果要好.Langenbruch等(2018)提出了基于水文地质建模和考虑注水影响的修正G-R关系相结合的混合物理统计模型，该模型的主控因素是流体注入引发的应力增加速率.Zhai等(2019)提出了结合多孔弹性建模和地震成核模型来预测诱发地震活动.
(4) 基于机器学习的预测方法.随着机器学习在地震研究中的应用越来越广泛，基于机器学习的预测方法也逐渐开展.如Qin等(2022)对俄克拉荷马州所有能获取的地质参数与工业注水参数使用机器学习方法随机森林回归模型预测该区域注水地震活动，并发现主要影响诱发地震活动的因素是与应力有关的参数.Li等(2023)使用西加拿大水力压力数据使用机器学习方法直接预测诱发地震的最大震级，使用另一种加入物理约束的机器学习方法预测诱发地震速率，进而推测最大震级.两种方法对比发现直接机器学习方法可以从先前的诱发地震活动模式中学习，以提供准确的预测，但存在时间滞后；而基于物理约束的机器学习方法则准确地预测了地震活动速率的变化，在震级预测方面会出现误差.
岩石实验表明，流体压力的不均匀引发局部滑动向前传播，并导致应力转移远离至注水点，使得准确预测断层活化和破裂的阈值压力变得困难，同时表明减缓或停止注水不一定能阻碍断层活化(Passelègue et al., 2018)，因此诱发地震预测依然是挑战性非常大的工作.目前世界范围内诱发地震风险管控主要通过交通灯系统(Grigoli et al., 2017)来实现，诱发地震预测的研究结果也是交通灯系统的主要输入参数.目前已发展了基于不同决策变量包括地震震级、地震峰值加速度、b值，注入参数，量化的风险评估方法以及其他参数(如基于物理模型，适用于周期性软压裂或采用风险指标等)等的经典交通灯系统(邱宇等，2019；姜丛等，2021)和自适应交通灯系统(Wiemer et al., 2017).然而由于交通灯系统的决策变量来源于诱发地震活动自身的活动特征，而诱发活动受到工业注水活动和具体的所处区域的地质构造等因素的影响，同时流体注入与诱发地震时间的相关性也不完全相同，如注水活动停止后仍有些地区可观测到发生了较大的诱发地震活动(如过去欧洲项目的失败，如巴塞尔、布莱克浦、圣保罗等)，因此现阶段还没有一种可以克服所有因素而设计的交通灯系统进行风险管控.

5 讨论与结论

全球范围内已发现大量由工业活动导致的诱发地震活动，其中较大震级的诱发地震活动造成了较大的生命财产损失，并给工业活动区的居民生活带来困扰，因此诱发地震活动已成为公众关注的重要话题.本文总结了流体注入诱发地震活动的研究现状与进展，归纳总结了流体注入诱发地震活动所具有的典型时间、空间、震级分布特征，并通过总结注入诱发地震活动震源参数以及震源机制解、应力及其变化、诱发地震活动预测等方面的研究进展，主要得到了以下几点认识：
(1) 流体注入诱发地震活动的发震机制是一个重要议题，由于机制的不确定性，流体注入诱发地震活动的特征也不明确.基于大量的研究目前发现了一些注水与诱发地震时空分布特征的规律.时间上：诱发地震发生速率的峰值在注水操作期间，其中大多数诱发地震活动发生在注水操作期间.空间上：诱发地震活动分布呈现近井孔、深度较浅，丛集的诱发地震活动簇沿先存断层分布等特征.但也存在不满足这一规律的案例.同时诱发地震活动有着明显的丛集性，已观测到多个震群波形相似(Skoumal et al., 2018; Schultz et al., 2020).由于诱发地震受到区域构造背景(先存断层)以及操作井的位置、流体注入深度等综合因素的影响，其具体时空分布复杂也存在不满足这些规律的案例.
(2) 现阶段由于原理方法的局限、观测数据的质量以及不明确的诱发地震发震机制，流体注入诱发地震活动的震源参数以及震源机制解的非双力偶分量是否作为一个识别诱发地震的指标仍存在争议；但震源参数、震源机制解仍是研究诱发地震发震过程的直接参数.
(3) 通过基于诱发地震活动的震源机制解反演诱发地震所发生的区域应力场，可以评估先存断层的应力状态、模拟孔隙压的变化，然后分析评估断层、诱发地震活动之间的关系.因此流体注入诱发地震的应力研究有助于我们确定诱发地震活动的发震机制、机理.
(4) 由于诱发地震震级特征来源于G-R关系、地震孕震指数、最大震级估算等统计理论，虽然诱发地震的最大震级预测经过基于统计学方法、基于物理模型、基于机器学习方法以及这些方法的综合取得了一些认识与研究进展，但对于诱发地震活动的震级预测研究仍需要丰富理论研究.
(5) 综上，不同地区的流体注入诱发地震活动的地质构造背景、应力状态、注水操作参数等存在很大差异，目前虽然诱发地震活动的相关研究取得了一些进展与认识，但仍需要进一步的案例分析以及更丰富的理论研究，以确定其发震机理和活动特征.

感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！

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