地震之謎:「人造地震」是如何發生的?

地震災後 Image copyright Getty Images

電視演播室開始搖晃,女主播頓時面露恐懼,話說了一半就停下來,陷入沉默。搖晃加劇。圍坐在笨重的大塑料桌旁的其他主持人,呆坐不動,擔心地左右瞥了幾眼。震動更強烈了。他們頭頂上的設備發出咔嗒聲。一位主播向上望,倒抽了一口冷氣。該撤了。

這個韓國直播電視團隊隨即匆忙扔掉身上的麥克風,丟下了他們的設備,此時一場5.5級地震的震波正在震撼著浦項(Pohang)全城。這是一次劇烈的地震。其他視頻片段顯示,人們從大樓逃出來,他們身後的建築物牆身隨即倒塌。這個擁有50萬居民的城市一片驚慌。但這次地震並不是一次反常的自然事件。而是人為造成的。

一組專家今年3月份發表的一份報告得出了上述結論。他們試圖找出2017年11月15日浦項地震的原因。這次地震造成135人受傷,1700人被迫暫時轉移到緊急住所。數千座建築被毀,經濟損失達7500萬美元。地震時附近有一個正在開工的地熱鑽探工程,因此一個有待回答的大問題是:是誰幹的?人類還是自然?為了查明是否這項工程引發了地震,韓國請來了新一代地震學家:地震偵探。

他們的任務是梳理地震記錄和行業數據,以判斷地震是天災還是人禍。二者都不容易證明。但這些科學家現在提出了更可靠的方法來找出罪魁禍首。他們是地球的法醫。

隨著地表鑽探和水力壓裂開採能源技術在世界各地越來越多的運用,人類誘導或人為產生的地震已成為一個日益普遍關注的問題。現在,每年大約有10萬口油井開鑽,到2050年,地熱能的使用可能會增加6倍。地熱能開採有時需要向熱岩中注水以產生蒸汽。但開採大量的化石燃料或需要向斷裂的岩石中注水,有可能破壞地下岩層的應力平衡,引發地震。

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Image caption 裂縫顯示地震的強度(Credit: Getty Images)

雖然在英語中我們喜歡用「在穩固的基礎上」這樣的比喻,但從地質的角度來看,我們腳下的大地絶不穩固,全是由不同密度物質組成的移動岩層,有斷層和裂縫,並有地下水流穿過。這裏還有沉積物、粘土和基岩。更不用說從更宏觀的角度,有巨大的地殼構造板塊相互擠壓或撕離。在一些地帶,地表就像一座玩具磚塔,只消一推即倒。

埃爾斯沃思(Bill Ellsworth)猶記得他第一次看到浦項地震時人們逃出大樓時的情景。

他說:「我後來看到了一些監控攝像頭的視頻,他們非常幸運,沒有人死亡。」埃爾斯沃思為斯坦福大學誘發和觸發地震活動中心(Stanford University's Center for Induced and Triggered Seismicity)的學者,是調查浦項地震的國際團隊的一員。

這些調查人員冒著很大風險。他們從一開始就知道,將浦項地震定性為人為地震是非同小可之事。地震採用裏克特級數(Richter scale)計量,這是「對數級」,意味著每增加一級,強度就增加10倍。居民可以感覺到里氏3級左右的地震,4級地震足以將貨架上的物品震落。由人類活動引起的5.5級或更高級別的地震非常罕見,儘管仍被認為是中等強度,但已經足以摧毀建築物。

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Image caption 地震中失去家園的災民(Credit: Getty Images)

浦項地震發生的第二天,經營這家實驗性地熱發電廠的NexGeo公司否認對此事負有任何責任。但當埃爾斯沃思和他的團隊開始搜集證據時,一個不同的故事開始浮出水面。他和其他專家研究了該地區的地震數據,以及配合調查的NexGeo公司提供的有關鑽井活動的信息。

地熱發電廠利用地熱能發電。有多種方法可以做到這一點,例如利用直接從地熱儲層釋放的蒸汽。但也有這樣的情況,岩石可能是滾燙的,但沒有足夠的水以蒸汽的形式把熱量帶到地表。為了打破岩石並釋放這些熱量,NexGeo公司計劃向地下注水。

在該公司的團隊執行注水之前,他們必須深入地下鑽孔。正是在這個過程中出了問題。

往地下岩石鑽孔時,岩石會被鑽頭粉碎成微小的顆粒,這些岩石顆粒必須被清除出鑽井。要做到清除,需要從鑽頭中心射出一種密度相對較大的鑽井液,鑽井液從鑽頭中流出到達鑽孔底部,然後將鑽頭周圍的碎石衝到地面上。但是,韓國鑽探人員意外地在地下約3.8千米深的地方擊中了一塊破裂的岩石。大量的泥漿沒有向上湧出,而是流進了裂縫,因此增加了那個岩區的壓強。

埃爾斯沃思解釋說:「不管是什麼原因,有一條裂縫讓鑽井液從鑽孔中流出。」衝下更多的鑽井液後,鑽井工們保住了他們的鑽孔。但是現在巨大的水壓造成了人們不想看到的結果:地震活動。

埃爾斯沃思說:「水壓引發了一些非常輕微的地震,因為強度非常小,當時沒有人注意到。」

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Image caption 韓國示威者要求重視環境問題(Credit: Getty Images)

後來對這些輕微地震的空間分析發現,鑽探實際上已經碰到斷層線,即地下兩個岩層面相交的邊界。而鑽探小組當時似乎沒有意識到這一點。沿著這些斷層可能發生地層移動,這就是導致地震的原因。

理想情況是,若果事前已知鑽井或灌注井液的岩區有斷層線,通常是可以避開斷層線鑽井。但在這次事故中,部分原因是地表沒有跡象表明地下存在斷層線,韓國的鑽探隊根本不知道自己鑽到了什麼地方。正如埃爾斯沃思所說:「這是非常不幸的。」

「這個斷層就是我們所說的臨界應力,只要有地層有微小變化就能導致斷層移動,而最終發生的正是這種情況。」

起初那些輕微的地震被忽視了,那其實是一個信號,說明出了問題。僅僅幾周後,5.5級地震就發生了。

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Image caption 在地震中受損的一座小學(Credit: Getty Images)

埃爾斯沃思和他的同事們收集的數據使他們相信,這次地震是人為造成的。儘管對調查結果存在一些爭議,但韓國政府已經接受了調查結果,並表示將拆除地熱發電廠。

鑽探小組是否注意到了早期的地震活動並及時停止鑽探?埃爾斯沃思說,這是有可能的,但是鑽探小組當時依靠的是一個相對簡單的交通燈式的系統來判斷鑽井是否安全。該系統只有地震達到一定的震級時才能監測到有地震發生,才能停止鑽探。埃爾斯沃思指出,在這次事故中,這些輕微地震的震級非常小,因此這個監測系統未能察覺,而調查小組測繪發生這些微地震的區域,發現此處有斷層存在。理論上,這種更全面的分析可以讓鑽井操作人員更早意識到形勢的嚴重性。(英國廣播公司未來頻道(BBC Future)曾與NextGeo公司聯繫,討論這份報告的內容,但他們並未作出回應。)

但是,監聽大地的聲音並弄清地下發出的各種轟鳴聲意味什麼問題並非易事。我們該怎麼做呢?在5500英里之外的英格蘭南部,一位科學家發現自己捲入了另一起地震偵探案件。這一次和位於薩里郡(Surrey)宜人鄉村的石油鑽探作業有關。

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Image caption 通過仔細分析,地震"偵探"們可以探測到地震活動的源頭(Credit: Getty Images)

地震懸案

除了研究當代的地震,地震學家甚至正在探究幾十年前發生的地震背後可能的人為原因。美國地質調查局(US Geological Survey)的蘇珊‧霍夫(Susan Hough)研究了1952年發生在加利福尼亞州(California)克恩縣(Kern County)的7.5級大地震的記錄。

霍夫在網上發現了一些舊數據,這些數據可以讓她分析鑽井的位置和深度。她建立了一個數學模型,並標記出斷層線的存在,從而證明石油鑽井開採確實可能釋放了壓力,導致了地震,因為石油是從一個大斷層上方的儲層中開採出來。壓力的消失引發了斷層的自由移動。她說:「要發生這麼大的地震,必須有一個斷層承受著儲存的壓力。」她的模型甚至解釋了地震是如何在最初的石油產出約100天後發生的,這幾乎就是實際情況。

一個早春時節陽光明媚的下午,希克斯(Stephen Hicks)在田邊打開了一塊巨大的太陽能電池板旁邊的一個大黑盒子。隔著樹籬,幾匹馬困惑地看著我們,然後小跑著離開了。「我們這裏有5個這樣的盒子,」他一邊說,一邊滿懷熱情地在盒子裏的電線和零件中翻來翻去,檢查是否一切就緒。

希克斯是倫敦帝國理工學院(Imperial College London)的地震學家。他正在領導當地的一項調查,旨在找出該地區一系列輕微地震的原因。在山丘平緩起伏,溪流潺潺不息的薩里郡,這看來不會是應該發生的事。但今年2月27日凌晨,該地區發生3.1級地震。這是迄今為止最強烈的一次地震,雖然沒有造成巨大的破壞,但卻是一起不同尋常的事件。英國每年只有兩到三次這樣的地震。

由於英國石油天然氣投資公司(UKOG)一直在附近開採石油,許多當地人擔心這種活動會破壞古老的斷層線,引發地震。鑽井現場曾進行過一系列激烈的抗議活動。許多人求助於科學家,看看他們能否證明到底發生了什麼,這正是希克斯要研究的。

希克斯興致勃勃地指著黑色盒子裏的一個小盒子說:「這就是我們所說的數字轉換器,就是把模擬信號轉換成某種數字形式,然後我們可以把它轉換成速度、每秒多少米或加速度。」

他往地上狠狠跺了幾下腳,然後向我展示了可以在線查看的近乎實時的震動圖表,幾分鐘後圖表上出現了巨大峰值。現場有多個儀器,這意味著偶然的噪音,比如過往車輛(或跺腳的科學家)發出的雜音可以忽略不計。只有當許多地震監測儀一致出現震動時,才表明發生了地震。

這套設備為英國地質調查局(British Geological Survey)所有,價值約1萬英鎊。2018年夏天,希克斯和他的同事協助安裝了5套設備。此後他一直在監控信號。但與浦項不同,這裏似乎沒有確鑿的證據。

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Image caption 英國薩里郡通常不會發生劇烈的地震活動,但2019年初發生的一系列輕微地震已經令當地居民震驚不已(Credit: Getty Images)

在過去的8個月裏,希克斯所探測到的90次左右的地震都很微弱,不到1級。它們發生在相對較淺的深度,約地下2.5千米處,但又比鑽探位置深,鑽探深度約為700米或800米。不僅如此,地震分佈在威爾德盆地(Weald basin)周圍,而不是集中在鑽井現場附近。

他說:「我們認為這是巧合,這種集群,我們稱之為地震群,你在某個時間會發現很多。這是隨機的。」

薩里郡的這種地震,是「橫移斷層」,即岩層相互平面移動所造成。希克斯說,這有點像兩隻鞋子摩擦在一起。雖然他不認為這些地震是人為造成的,但覺得其生成原因仍然令人感興趣,因為在英國,像這樣在如此淺的地表發生的地震通常不會有如此高分辨率的記錄。

他說:「不管原因是什麼,這仍然是一系列令人感興趣的事件。」

我們在鄉間漫步時,走到薩里郡最大地震的震中,一個有趣的鑽井場所附近,我們遇到一位名叫威爾遜(Jackie Wilson)的女士,她正在遛狗。她說,今年2月3.1級地震發生時,她的貓「從牀上跳了下來」。

她補充道:「確實有人帶著請願書,請當地人簽名反對所有正在進行的鑽探活動。我想從那以後地震活動就開始了,不是嗎?」

希克斯已經回復了當地人髮來的電子郵件、電話和推特,當地人也同樣好奇這場地震到底是怎麼回事。但是現在希克斯仍堅持自己的結論,認為地震是自然的。我們見面幾周後,他和同事在網上公布了初步調查結果。他們寫道:「總的來說,我們在地震參數中沒有發現強烈暗示人為原因的跡象。」

但公眾對地震可能是人為造成的擔憂,在世界各地正變得越來越普遍。尤其是當鑽探或地熱活動與地震發生在同一地點時。

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Image caption 希克斯正在檢查他的大黑盒子,以調查薩里郡的地震(Credit: Chris Baraniuk)

很明顯,人們已經能接受人為活動可能造成地震的概念,地震可以由人類行為誘發或直接觸發。後者與前者略微不同,在這種情況下,地震主要是由地質構造活動引起的,但人類活動對地震的發生起著一定作用。

蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)的格里戈利(Francesco Grigoli)說,公眾有這樣的擔憂是很自然的。格里戈利研究了地震偵探在試圖找出地震原因時可用的工具。

他解釋說:「沒有一個標凖的方法來識別任何地震事件,並將地震辨析分類。」浦項地震發生不到一年後,他和同事們研究了這次地震,但他們的研究僅限於一個日本監測站公開的地震活動數據,該監測站距離震中很遠,而且他當時無法獲得NexGeo公司的鑽探信息。

他的觀點是,在判斷地震是否人為造成時,更多公開的數據可以帶來不同結果。

此外,地震監測技術的分辨率也有了很大的提高。布里斯托大學(University of Bristol)的韋爾登(James Verdon)表示,如果鑽井公司受到鼓勵,就可以使用高度敏感的監聽陣列,能夠聽到「每一次岩石最新爆裂的聲音」。

他解釋說:「這為我們提供了成千甚至上萬的數據點,我們可以用這些數據點更詳細地評估地震災害。」

今年早些時候發表的一篇論文描述了在芬蘭的一個地熱工程中,微震監測明顯有助於將流體誘發的地震活動降到最低。在該案例中,鑽井團隊仔細監聽小規模的地震活動,因而促使他們不時降低注液速度,或者拉長兩次注水之間的等待時間。這篇論文的作者們認為,這阻止了較嚴重的地震發生。

有些人對人口密集地區附近鑽井永遠心懷不安。他們認為,即使引發大地震的可能性很小,但潛在的後果太嚴重。儘管如此,在理論上,地震偵探們可以幫助評估正在進行的鑽探情況,並在鑽探變得危險時發出警報,而不僅僅是在事故發生後才採取行動。通過仔細傾聽大地發出的聲音,企業和政府或許能更好地做出反應,以免為時過晚。

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