地震之谜:“人造地震”是如何发生的?

地震灾后 Image copyright Getty Images

电视演播室开始摇晃,女主播顿时面露恐惧,话说了一半就停下来,陷入沉默。摇晃加剧。围坐在笨重的大塑料桌旁的其他主持人,呆坐不动,担心地左右瞥了几眼。震动更强烈了。他们头顶上的设备发出咔嗒声。一位主播向上望,倒抽了一口冷气。该撤了。

这个韩国直播电视团队随即匆忙扔掉身上的麦克风,丢下了他们的设备,此时一场5.5级地震的震波正在震撼着浦项(Pohang)全城。这是一次剧烈的地震。其他视频片段显示,人们从大楼逃出来,他们身后的建筑物墙身随即倒塌。这个拥有50万居民的城市一片惊慌。但这次地震并不是一次反常的自然事件。而是人为造成的。

一组专家今年3月份发表的一份报告得出了上述结论。他们试图找出2017年11月15日浦项地震的原因。这次地震造成135人受伤,1700人被迫暂时转移到紧急住所。数千座建筑被毁,经济损失达7500万美元。地震时附近有一个正在开工的地热钻探工程,因此一个有待回答的大问题是:是谁干的?人类还是自然?为了查明是否这项工程引发了地震,韩国请来了新一代地震学家:地震侦探。

他们的任务是梳理地震记录和行业数据,以判断地震是天灾还是人祸。二者都不容易证明。但这些科学家现在提出了更可靠的方法来找出罪魁祸首。他们是地球的法医。

随着地表钻探和水力压裂开采能源技术在世界各地越来越多的运用,人类诱导或人为产生的地震已成为一个日益普遍关注的问题。现在,每年大约有10万口油井开钻,到2050年,地热能的使用可能会增加6倍。地热能开采有时需要向热岩中注水以产生蒸汽。但开采大量的化石燃料或需要向断裂的岩石中注水,有可能破坏地下岩层的应力平衡,引发地震。

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Image caption 裂缝显示地震的强度(Credit: Getty Images)

虽然在英语中我们喜欢用“在稳固的基础上”这样的比喻,但从地质的角度来看,我们脚下的大地绝不稳固,全是由不同密度物质组成的移动岩层,有断层和裂缝,并有地下水流穿过。这里还有沉积物、粘土和基岩。更不用说从更宏观的角度,有巨大的地壳构造板块相互挤压或撕离。在一些地带,地表就像一座玩具砖塔,只消一推即倒。

埃尔斯沃思(Bill Ellsworth)犹记得他第一次看到浦项地震时人们逃出大楼时的情景。

他说:“我后来看到了一些监控摄像头的视频,他们非常幸运,没有人死亡。”埃尔斯沃思为斯坦福大学诱发和触发地震活动中心(Stanford University's Center for Induced and Triggered Seismicity)的学者,是调查浦项地震的国际团队的一员。

这些调查人员冒着很大风险。他们从一开始就知道,将浦项地震定性为人为地震是非同小可之事。地震采用里克特级数(Richter scale)计量,这是“对数级”,意味着每增加一级,强度就增加10倍。居民可以感觉到里氏3级左右的地震,4级地震足以将货架上的物品震落。由人类活动引起的5.5级或更高级别的地震非常罕见,尽管仍被认为是中等强度,但已经足以摧毁建筑物。

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Image caption 地震中失去家园的灾民(Credit: Getty Images)

浦项地震发生的第二天,经营这家实验性地热发电厂的NexGeo公司否认对此事负有任何责任。但当埃尔斯沃思和他的团队开始搜集证据时,一个不同的故事开始浮出水面。他和其他专家研究了该地区的地震数据,以及配合调查的NexGeo公司提供的有关钻井活动的信息。

地热发电厂利用地热能发电。有多种方法可以做到这一点,例如利用直接从地热储层释放的蒸汽。但也有这样的情况,岩石可能是滚烫的,但没有足够的水以蒸汽的形式把热量带到地表。为了打破岩石并释放这些热量,NexGeo公司计划向地下注水。

在该公司的团队执行注水之前,他们必须深入地下钻孔。正是在这个过程中出了问题。

往地下岩石钻孔时,岩石会被钻头粉碎成微小的颗粒,这些岩石颗粒必须被清除出钻井。要做到清除,需要从钻头中心射出一种密度相对较大的钻井液,钻井液从钻头中流出到达钻孔底部,然后将钻头周围的碎石冲到地面上。但是,韩国钻探人员意外地在地下约3.8千米深的地方击中了一块破裂的岩石。大量的泥浆没有向上涌出,而是流进了裂缝,因此增加了那个岩区的压强。

埃尔斯沃思解释说:“不管是什么原因,有一条裂缝让钻井液从钻孔中流出。”冲下更多的钻井液后,钻井工们保住了他们的钻孔。但是现在巨大的水压造成了人们不想看到的结果:地震活动。

埃尔斯沃思说:“水压引发了一些非常轻微的地震,因为强度非常小,当时没有人注意到。”

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Image caption 韩国示威者要求重视环境问题(Credit: Getty Images)

后来对这些轻微地震的空间分析发现,钻探实际上已经碰到断层线,即地下两个岩层面相交的边界。而钻探小组当时似乎没有意识到这一点。沿着这些断层可能发生地层移动,这就是导致地震的原因。

理想情况是,若果事前已知钻井或灌注井液的岩区有断层线,通常是可以避开断层线钻井。但在这次事故中,部分原因是地表没有迹象表明地下存在断层线,韩国的钻探队根本不知道自己钻到了什么地方。正如埃尔斯沃思所说:“这是非常不幸的。”

“这个断层就是我们所说的临界应力,只要有地层有微小变化就能导致断层移动,而最终发生的正是这种情况。”

起初那些轻微的地震被忽视了,那其实是一个信号,说明出了问题。仅仅几周后,5.5级地震就发生了。

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Image caption 在地震中受损的一座小学(Credit: Getty Images)

埃尔斯沃思和他的同事们收集的数据使他们相信,这次地震是人为造成的。尽管对调查结果存在一些争议,但韩国政府已经接受了调查结果,并表示将拆除地热发电厂。

钻探小组是否注意到了早期的地震活动并及时停止钻探?埃尔斯沃思说,这是有可能的,但是钻探小组当时依靠的是一个相对简单的交通灯式的系统来判断钻井是否安全。该系统只有地震达到一定的震级时才能监测到有地震发生,才能停止钻探。埃尔斯沃思指出,在这次事故中,这些轻微地震的震级非常小,因此这个监测系统未能察觉,而调查小组测绘发生这些微地震的区域,发现此处有断层存在。理论上,这种更全面的分析可以让钻井操作人员更早意识到形势的严重性。(英国广播公司未来频道(BBC Future)曾与NextGeo公司联系,讨论这份报告的内容,但他们并未作出回应。)

但是,监听大地的声音并弄清地下发出的各种轰鸣声意味什么问题并非易事。我们该怎么做呢?在5500英里之外的英格兰南部,一位科学家发现自己卷入了另一起地震侦探案件。这一次和位于萨里郡(Surrey)宜人乡村的石油钻探作业有关。

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Image caption 通过仔细分析,地震"侦探"们可以探测到地震活动的源头(Credit: Getty Images)

地震悬案

除了研究当代的地震,地震学家甚至正在探究几十年前发生的地震背后可能的人为原因。美国地质调查局(US Geological Survey)的苏珊‧霍夫(Susan Hough)研究了1952年发生在加利福尼亚州(California)克恩县(Kern County)的7.5级大地震的记录。

霍夫在网上发现了一些旧数据,这些数据可以让她分析钻井的位置和深度。她建立了一个数学模型,并标记出断层线的存在,从而证明石油钻井开采确实可能释放了压力,导致了地震,因为石油是从一个大断层上方的储层中开采出来。压力的消失引发了断层的自由移动。她说:“要发生这么大的地震,必须有一个断层承受着储存的压力。”她的模型甚至解释了地震是如何在最初的石油产出约100天后发生的,这几乎就是实际情况。

一个早春时节阳光明媚的下午,希克斯(Stephen Hicks)在田边打开了一块巨大的太阳能电池板旁边的一个大黑盒子。隔着树篱,几匹马困惑地看着我们,然后小跑着离开了。“我们这里有5个这样的盒子,”他一边说,一边满怀热情地在盒子里的电线和零件中翻来翻去,检查是否一切就绪。

希克斯是伦敦帝国理工学院(Imperial College London)的地震学家。他正在领导当地的一项调查,旨在找出该地区一系列轻微地震的原因。在山丘平缓起伏,溪流潺潺不息的萨里郡,这看来不会是应该发生的事。但今年2月27日凌晨,该地区发生3.1级地震。这是迄今为止最强烈的一次地震,虽然没有造成巨大的破坏,但却是一起不同寻常的事件。英国每年只有两到三次这样的地震。

由于英国石油天然气投资公司(UKOG)一直在附近开采石油,许多当地人担心这种活动会破坏古老的断层线,引发地震。钻井现场曾进行过一系列激烈的抗议活动。许多人求助于科学家,看看他们能否证明到底发生了什么,这正是希克斯要研究的。

希克斯兴致勃勃地指着黑色盒子里的一个小盒子说:“这就是我们所说的数字转换器,就是把模拟信号转换成某种数字形式,然后我们可以把它转换成速度、每秒多少米或加速度。”

他往地上狠狠跺了几下脚,然后向我展示了可以在线查看的近乎实时的震动图表,几分钟后图表上出现了巨大峰值。现场有多个仪器,这意味着偶然的噪音,比如过往车辆(或跺脚的科学家)发出的杂音可以忽略不计。只有当许多地震监测仪一致出现震动时,才表明发生了地震。

这套设备为英国地质调查局(British Geological Survey)所有,价值约1万英镑。2018年夏天,希克斯和他的同事协助安装了5套设备。此后他一直在监控信号。但与浦项不同,这里似乎没有确凿的证据。

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Image caption 英国萨里郡通常不会发生剧烈的地震活动,但2019年初发生的一系列轻微地震已经令当地居民震惊不已(Credit: Getty Images)

在过去的8个月里,希克斯所探测到的90次左右的地震都很微弱,不到1级。它们发生在相对较浅的深度,约地下2.5千米处,但又比钻探位置深,钻探深度约为700米或800米。不仅如此,地震分布在威尔德盆地(Weald basin)周围,而不是集中在钻井现场附近。

他说:“我们认为这是巧合,这种集群,我们称之为地震群,你在某个时间会发现很多。这是随机的。”

萨里郡的这种地震,是“横移断层”,即岩层相互平面移动所造成。希克斯说,这有点像两只鞋子摩擦在一起。虽然他不认为这些地震是人为造成的,但觉得其生成原因仍然令人感兴趣,因为在英国,像这样在如此浅的地表发生的地震通常不会有如此高分辨率的记录。

他说:“不管原因是什么,这仍然是一系列令人感兴趣的事件。”

我们在乡间漫步时,走到萨里郡最大地震的震中,一个有趣的钻井场所附近,我们遇到一位名叫威尔逊(Jackie Wilson)的女士,她正在遛狗。她说,今年2月3.1级地震发生时,她的猫“从床上跳了下来”。

她补充道:“确实有人带着请愿书,请当地人签名反对所有正在进行的钻探活动。我想从那以后地震活动就开始了,不是吗?”

希克斯已经回复了当地人发来的电子邮件、电话和推特,当地人也同样好奇这场地震到底是怎么回事。但是现在希克斯仍坚持自己的结论,认为地震是自然的。我们见面几周后,他和同事在网上公布了初步调查结果。他们写道:“总的来说,我们在地震参数中没有发现强烈暗示人为原因的迹象。”

但公众对地震可能是人为造成的担忧,在世界各地正变得越来越普遍。尤其是当钻探或地热活动与地震发生在同一地点时。

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Image caption 希克斯正在检查他的大黑盒子,以调查萨里郡的地震(Credit: Chris Baraniuk)

很明显,人们已经能接受人为活动可能造成地震的概念,地震可以由人类行为诱发或直接触发。后者与前者略微不同,在这种情况下,地震主要是由地质构造活动引起的,但人类活动对地震的发生起着一定作用。

苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的格里戈利(Francesco Grigoli)说,公众有这样的担忧是很自然的。格里戈利研究了地震侦探在试图找出地震原因时可用的工具。

他解释说:“没有一个标准的方法来识别任何地震事件,并将地震辨析分类。”浦项地震发生不到一年后,他和同事们研究了这次地震,但他们的研究仅限于一个日本监测站公开的地震活动数据,该监测站距离震中很远,而且他当时无法获得NexGeo公司的钻探信息。

他的观点是,在判断地震是否人为造成时,更多公开的数据可以带来不同结果。

此外,地震监测技术的分辨率也有了很大的提高。布里斯托大学(University of Bristol)的韦尔登(James Verdon)表示,如果钻井公司受到鼓励,就可以使用高度敏感的监听阵列,能够听到“每一次岩石最新爆裂的声音”。

他解释说:“这为我们提供了成千甚至上万的数据点,我们可以用这些数据点更详细地评估地震灾害。”

今年早些时候发表的一篇论文描述了在芬兰的一个地热工程中,微震监测明显有助于将流体诱发的地震活动降到最低。在该案例中,钻井团队仔细监听小规模的地震活动,因而促使他们不时降低注液速度,或者拉长两次注水之间的等待时间。这篇论文的作者们认为,这阻止了较严重的地震发生。

有些人对人口密集地区附近钻井永远心怀不安。他们认为,即使引发大地震的可能性很小,但潜在的后果太严重。尽管如此,在理论上,地震侦探们可以帮助评估正在进行的钻探情况,并在钻探变得危险时发出警报,而不仅仅是在事故发生后才采取行动。通过仔细倾听大地发出的声音,企业和政府或许能更好地做出反应,以免为时过晚。

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