诱发地震：不可不知的潜在威胁

近些年来，位于美国中南部的俄克拉荷马州出现了一些极不寻常的事情。统计结果显示，该州发生的3级以上地震从2009年之前的每年1到2次增加到每天1到2次，数量增长了几百倍之多。地震活动为何突然增加？俄克拉荷马州地质调查局研究发现，这一切都可能与油田钻井工业废水注入地下密切相关，人类活动可能会诱发地震。

每月俄克拉何马州中部与西部废水回注量与诱发地震数量的结合图（源自：张捷等，《全球油气开采诱发地震的研究现状与对策》）

何为诱发地震？

我们知道，地震一般是指地球岩石圈内部岩石快速破裂或相互撞击而激发地震波，传播到地表，引起地表振动的自然现象。地震引起的灾害是最常见的自然灾害之一。地球上每年发生大大小小的地震约有500万次，平均每天超过1万次，其中99%以上都是我们人类感觉不到的微小地震，不会造成灾害。即使是一些震级较大的地震，由于其距离居住地很远，也不会造成灾害。地震主要有以下三种成因：

构造成因，这种地震又被称为构造地震。由于地球各个板块之间相互挤压，经过漫长的地质年代在板块边缘和内部逐渐积累了巨大的能量，当岩石不能承受这种压力时，就会突然发生错断或引发原有断层的错动，正如同我们用力折弯钢尺达到一定程度会突然折断一样。这种类型的地震分布最广，强度也最大，地球上约90%的地震都属于构造地震。

火山成因，即火山岩浆活动及喷发时引发应力变化，触发地震活动。火山地震强度较小，波及范围也小，只是在火山周围地区有较显著的影响，这种地震仅占地震总数的7%左右。

陷落成因，指地层突然塌陷产生巨大的冲击力而造成地震。主要发生在石灰岩发育的地区，岩石被地下水溶蚀形成巨大空洞，当空洞向下坍塌时就容易造成地震，一般而言直径在20米以上的土层或岩层塌陷坑的能量都足以形成1～2级的地震。此外，人们开采矿产资源后在地下遗留了大片的采空区，上覆岩层坍塌往往也能引起地震。但是，陷落成因的地震，震源深度很浅，影响范围小，破坏性不大，约占地震总数的3%左右。

还有一些较为罕见的地震，它们的成因与上述三种明显不同，其形成因素并非来自于地球内部，而是由外界因素导致，主要与人类工程活动有关，这就是所谓的诱发地震。地震学家经过长期的研究和总结，认为可能诱发地震的因素主要包括水库蓄水、地下采矿、向油田深井注水、深层地热资源开发、地下水开采、二氧化碳封存等，其中以水库诱发地震最为常见。

水库诱发地震

1931年，地震学家在希腊的马拉松水库大坝蓄水后监测到小规模地震；1932年，在阿尔及利亚的乌德福达大坝，也观测到地震现象。此后，世界各地不断发现有类似情况出现，水库诱发地震开始逐渐引起人们重视。其中，最为严重的一次发生在1967年12月11日的印度马哈拉施特拉邦的戈伊纳水库，震级为6.5级，造成180人死亡、1500多人受伤。有数据显示，自1962年开始蓄水之后这里发生的地震次数多达450次。

全球水库诱发地震强度统计（源自：常廷改、胡晓，《水库诱发地震研究进展》）

水库诱发地震的机理十分复杂，在学术界还存在许多争议。常见的观点是，由于水库地区地质构造原本就有发震的潜在因素或地应力积蓄，蓄水后改变了地应力条件和介质性质，改变了断层之间的摩擦力，所以导致地震发生。这种地震的主要特点为活动范围较小，震源浅、震级小，目前还没有超过6.5级的。目前，全世界已经建成的水库约有20万座，但已出现诱发地震的仅有一百多座，造成破坏的也仅有十余次。虽然水库诱发地震的概率非常小，但它对水库及大坝安全具有一定的威胁，引发的次生灾害更应成为防范的重点。

注水诱发地震

另外一种诱发地震的重要因素是向油田深井注水。美国科罗拉多州著名的Rangely 油田为了提高原油产量向深层注水加压，结果在1969年10月-1970年11月短短一年多的时间就观测到了上千次小规模地震。情况类似的俄克拉荷马州，由常规石油开采产生的大量废水被注入到底层沉积岩中，造成地震发生次数自2009年以来急剧增长，随着这一现象的愈发凸显，使得俄克拉何马州地质调查局在2015年4月改变了看法，不再认为这些地震是纯自然原因引起，而确信这是油田钻井工业废水注入地下造成的，甚至回过头来反思，将1952年发生该州埃尔里诺市的5.5级地震也与油田深井注水关联起来。

与油田深井注水具有一定相似性的是深层地热资源开发。2006年12月，瑞士巴塞尔的一个地热开采井钻至地下5000多米的干热岩深处，然后用高压注入一万多立方米的水，以提取地热能量，结果在随后几天内观测到上万次微震，其中包括一场里氏3.4级地震，虽未造成人员伤亡和建筑倒塌，但也引发了当地人的担忧。很多学者对地热开采是否真的会引发地震持否定态度，但也有人认为，地热浅井的安全性更好，应以较多的浅井取代4000米以上的深井，以降低因开发地热引发地震的可能性。

抽水诱发地震

地下水开采也可能诱发地震。2011年5月11日，西班牙南部城市洛尔卡发生5.1级地震，造成9人丧生、数十人受伤，大量建筑遭到严重破坏。在《自然-地球科学》期刊上发表的一篇研究报告指出，此次地震是由于当地长期过度抽取地下水而引发的。从1960年至2011年，洛尔卡市的地下水水位下降了250米，造成地壳应力发生改变并最终诱发了地震。

需要特别说明的是，在地球物理勘探工作领域，工程师们常用重锤、空气枪、炸药等作为人工震源激发地震波，也会产生地震现象，然后用检波器接收之后经处理分析，用于地质工程勘探、地壳结构探测等，但与天然地震相比，这种人工地震的震源能量非常小，不会造成灾害，所以算不上诱发地震的范畴。

尚未破解的科学难题

尽管与天然地震相比，诱发地震震源深度浅、震级较低，但诱发地震也能造成灾害，并且形成机制更为复杂，同样面临着难以做出准确预测的问题。

美国人工诱发2.5 级以上地震的分布（源自：冯锐，《趣味地震学（5）：诱发地震，远非那么简单》

2010年12月， 科学出版社编辑出版了《10000个科学难题》丛书，系统归纳、整理和汇集了目前尚未解决的科学难题，其中关于“人类活动能诱发地震吗？” 作为地球物理学研究领域面临的困惑之一名列其中。现在看来人类活动能够诱发地震早已不是未知的科学问题。诱发地震能够造成灾害也是不争的事实。但究竟哪些因素能够诱发地震，如何合理控制人类工程活动对地下岩石应力状态和物性的影响、有效减少诱发地震的发生，采取哪些防御措施能够避免诱发地震造成灾害，仍是摆在我们面前的重大研究课题。

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