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一种基于过程的方法来理解和管理触发的地震活动

摘要

人们越来越关注由人类活动引发的地震活动,即应力的小幅增加会导致构造载荷断层的破坏。这些活动的例子包括采矿、蓄水、地热田的开发、碳氢化合物和水的提取以及水的注入2甲烷进入地下储层1.由于缺乏足够的信息来理解和控制引发地震的过程,当局建立了基于经验的监管监测框架,并取得了不同程度的成功23..20世纪70年代早期在美国科罗拉多州Rangely油田进行的现场实验4建议通过高于或低于阈值的地下流体压力循环来开启或关闭地震活动。在这里,我们报告了一种多学科方法的开发、测试和实施,该方法使用关于地下的全面和详细信息来校准地质力学和震源物理模型,以管理触发的地震活动。然后,我们通过将这些模型的预测与校准后的后续观测进行比较来验证这些模型。我们在意大利南部地震活跃的Val d’agri油田使用了我们的方法,证明了将基于过程的方法应用于生产油田,成功地管理了触发的地震活动。将我们的方法应用到其他地方可以帮助管理和减轻触发的地震活动。

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图1:Val d’agri地区与CM2注入井相关地震震中的地图和地下结构。
图2:Val d’agri油田的三维结构模型。
图3:模拟库仑应力变化、断层滑动和地震密度与观测到的地震活动性的比较。
图4:随时间变化的现场注入速率、应力变化、弯矩释放和地震发生。

数据可用性

有关资料载于https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.5401509包括区域和局部模型中嵌入地层层和断层面的计算网格、CMF上的压力历史、地震活动性模型的输入文件和脚本,以及图的源数据。1c和3..figshare存储库中包括意大利经济发展部列出的油田每月石油和天然气总产量。流动地质力学模型的一些输入数据包含专有信息,由Eni在保密协议下提供给当前的研究。这些数据可从S.M. (stefano.mantica@eni.com)获得埃尼公司的许可。源数据提供了这篇论文。

代码的可用性

地震活跃率建模代码包括在https://doi.org/10.6084/m9.figshare.14519028

参考文献

  1. 福尔杰,g.r.,威尔逊,M,格鲁亚斯,J.,朱利安,B. R. &戴维斯,R.全球人为地震回顾。地球科学。牧师178, 438-514(2018)。

    文章广告谷歌学者

  2. Baisch, S., Koch, C. & Muntendam-Bos, A.交通灯系统:在多大程度上可以控制诱发地震活动?Seismol。卷90, 1145-1154(2019)。

    文章谷歌学者

  3. Kwiatek, G.等人。在芬兰6.1公里深的地热刺激中控制流体诱发的地震活动。科学。阿德5, eaav7224(2019)。

    文章广告PubMed公共医学中心谷歌学者

  4. 罗利,C. B.,希利,J. H.和布莱德霍夫特,J. D.在科罗拉多州朗格利的地震控制实验。科学191, 1230-1237(1976)。

    文章广告中科院PubMed谷歌学者

  5. 即兴,L.等。意大利Val d’agri油田储层结构和污水诱发地震活动三维图Vp而且Vp/V年代局地地震断层扫描。j .地球物理学。固体地球122, 9050-9082(2017)。

    文章广告谷歌学者

  6. Buttinelli, M., Improta, L., Bagh, S. & Chiarabba, C. Val d’agri油田废水注入诱发地震活动的继承逆冲反演(意大利)。科学。代表6, 37165(2016)。

    文章广告中科院PubMed公共医学中心谷歌学者

  7. 塞洛,G. & Mazzoli, S.意大利南部亚平宁构造:综述。j . Geodyn27, 191-211(1998)。

    文章谷歌学者

  8. D 'Argenio, B. Pescatore, T. &斯堪多内,P.坎帕尼亚-卢卡尼亚亚平宁的结构格局。四。里克。Sci90, 313-327(1975)。

    谷歌学者

  9. 巴特勒,R. W. H.等人逆冲构造与油气系统:美国石油地质学家协会文集82(McClay, K. R.) 647-667(美国石油地质学家协会,2004)。

  10. Valoroso, L。意大利南部Val d’agri地区的上地壳结构和地震构造,通过本地地震和活动地震层析成像的集成,以及地质测绘.博士论文,Università degli Studi di Napoli Federico II(2007)。

  11. Mazzoli, S.等人。意大利南部拉哥内格罗盆地收缩变形的大陆边缘结构重建。j .青烟。Soc。Lond158, 309-319(2001)。

    文章谷歌学者

  12. Shiner, P., Beccaccini, A. & Mazzoli, S. Apulian碳酸盐岩储层的薄皮与厚皮结构模型:来自意大利南部亚平宁地区Val d’agri Fields的约束。3月的宠物。地质的21, 805-827(2004)。

    文章中科院谷歌学者

  13. Malinverno, a . & Ryan, W. B. F.第勒尼安海的延伸和亚平宁山脉的缩短,这是岩石圈下沉驱动的弧迁移的结果。构造5, 227-245(1986)。

    文章广告谷歌学者

  14. 杜威,J. F.,赫尔曼,M. L.,图尔科,E.,赫顿,D. W. H. &诺特,s.p.高山构造(科沃德,M. P.,迪特里希,D. &帕克,R. G.)青烟。Soc。特别刊物编号45,265 - 283 (Blackwell Scientific, 1989)。

  15. 罗伊登,L. H.,帕塔卡,E. &斯坎多内,P.意大利俯冲岩石圈的分段和构造:对冲断带和前深盆地演化的重要控制。地质15, 714-717(1987)。

    文章广告谷歌学者

  16. Maschio, L., Ferranti, L. & Burrato, P.在Val d’agri地区的活跃延伸,亚平宁南部,意大利:对发震带几何形状的影响。地球物理学。j . Int162, 591-609(2005)。

    文章广告谷歌学者

  17. Devoti, R., Esposito, A., Pietrantonio, G., Pisani, A. R. & Riguzzi, F.意大利俯冲边界GPS数据大尺度变形模式的证据。地球的星球。科学。列托语311, 230-241(2011)。

    文章广告中科院谷歌学者

  18. Silverii, F., D 'Agostino, N, Métois, M., Fiorillo, F. & Ventafridda, G.亚平宁南部GPS观测到的季节性和多年地下水变化引起的喀斯特含水层的短暂变形(意大利)。j .地球物理学。固体地球121, 8315-8337(2016)。

    文章广告谷歌学者

  19. Albarello, D., Camassi, R. & Rebez, a.通过稳健统计方法检测地震目录完整性水平的空间和时间异质性:意大利地区的应用。公牛。Seismol。Soc。我91, 1694-1703(2001)。

    文章谷歌学者

  20. Stucci, M., Albini, P., Mirto, C. & Rebez, A.评估意大利历史地震数据的完整性。安。地球物理学47, 659-673(2004)。

    谷歌学者

  21. 罗维达,A.等人。意大利地震目录CPTI15。公牛。地震中18, 2953-2984(2020)。

  22. Valoroso, L.等。在Val d’agri地区(意大利南部亚平宁)的活动断层和诱发地震活动。地球物理学。j . Int178, 488-502(2009)。

    文章广告谷歌学者

  23. Telesca, L., Giocoli, A., Lapenna, V. & stabstaber, T. A.短地震序列时间动力学中周期行为的健壮识别:以意大利南部Pertusillo湖引起的地震活动为例。随机环境。风险评估29, 1437-1446(2015)。

    文章谷歌学者

  24. Plesch, A.等人。南加州的社区故障模型。公牛。Seismol。Soc。我97, 1793-1802(2007)。

    文章谷歌学者

  25. 三维固结的一般理论。j:。理论物理12155-164(1941)。

    文章广告数学谷歌学者

  26. Coussy, O。多孔连续体力学(威利,1995)。

  27. A.由静态、动态和震后应力传递引发的地震。为基础。地球行星。Sci33, 335-367(2005)。

    文章广告中科院谷歌学者

  28. 哈德贝克,J. L.,拿撒勒,J. J. & Hauksson, E.静态应力变化触发模型:来自两个南加州余震序列的约束。j .地球物理学。固体地球103(b10), 24427-24437(1998)。

    文章谷歌学者

  29. 1964年6月16日新泻地震中G波的产生和传播。第2部分。从G波谱估计地震矩、释放能量和应力-应变降。公牛。Earthq。本月》44, 73-78(1966)。

    谷歌学者

  30. 汉克斯,T. C. & Kanamori, H.矩量程。j .地球物理学。固体地球84(b5), 2348-2350(1979)。

    文章谷歌学者

  31. 实验室推导的摩擦定律及其在地震断层中的应用。为基础。地球行星。Sci26, 643-696(1998)。

    文章广告中科院谷歌学者

  32. 林克尔,李志刚,李志刚。变正应力对岩石摩擦的影响:观测和本构方程。j .地球物理学。固体地球97(b4), 4923-4940(1992)。

    文章谷歌学者

  33. 摩擦速率和状态依赖断层上的地震成核。构造物理学211, 115-134(1992)。

    文章广告谷歌学者

  34. 地震发生速率的本构律及其在地震聚类中的应用。j .地球物理学。固体地球99, 2601-2618(1994)。

    文章谷歌学者

  35. Kaiser, J. kentnisse和Folgerungen aus der Messung von Geräuschen bei Zugbeanspruchung von metallischen Werkstoffen。拱门。毛皮Isenhutten-Wesen24, 43-45(1953)。

    文章谷歌学者

  36. Alghannam, M. & Juanes, R.理解注射诱发地震的速率效应。Nat。Commun11, 3053(2020)。

    文章广告中科院PubMed公共医学中心谷歌学者

  37. DISS工作组。单个发震源数据库(DISS), 3.2.1版:意大利及其周边地区5.5级以上地震的潜在震源汇编(国家地质科学研究所,2019年1月2日访问);http://diss.rm.ingv.it/diss/

  38. 稳定,t.a.等。地震活动与Pertusillo水库(意大利南部)水位的关系。博耳。Geofis。Teor。:56, 505-517(2015)。

    谷歌学者

  39. 弗兰蒂,L.,马斯基奥,L. & Burrato, P.。高地农业谷地活动构造研究实地考察指南http://hdl.handle.net/2122/2749(国家地质与火山研究所,2007)。

  40. 稳定,t.a.等。意大利南部Pertusillo人工湖低震级持续水库诱发地震活动的证据。公牛。Seismol。Soc。我104, 1820-1828(2014)。

    文章谷歌学者

  41. 阿齐兹,K. &塞塔里,A.;油藏模拟(应用科学,1979)。

  42. INTERSECT用户指南/技术描述v.2016.2(斯伦贝谢,2016)。

  43. Aagaard, B. T., Knepley, M. G. & Williams, C. A.在准静态和动态地壳变形有限元模型中实现断层滑动的域分解方法。j .地球物理学。固体地球118, 3059-3079(2013)。

    文章广告谷歌学者

  44. ABAQUS用户手册。2019(达索Systèmes, 2017)。

  45. Xu Y., Cavalcante Filho, J. S., Yu, W. & Sepehrnoori, K.油藏模拟复杂水力裂缝几何离散裂缝建模。油藏评价英格20., 403-422(2017)。

    文章中科院谷歌学者

  46. 张家港基地,L。油藏综合研究(Editions Technip, 2001)。

  47. Cucci, L., Pondrelli, S., Frepoli, A., Mariucci, m.t. & Moro, M. Melandro Pergola盆地和Agri山谷(意大利南部)应力场和地震源的局部模式。地球物理学。j . Int156, 575-583(2004)。

    文章广告谷歌学者

  48. Della Vecchia, G., Pandolfi, A., Musso, G. & Capasso, G.根据井孔数据计算漏孔大小确定地应力状态的解析表达式。Int。J.摇滚机甲。分钟。科学66, 64-68(2014)。

    文章谷歌学者

  49. Chiarabba, C., Jovane, L. & Di Stefano, R.使用20年仪器记录的意大利地震活动的新观点。Tectonophys395, 251-268(2005)。

    文章广告谷歌学者

  50. 张志刚,张志刚,张志刚。孔隙力学与多相流耦合:孔隙压力对断层滑动和地震触发影响的计算模型。窟。Resour。Res50, 3776-3808(2014)。

    文章广告谷歌学者

  51. Dieterich, J., Cayol, V. & Okubo, P.在基拉韦厄火山使用地震率变化作为压力计。自然408, 457-460(2000)。

    文章广告中科院PubMed谷歌学者

  52. Toda, S, Stein, R. S. & Sagiya, T.证据来自广告2000年伊豆群岛地震群的受力率决定了地震活动。自然419, 58-61(2002)。

    文章广告中科院PubMed谷歌学者

  53. Kroll, K. A., Richards‐Dinger, K. B., Dieterich, J. H. & Cochran, E. S.静态应力传递控制的延迟地震活动性变化。j .地球物理学。固体地球122, 7951-7965(2017)。

    文章广告谷歌学者

  54. 李国强,李国强,李国强,等。应力非均质性与余震速率的关系。j .地球物理学。Res111, b07304(2006)。

    广告谷歌学者

  55. Cochran, E. S., Vidale, J. E. & Tanaka, S.地潮可以引发浅层逆冲断层地震。科学306, 1164-1166(2004)。

    文章广告中科院PubMed谷歌学者

  56. 帕森斯,T., Toda, S., Stein, R. S., Barka, A. & Dieterich, J. H.伊斯坦布尔附近大地震的高概率:基于相互作用的概率计算。科学288, 661-665(2000)。

    文章广告中科院PubMed谷歌学者

  57. segal, P. & Lu . S.注入诱发地震活动:孔隙弹性和地震成核效应。j .地球物理学。Res120, 5082-5103(2015)。

    文章广告谷歌学者

下载参考

确认

我们感谢L. Improta的讨论,并在图中提供了高精度的Double Difference事件目录。1;T.稳定的讨论;米利蒂先生的支持;G. Roncari, L. Barzaghi, F. Ferulano和A. Orefice对GPS和地震数据收集和处理的贡献;B. Jha对区域地质力学建模的早期贡献,包括网格生成;D. Susanni和L. Magagnini在获取信息和组织方面提供帮助。我们感谢埃尼集团和壳牌公司授权我们发表这篇论文并分享数据;范德班先生和伊顿先生对手稿的有益建议;以及A.普利提使这项研究成为可能。

作者信息

作者及隶属关系

作者

贡献

b.h.h.、r.j.、d.c.、j.h.s.、a.p.、C.F.和J.D.在a.c.、s.m.、M.M.和L.O的参与下,设计并实施了项目的初始阶段(区域模型);s.m.、f.b.、f.c.、A.C.和S.P.通过增加局部流动和地质力学模型,包括地震矩计算,改进了该工程。J.H.S.和A.P.根据m.m.r.j.的输入,开发了区域和局部结构表示,D.C.与a.c.、s.m.、F.B.和f.c.b.h.h.合作,进行了区域流动和地质力学建模,分析了大地测量数据并主导了写作。C.F.分析了地震活动数据。j。d。进行了地震活动性的计算。j.d., c.f., r.j., s.m., j.h.s., a.c., L.O.和A.P.讨论了结果,并参与了手稿的写作和审查。

相应的作者

对应到布拉德福德·h·哈格

道德声明

相互竞争的利益

埃尼公司启动了一个研究项目,基于现有最先进的科学和技术知识,对Val d’agri油田的地震活动进行独立评估。为此,埃尼与Ramboll Italy S.r.l.签订合同,聘请j.d.、c.f.、b.h.h.、r.j.、A.P.的咨询团队,j.h.s.a.c.、s.m.、m.m.、M. Mileti和L.O.作为埃尼项目的参考。埃尼集团提供了计算资源和技术援助。研究咨询团队向埃尼集团提交了一份报告,内容涉及到2016年底前的活动。为了扩大研究范围,埃尼公司的本地模型(同时开发)被嵌入到区域模型中。随后,他们决定将这项联合研究发表在同行评议的科学文献上。在咨询报告完成并提交后,咨询团队没有从埃尼公司获得进一步的财政支持。

额外的信息

同行评审信息自然感谢David Eaton, Mirko van der Baan和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行评审报告是可用的。

出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。

扩展的数据图形和表格

图1注入速率与地震的比较。

2006年6月1日至30日的日注射率(黑色实线)和微地震活动(红圈)。正确的y轴表示事件大小(l

源数据

扩展数据图2野外和区域断层构造模型的计算网格。

区域地质力学模型计算网格。顶部,计算域的四面体网格的视图,大约尺寸为80 × 50 × 10 km,共有大约204,000个单元格。左上,棕色阴影的体积表示Irpine层之上的区域。右上方是网格的一部分,表示水库内外的网格大小。下图为计算模型中包含的网格化故障视图。

扩展数据图3计算网格中的故障表示。

上,局部储层计算网格和地质力学模型。四面体网格符合包含完整断层、储层和覆盖层的构造模型。为了清晰起见,故障的一个子集被显示,其中网格节点被限制在模型的一部分。彩色符号表示生产前的垂直有效应力。底部,CMF的有限元建模示意图,显示节点对,从初始条件(左)开始,其中节点是叠加的(重复的),可以随着断层滑动单独移动(右)。地震矩可以通过对断层上的节点滑移积分来计算。

扩展数据图4 Val d’agri断层的CFF值。

所有模式断层向西看ΔCFF(1993-2016)的透视视图。颜色条在ΔCFF值±0.1 MPa处被剪切,以显示页岩-碳酸盐岩接触处ΔCFF不稳定小区域的细节。

扩展数据图5在CMF上模拟和观测的地震次数。

在CMF上观测到的地震累积次数(eq)随时间的变化(红线)与速率-状态模型的三种实现的结果(黑线)相比。这些模型都使用相同的值α而且γ0,而是三对不同的参数μ而且一个,提供基本上无法区分的结果。这种比较表明,尽管参数之间存在很大的权衡,但得出的预测是严格受限的

源数据

图6油井生产、回注和压力数据。

上图为Val d’agri油田的历史生产和回注数据:CM2井的每日石油(绿色)、天然气(红色)和水(蓝色)生产数据和水回注(浅蓝色)。底部,Monte Alpi(蓝色)、Monte Enoc(绿色)和Cerro Falcone(红色)的代表性井的基准深度(2400 mTVDssl)的关井压力。

扩展数据图7阿格里谷地震台站图。

在Val d 'Agri油田附近作业的地震台站的位置。地图坐标见图。1.背景图像由哥白尼哨兵数据(2017)构建。

扩展数据图8 CM2井定义F10断层附近地震反射数据。

来自Val d’agri三维地震反射体2300毫秒处的地震时间切片,显示了F10断层和CMF的约束。一个,区域模型中包含的CM2井和其他储层断层(RF)图像。b,解释地震反射(黄色),以及F10和CMF迹。注意,CMF位置的主要约束来自地震活动性。

图9模拟和观测的储层压力

区域模型(左)和局部模型(右)在代表性井位的模拟(黑色曲线)和观测(红点)井底储层压力

源数据

扩展数据图10模拟和观测的地面位移。

的比较X(上面一行),Y(中间一排),以及Z(下一行)GPS站点SIRI(左列)、MTSN(中列)和MCEL(右列)与参考站点PTRP之间相对位移的模型预测(线)和GPS估计(符号)的组件。GPS站点位置如图所示。1.对于储层Biot系数为0.1的首选模型,预测结果由黑线给出;蓝色线给出了储层Biot系数为0.3的替代模型的预测结果。位移在模型坐标系中;横向位移沿x轴(正向东北)和沿y轴线(正西北方向)

源数据

扩展数据表1大块孔隙力学特性

补充信息

源数据

权利和权限

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引用本文

哈格尔,b.h.,迪特里希,J.,弗罗里希,C.。et al。一种基于过程的方法来理解和管理触发的地震活动。自然595, 684-689(2021)。https://doi.org/10.1038/s41586-021-03668-z

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