全球干热岩资源开发诱发地震活动和灾害风险管控

干热岩地热资源作为一种绿色可再生的新型能源,其开发利用已成为当前世界各国尤其是发达国家能源战略的重要组成部分.但由于干热岩位于地壳浅部3～10 km,在采用增强型地热系统(EGS)等通用开发方式过程中,伴随着地壳应力状态的扰动,部分开采项目发生较大震级的诱发地震事件,甚至造成明显灾害、引起社会问题,亟待实现科学利用和风险管控.鉴于此问题在平衡能源开发战略和社会安全领域的重要性和关键性,本文梳理了全球干热岩开采诱发地震的总体情况、典型案例,整理了在成因和机理研究、地震灾害风险管控和缓解等方面的研究进展.综合分析结果表明,已有EGS项目案例中诱发地震震级超过3.0的达到31.2％、主要与断层活化有关,最大的诱发地震可发生在注水压裂、关井后、循环生产等各阶段.干热岩开采诱发地震有多种成因,已有案例多为多种成因共同作用,其中的关井后的尾随效应是目前重大难点.目前世界各国已开展了广泛的诱发地震机理研究并探索多种减灾措施,认为累积注水体积、注水速率与最大诱发震级之间不存在普适性的定标关系,前瞻性预测需要采用"一井一策"的方式.在缓解诱发地震灾害风险上,普遍采用科学的流体注入策略、对注采策略进行验证校准、持续开展地震活动监测等系列措施.此外,对储层的临界应力状态和应力时空演化的量化描述、地热储层内的先存断层与裂缝的探测识别、可有效管控地震发生的流体注入策略等,是当前干热岩资源开发减轻地震风险的主要技术难点,而利用地热储层实时感知信息技术、采用新的注入热交换载体、发展前瞻性的地震预测方法是该领域目前重点关注的技术方向.根据我国的干热岩资源开发和减轻地震灾害风险的实际情况,亟待建立开采场地安全性和灾害风险评价、多学科的地震监测网络和分析技术、地震灾害风险管控红绿灯系统等技术体系,并加强关井后的尾随现象、多场耦合等科学问题的基础研究.     

不同注水方式下断层动力学响应数值模拟研究

工业开采注水能导致现存断层活化,从而诱发大量的破坏型地震。因此,研究注水作用下断层的动力学响应对探索诱发地震的力学机理具有重要的意义。本文基于孔弹性弹簧-滑块模型,采用多孔介质弹性耦合数值模拟,计算分析了三类典型注水方式（上升型、迅速上升/下降型和间歇型）对断层稳定性的影响。研究结果表明:随着流体的不断注入,断层内部流体压力会经过缓慢上升、迅速上升和稳定上升三个阶段。针对于不同的注水方式,这三个阶段并不完全相同,体现形式存在差异;在注水方式相同的条件下,储层的渗透率越小,井口附近流体压力越大,断层处流体压力越小,两者间的流体压力差值越大;注水过程中断层临界刚度的变化与是否发生滑移并引发地震密切相关,数值越大越易诱发地震,其数值与注入储层流体的流体压力呈负相关,与流体压力变化率呈正相关;临界刚度由于流体压力变化率的增加在前期呈现快速增长趋势,后期则是由于流体压力的影响开始减小。迅速上升/下降型注水方式极大增加了注水前期诱发地震的可能性,间歇性注水方式在注水后期引起的临界刚度变化值较大,增大了诱发地震的可能性。该研究可以为注水诱发地震的危险性评价提供定量的科学依据。      

以形变观测为约束的芦山M_S7.0地震孕震机理数值模拟研究

本文以2013年4月20日芦山MS7.0地震前后在震中附近开展的形变观测研究结果为约束,利用震区天然地震成像、大地电磁测深、人工地震探测剖面、余震精确定位、震源破裂过程、地质考察、GPS观测、构造应力场等结果,建立了芦山地震震中及邻近地区的深浅部构造二维有限元数值模型,探讨了青藏高原向东挤出运动、区域地形特征、地壳内低速带和滑脱面、震区主要断裂带活动等可能因素对芦山地震孕育和破裂的控制作用.模拟结果显示,汶川地震后的青藏高原东部物质相对四川盆地运动速率增大是引发或加快芦山地震发生的主要动力学控制因素,龙门山断裂带西侧上中地壳内部低速带和滑脱面的存在是控制芦山地震震源位置的重要条件,其他因素则是控制龙门山断裂带长时间尺度区域构造活动的动力学因素;同时本文给出了主震破裂为复杂"y"型双破裂面的同震位移,模拟计算的地表垂直位移与观测结果一致,进一步支持了余震精确定位提出的主震为"y"型破裂面的推测.     

基于InSAR地表形变约束的玛多MS7.4地震孕育发生机理数值模拟研究

2021年5月22日在青海玛多发生MS7.4 地震,此次地震造成了严重的地表破坏.本文通过合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术得到了 Sentinel-1 升、降轨同震地表形变、东西方向和垂直方向的同震形变场.并根据东西向地表的错动,勾画出了地震破裂面分段结构.以 InSAR地表形变观测为约束,构建了能反映玛多地震破裂特点的三维黏弹性有限元模型,模拟得到了玛多地震的三维同震形变及应力场变化和演化特征,讨论了玛多地震的成因及玛多地震的发生对周边断层的影响.结果显示:玛多地震为典型的左旋走滑型地震,其中东部错动量相对较大;玛多地震的余震都分布在库仑应力升高的影区,说明玛多地震序列使得断层上积累的应变得到了充分的释放,未来余震的发生会朝西南和东北方向发展.玛多地震的发生形成了多个应力强加载区,推测玛多地震的发生大大增加了部分临近断裂带滑动的可能.2010年玉树 7.3 级地震引起的库仑应力变化在玛多地震主破裂面上的投影为正数,推测玉树地震对玛多地震具有促进作用.研究结果可以为大震后的余震分布判断提供定量参考依据.     

川滇地块东边界中南段构造应力分布特征与历史强震活动关系的数值模拟

本文以构造应力场观测结果、 岩石圈流变特性为约束, 采用摩擦接触单元反映断裂带空间分段特征, 以最接近真实地下环境的非线性黏弹性材料为模型的本构关系, 建立包括安宁河—则木河—小江断裂带的三维有限元模型, 模拟在速度边界条件和重力势能等动力因素共同作用下的断裂带应力分布特性. 研究结果表明, 模拟得到的断裂带现今构造应力场与地震活动有明显的对应关系, 应力比较集中的区域, 如石棉、 西昌、 巧家、 东川附近, 极有可能是未来的地震危险区域.      

ADINA前后处理的二次开发及在地球动力学数值模拟的应用

对ADINA的前后处理进行二次开发,采用Fortran语言编写ADINA非线性有限元软件前后处理系统接口软件包,同时研制打分程序,定量判断计算和观测的GPS数据和最大主压应力的相符程度。ADINA前后处理的二次开发,提高ADINA的使用效率和进行地球动力学数值实验的效率,具有必要性和现实意义。     

地球动力学问题的数值模拟研究——以青藏高原现今隆升研究为例

以青藏高原地区为研究对象,考虑活动地块分区和主要断裂带,建立能反映地表起伏和分层结构的岩石圈三维粘弹性有限元模型。选取合适的模型参数、边界条件和加载条件进行计算,模拟了青藏高原地区的现今垂直隆升速率。研究表明,印度板块对欧亚板块的向北推挤作用是高原隆升的主要动力源。下地壳和岩石圈上地幔在印度板块的向北推挤下不断增厚,从而维持青藏高原地区现今的持续隆升状态。     

斜长石、辉石混合模型的电导率有限元数值计算研究

以岩石实验中矿物的几何形态及空间分布为建模依据，以实验条件及单矿物电导率的测量结果为约束条件，用有限元数值方法模拟了不同微观结构的斜长石、辉石混合物在施加电压后电势及电流的分布情况，并计算了混合模型在不同温度条件下的电导率.研究结果显示，数值模型网格数及矿物颗粒数的选取对电导率计算结果的精度有较大影响，在体导电情况下，模型电导率因矿物比例含量和排列结构而异.当斜长石及辉石随机分布时，随着辉石含量的增加，混合模型电导率在不同温度下均有所增加，且温度越高，增加幅度越大，电导率的有限元模拟计算结果接近于有效介质渗透理论模型，且位于并、串联模型之间以及HS模型的上、下边界范围内；在斜长石及辉石含量一定的情况下，各矿物的排列分布对电导率计算结果也有一定的影响，当矿物颗粒大小接近且分布均匀时，模型中电势沿电流传导方向变化较为均匀，模拟计算得出的电导率相对较高，当矿物颗粒大小差别较大及分布不均匀时，电势分布受到一定的扰动，电导率计算结果也较低.将混合模型电导率有限元计算结果与辉长岩、辉绿岩及玄武岩实验测量结果进行比较，显示这3种岩石样品电导率与温度变化关系的斜率均与混合模型计算结果的斜率相接近，表明这些岩石在所选温度段导电机制与斜长石、辉石混合模型相似，用斜长石、辉石混合模型的电导率研究玄武岩、辉长岩及辉绿岩的导电性具有适用性.将混合模型有限元计算结果与玄武岩、辉长岩、辉绿岩覆盖区地壳大地电磁实测结果对比，发现大地电磁电导率结果位于混合模型计算结果范围内，用斜长石、辉石混合模型模拟玄武岩、辉长岩等岩石地壳具有一定的可行性.     

地幔对流拖曳力影响青藏高原东北缘地壳运动格局的数值模拟研究

基于近期关于青藏高原东北缘岩石圈速度、流变结构和地壳形变的观测和研究结果,建立了青藏高原东北部岩石圈三维有限元模型,并考虑了地幔对流拖曳力、高原重力势能、块体间相互作用等外部和内部条件对青藏高原东北缘岩石圈现今运动格局的控制作用.将地表运动速率的数值模拟结果与观测结果进行比较,结果表明:活动地块相互作用和高原地形蓄积的重力势能对高原内部向高原边缘逐渐变小的地壳运动特征具有控制作用,而以往关注不多的地幔对流拖曳力对青藏高原内部的地壳运动方向具有明显的控制作用;此外,基于岩石圈水平运动速率与下伏地幔对流速度差异、地震波各向异性观测提出的不同地块垂直连贯变形差异等观点,提出模型范围不同地块岩石圈底部地幔拖曳力作用强度存在差异的设想,并引入了地幔拖曳力强度因子并进行数值模拟,得到的地表形变速率模拟结果与GPS观测结果更为一致,模拟结果进一步支持了地震波各向异性观测提出的观点,即不同地块的壳幔耦合程度存在显著差异.