页岩油气开发诱发地震的研究现状及进展——以加拿大、美国和中国为例

页岩油气的开发助推了全球油气储量及产量增长,重塑了全球能源格局。伴随着页岩油气开发过程中的水力压裂和废水处理,页岩油气田附近的诱发地震频率急剧增加,其中大多数为微地震,但破坏性地震也时有发生。这种现象主要发生于美国中西部、加拿大西部和中国西南地区。页岩油气开发诱发地震成因复杂,目前普遍认为主要有三种诱发机制:静态库仑应力变化、孔隙弹性介质理论和流体压力扩散及无震滑移。在汇总全球主要页岩油气诱发破坏性地震分布及其诱发机制的基础上,以加拿大的不列颠哥伦比亚省霍恩河盆地和阿尔伯塔省的Fox Creek地区,美国的科罗拉多州南部、新墨西哥州北部的Raton盆地和俄克拉何马州,中国的重庆市荣昌地区和四川省长宁—兴宁地区为例,系统论述页岩油气开发典型诱发地震的基本情况和诱发机制,介绍诱发地震的前瞻性预测与管控措施,并对页岩油气开发诱发地震的研究现状及进展进行总结和展望。

增强地热系统停止运行后温度恢复过程的数值模拟

在增强地热系统(EGS)运行过程中,干热岩(HDR)人工储层的温度会迅速下降,外界的热量补充速度远远跟不上系统热量提取的速度,同时也会对人工储层的流体压力产生巨大的影响,EGS停止运行以后人工储层温度和压力场会逐渐的恢复到初始状态。前人对干热岩开采过程中的温度场和流体压力场变化做了大量研究,但很少关注停止开采以后人工储层的温度恢复过程和流体压力场变化,而停止开采以后的温度场恢复过程对于新的地热井选址和废弃地热井的重新利用具有重要意义。利用数值模拟软件COMSOL Multiphysics建立双井EGS运行过程和停止运行之后两个阶段的二维热-孔隙流体耦合数值模型,模型考虑了放射性生热的贡献和不同热导率的影响。研究表明:在EGS运行期间,热对流是热量交换的主要方式,人工储层温度下降过程很快,19 a后EGS已经到达运行寿命,68 a后HDR人工储层已经失去开采价值。而地热开采停止以后,人工储层温度的自然恢复过程长达万年,热传导是主要的热量传递和温度恢复方式,热导率越高,人工储层温度恢复越快。

利用有限元热应力计算方法对热事件月震成因的探讨

在前人工作的基础上,考虑月表向内吸收的太阳光照热量和向外释放的月球热辐射热量,以及与温度、深度相关的月壤热力学参数的非线性,开发了适合研究月壤温度、变形和热应力时空演化的热弹性耦合有限元并行程序,利用4组有限元模型研究不同的月壤特征厚度对月表温度、变形和热应力时空演化的影响。计算结果表明,月表月壤温度呈现1个月球日(29.5个地球日)的周期性变化,赤道月表的温度在100~385 K之间变化,变化幅度随深度增加指数衰减,影响深度约达50 cm。温度的周期性变化引起月表垂直位移也呈现上升和下降的周期性变化,以及月表水平正应力的挤压和拉张的周期性变化。总体而言,水平应力白昼是挤压,夜晚是拉张,其中拉应力增长速率最快的时刻是18:00,拉应力最大的时刻是06:00。月壤特征厚度对温度、水平正应力的时空分布的影响较大。热应力的量级有可能达到月表岩土抗张强度,张应力增长最快和幅值最大时段与观测到的月球浅表热事件发生的早晚频度较高相吻合。

2021年5月22日青海玛多M_(S)7.4地震同震变形的数值模拟及其动力学启示

2021年5月22日青海玛多M_(S)7.4地震是近年来唯一一次发生在巴颜喀拉块体内部的强震,其同震变形及应力调整受到很多学者的高度关注。采用分裂节点技术研发了一套研究大地震同震变形的三维并行弹性有限元程序,并使用弹性地震位错模型的解析解验证该程序的正确性和有效性。在此基础上,研究2021年5月22日青海玛多M_(S)7.4地震同震变形及研究区域主要断层上的同震库仑应力变化,结果表明:计算得到的地表同震变形与不同大地测量数据和有限断层模型反演得到的结果一致,显示该地震主要为左旋走滑断层,有部分正断层分量;9~11 km深度范围内除主震断层带两侧大于1.0级的余震基本位于10 km深度水平面内平行于主震的库仑应力变化大于零的区域;玛多地震引起不同断裂带上的库仑应力变化的分布是不均匀的,其中鄂拉山断裂南段、昆中断裂东段、东昆仑断裂带的大部分(除中部靠西的小部分外)、玛多—甘德断裂北西段、南东段及主震震中附近、达日断裂带北西段库仑应力增加明显,地震危险性提高,需要密切关注。

大森-宇津定律的一种可能机制——以唐山大地震为例

为了探讨大森-宇津定律的物理机制,本文在余震区等效黏度远低于其外部,且构造应力场在整个余震活动时间间隔内基本保持不变的假设条件下,提出了一个开尔文黏弹性地震震源体概念模型.该模型可用于模拟主震后断层蠕变和震源区应力调整触发的余震序列以及蠕变停止后余震终结、介质恢复到弹性状态、断层重新闭锁和积累下一次地震的整个过程.有限元方法可用来计算非均匀黏弹性地震震源体模型中主震和每次余震所引起的应力场及其随时间的演化过程.在此基础上,采用开尔文黏弹性地震震源体概念模型和有限元方法模拟了1976年唐山M_S7.8地震余震序列.结果表明:经验的大森-宇津定律可以用开尔文黏弹性震源体模型来解释,这意味着余震衰减的频度取决于蠕变的速率;余震序列持续时间受控于震源体的黏度,即黏度越大,蠕变时间越长,余震持续的时间也就越长.

铲形逆冲断层地震破裂动力学模型及其在汶川地震研究中的启示

2008年发生了汶川地震的龙门山断层带是典型的铲形逆冲断层带.利用二维线弹性有限元模型,得到关于铲形逆冲断层带一些具普适性的认识:(1)如果断层带强度不随深度变化,则地震从断层带转换层附近开始发动,破裂沿断层向上传播,当地震蓄积能量足够大时,破裂可以冲破到地表,如汶川地震.(2)一旦到达地表,其最大同震位错将位于断层带出露地表处;且在断层带介质弱化或损伤大致相同条件下,铲形断层倾角越缓,地表的同震位错量越大.(3)与最大同震位错位于地表不同,同震应变能释放最大处位于地壳内十几公里深处的断层带转换层附近.(4)在断层带介质软化或损伤度大致相同条件下,铲形断层倾角越缓,地震对震间期积累应变能的释放越多、范围越广,对地表近断层区域造成的破坏可能越大.(5)冲破到地表的逆冲型大地震会进一步增加铲形断层带下盘转换层以下(约在15～22 km)地壳深处和断层上盘距离断层地表出露点约十几公里处地壳浅部的应变能积累密度;汶川地震之后的余震分布,除了沿主破裂面附近的继续破裂外,也体现了以上地区应变能的继续释放.本文得到的这些认识有助于深入理解汶川地震的动力学机制.

青藏高原及周边区域地表长期变形数值模拟

印度板块向欧亚板块俯冲挤压,不仅令青藏高原上地壳在挤压作用下发生弹性变形和运动,且青藏高原高温高压下的下地壳会发生柔性流动,并对脆性的上地壳有拖曳作用,这2种作用一起形成现今的高原运动变形场。这一动力学过程已得到GPS观测资料的证实。因此在二维平面问题中仅用上地壳在边界作用下的弹性变形解释是不够的,还要考虑柔性下地壳流动对上地壳的拖曳作用。但是拖曳力作用的大小和方向不易确定,故文中建立了二维平面弹性有限元模型,利用加载等效体力来模拟下地壳流动对上地壳产生的拖曳力。以高原内部的GPS观测资料为约束,利用试错法反演出模型中关键点的力,其他位置上的力则用关键点上的力进行双线性插值计算。以此来反演计算出模型区域内的柔性下地壳的差异性流动对脆性上地壳产生的拖曳力（节点力的形式,单位：N）的大小和范围,在86°~100°E,26°~32°N地区主要以SE向为主,最大达到108N;西部局部（31°~36°N,76°~80°E）地区有较弱的W向拖曳力,最大为107N。文中为深入研究青藏高原及周边区域的长期地表变形动力学机制提供了1个新的思路。

基于实验数据的岩石变形过程中温度场演化的数值模拟

根据相关岩石力学实验数据,对岩石变形过程中温度场演化进行有限元数值模拟,探讨线弹性变形条件下,均匀岩石模型和含雁列构造岩石模型在加载情况下的弹性热效应.模拟结果与实验结果和经典热力学理论相当吻合,为进一步研究热红外异常与地震活动性之间的关联提供了理论依据.

青藏高原北部历史强震对2022年门源MS6.9地震及后续地震库仑应力触发作用

本文采用Burgers黏弹性模型计算1125年以来青藏高原北部历史强震对2022年1月8日青海门源M_(S)6.9地震单独和累积的库仑应力变化,分析历史强震对此次门源地震黏弹性触发作用及其对后续地震的影响.结果表明:(1)1920年海原M8½级地震、1927年古浪M8.0级地震和1954年山丹M7¼级地震对2022年门源地震的加载最为显著,分别相当于使门源地震提前7.6年、5.3年和5.2年;(2)1986年门源M_(S)6.4地震对2022年门源地震的卸载作用最明显,使其发生延迟14.4年左右,2016年门源M_(S)6.4地震使2022年门源地震延迟0.4年左右;(3)2021年玛多M_(W)7.3地震对2022年门源地震有较为显著的触发作用,门源M_(S)6.9地震对2022年1月23日哈拉湖M5.8级地震有触发作用,哈拉湖M5.8级地震对2022年3月17日肃南M5.1级地震及2022年3月26日哈拉湖M6.0级地震有较强的触发作用,而哈拉湖M6.0级地震又触发了2022年4月15日哈拉湖M5.4级地震.综合分析历史强震库仑应力演化结果和断层受历史地震库仑应力作用的影响,认为该区域应力积累处于较高水平,祁连山内部断层受到应力扰动时容易失稳滑动,其中门源地震区附近、祁连山西段哈拉湖北部、老虎山断裂西段、祁连山北缘断裂中段、昌马—俄博断裂中段、阿尔金断裂阿克塞段、托莱山断裂西段、鄂拉山断裂和大柴旦—宗务隆山断裂东段等断层段都处于库仑应力高值区域,应给予关注.

利用热-孔隙流体耦合有限元数值模拟研究干热岩开发温度下降过程——以青海共和盆地恰卜恰地区干热岩开发为例

水力压裂是干热岩(HDR)开发最常用到的压裂方式,水力压裂形成的裂缝网络为增强地热系统的运行(EGS)提供了高渗透率的人工储层.本文在系统总结前人关于共和盆地水力压裂实验、数值模拟资料和现场水力压裂监测结果的基础上,引入了离散裂缝网络(DFN),利用多物理场模拟软件COMSOL Multiphysics建立了共和盆地恰卜恰地区干热岩开采过程中的二维裂缝-基质热-孔隙流体耦合模型,并讨论了裂缝开度和基质渗透率对干热岩开采温度下降过程的影响.结果表明,裂缝网络是流体运移的主要通道.温度下降和早期压力变化范围沿着裂缝延伸,并向周围被裂缝分割的基质扩展.裂缝开度和基质渗透率是影响干热岩地热开采过程中温度下降的重要因素.当裂缝开度越大时,流体运移范围就越大,储层温度和产出水温下降就越快,储层下降范围就越广,热突破时间和运行寿命就越短.当基质渗透率越大时,越有利于流体进入基质进行热量交换,越容易从干热岩中提取热量,产出水温下降越快,运行寿命越短.

褶皱冲断带时空演化动力学过程的数值模拟

利用库仑临界锥角理论和沙箱物理模拟进行褶皱冲断带的研究时,通常忽略了楔形体介质的内聚力.岩石力学实验结果表明,岩石内聚力通常在几到几十兆帕范围内变化.楔形体介质强度的变化是否会影响褶皱冲断带的时空演化?针对这一问题,我们建立了岩石内聚力分别是10MPa、20MPa和50MPa的3个二维弹塑性有限元模型,模型包含了楔形体介质的弹塑性材料非线性和底部滑脱带的接触非线性.该模型考虑了不同介质强度、底部滑脱带摩擦、重力和边界构造加载的影响,更为符合实际.计算结果表明,岩石内聚力为10MPa时,楔形体内的断坡首先在楔形体近端产生,从近端依次向远端发展;岩石内聚力是20MPa时,断坡开始在楔形体近端产生,随后在远端也开始形成,最后由两端向中间汇聚;岩石内聚力是50MPa时,断坡先从楔形体远端形成,从远端向近端依次发展.我们还讨论了底部滑脱层倾角对褶皱冲断带演化的影响,结果表明较低的底部滑脱面倾角易产生由近端向远端演化的样式,中等滑脱面倾角易产生两端向中间演化的样式,较高滑脱面倾角易产生由远端向近端演化的样式.我们得到了三种不同的褶皱冲断带时空演化的模式,其结果可以用来解释青藏高原东北缘依次向北东方向发展的海原-六盘山断层、天景山断层、烟筒山断层系统的时空演化.

断层破裂过程对边坡的广义荷载场的动态影响

利用基于FEPG的有限元新模型,从动力学的角度对地震中断层的破裂过程进行了研究,探讨其对边坡的位移场、应力场的动态影响,从而用数值模拟的方法印证了现有的地震滑坡动力学模型理论。

非均匀应力场下的铲状正断层带位移场和应力场特征

本文利用新的有限元方法研究了铲状正断层带在非均匀应力场下错动引起的位移场和应力场。研究发现:①铲状正断层错动引起的断层面上的最大错距不是发生在地表,而是发生地表下面断层的中部;②地表面最大水平位移和垂直位移都不是发生在地表断层上,而是发生在偏离断层一定距离的地方;③铲状正断层错动会在地表附近产生两个破裂区,一个在地表断层附近,一个在远离断层的上盘地表附近,这两个区与野外观测到的次生正断层区一致;④断层错动的应力降在断层内不是均匀的,最大值也是位于断层中部。

2008年汶川大地震孕震、同震及震后变形和应力演化全过程的数值模拟

2008年MS 8.0级汶川大地震发生在具有复杂的地质构造背景、强烈的地表起伏、不均匀的弹性和黏性结构的龙门山断裂带上。由于震前地震活动性不够强烈且地表构造变形较小,龙门山断裂带的地震危险性在汶川地震之前被低估。从数值模拟的角度,建立黏弹性有限元模型,考虑了初始地形、重力、构造加载、黏弹性松弛等因素对2008年汶川大地震的孕震、同震及震后150年变形全过程的影响,定量研究了映秀-北川断裂带的同震及震后变形,分析了弹性层、黏弹性层的应力积累、释放、调整的特点,模拟得到地表同震和震后位移与大地测量资料较为吻合,对汶川大地震的余震分布进行了力学上的解释,模拟得到震前、同震及震后的应力变化有助于深入分析大地震的动力学成因及其对周围区域的地震危险性影响。

未来月球熔岩管科研工作站能源供给的数值模拟

在月球熔岩管内建立科研工作站可以避免很多自然灾害,因此月球熔岩管长期被认为是人类探索月球建造科研基地的理想场所.Apollo 15和Apollo 17实测资料表明月表具有极低的导热系数,所以月球风化层的温度在深度超过50 cm的区域保持在较低的恒定值(~250 K).因此,在熔岩管内建立科研工作站需要考虑维持人类宜居温度的供热问题.在不考虑熔岩管轴向热量流失的情况下,本文建立了二维瞬态热传导的有限元数值模型,定量研究了位于赤道和极地地区的单位轴向长度(1 m)熔岩管加热到宜居温度的时间、维持在宜居温度所需要的供给功率以及利用太阳能给熔岩管供电等问题.结果表明,对于直径为20 m的单位长度的管洞,在Apollo测量点和极地地区分别采用6280 W及16328 W的加热功率一个月球日内就可以将其加热到宜居温度(~293.15 K).在维持宜居温度阶段,熔岩管壁热量在向四周传递的同时热流也在逐渐减小.结果也表明,为了节约能源,月球科学研究站应建在赤道地区平均温度较高、深度较深、直径较大的熔岩管处.而且如果在熔岩管壁处增加0.5 m厚度的风化层作为绝热层可以进一步减小加热功率和热量损失.因此,在加热阶段位于赤道地区直径为20 m且含绝热层的熔岩管在前三年需要20L~120L W(L(m)为实际熔岩管的轴向长度)的加热功率和0.06L~0.4L m^(2)的太阳能电池板.3年后,仅需15L W的功率和0.05L m^(2)的太阳能电池板即可满足室温需求.我们的研究将为今后在月球熔岩管内建立科学研究基地提供科学指导.

2011年M_W9.0东日本大地震动力学破裂过程的数值模拟

力学上,地震可以看作在应力场作用下由于断层带介质的突然损伤或软化导致的断层带失稳事件.本文基于这个地震动力学模型,利用一种可以模拟断层大位错的有限元方法,研究了2011年MW9.0东日本大地震(Tohoku-Oki)的动力学破裂过程.比较了无障碍体和具有不同刚度障碍体的断层带模型产生的断层位移、位错和应力降.主要结果表明,障碍体的存在并不明显地改变障碍体区域的初始构造应力场.对有障碍体情形,准静态结果显示断层上盘最大逆冲位移和最大剪切位错分别为51m和58m,均发生在海底表面海沟处,与无障碍体的结果(最大剪切位错约55m)相比差别不大;下盘最大倾向位移(-10m)并不与上盘最大值出现在同一位置,而是在障碍体处.障碍体处剪应力降(约11 MPa)大于周围非障碍体区域.障碍体处正应力降的最大值约为3 MPa.模拟结果似乎不支持海山是导致本次地震异乎寻常大位错的原因,而倾向于断层带剪切刚度在地震过程中极度损伤或软化.

智利三联点南部含洋脊海洋板块俯冲过程的数值模拟

“三联点”是全球板块运动系统的重要组成部分.扩张的智利洋脊向南美板块俯冲形成了智利三联点,并造成了智利三联点以南数百千米范围内剧烈的地形变化.智利三联点区域的初始板块俯冲角度、洋脊扩张速率等因素的差异对南美板块岩石层热结构及地形起伏造成了显著影响.本文采用有限差分方法,构建了智利三联点区域洋脊俯冲的二维数值模型,模拟洋脊俯冲的动力学过程,探究扩张洋脊俯冲过程中的岩石层变形机制、地表热流的分布特征及其影响因素.结果表明,与俯冲速率相比,俯冲角度对地表热流的影响相对较大,较小俯冲角度(15°)情况下的计算热流分布与基于观测点的插值数据较为吻合,并且俯冲速率越大,上覆板块岩石层温度异常区的水平长度越大,其距海沟的距离最大可至190 km.我们的模拟结果支持智利三联点南部南极洲板块以低角度俯冲至南美大陆板块下方的观点.

底辟热流体上涌的数值模拟及其对早古生代青藏高原柴北缘祁连弧形成的启示

底辟流是研究地球内部物质循环与迁移的重要窗口,其动力学演化过程对于我们认识区域地质构造与演化具有重要意义.本文从热-结构力学的角度,建立三组不同的数值模型,研究底辟流上涌的动力学过程,分析底辟流半径、热-结构耦合、岩浆上涌通道对底辟流上涌过程的影响.该研究对认识早古生代祁连弧的形成过程具有重要启示.数值实验结果表明,底辟流半径越大底辟上涌速度越快;单个底辟很难直接上涌至上地壳底部,柴达木北缘超高压变质带和岩浆弧可能是由于多个底辟流持续上涌,最终发育稳定岩浆通道形成的,并且岩浆通道的形成对于超高压变质岩石的减压时间以及岩浆弧的形成时间均具有重要影响;具有稳定岩浆通道的单个底辟流从地幔深处90 km上涌至壳幔边界的过程中,在水平方向的侵蚀范围要比垂向侵蚀范围大一倍左右,研究结果表明安第斯型底辟流模型可以很好地描述早古生代柴达木北缘祁连弧的形成过程.

水利水电工程混凝土质量声波检测数据处理

在水利水电工程混凝土质量无损检测中 ,应用垂直声波反射法得到的声波数据 ,由于直达波、面波等强干扰与有用的异常反射信号叠加在一起 ,给资料解释带来了很大的困难。根据直达波、面波的等时传播、波数为零的特点 ,运用频率—波数滤波技术将异常反射信号分离出来。另外 ,由于数据采集时激发—接收距离的变化 ,以及检波器与建筑物表面耦合紧密程度的影响 ,造成了波的静态时移和相邻道之间的能量变化 ,这些因素严重地影响了异常反射信号的分离效果。通过研究采用静校正和能量均衡等处理方法 ,较好地解决了分离异常信号处理过程中存在的问题。异常反射信号分离方法在三峡大坝永久船闸混凝土质量检测中得到应用 。

王仁先生在地震预报中的开拓性工作

中国是一个多地震和强地震的国家,地震预报是当代科学最具挑战性的课题之一.王仁先生从20世纪70年代起开展了前瞻性和开拓性的工作,他的思想的科学性已经被半个世纪以来的地震科学进展所证明.本文简要回顾了王仁先生关于地震预报的科学思想和实践,以及这些思想在近年来取得的突出进展,展望了今后数值地震预报在高性能计算物理模型驱动和机器学习数据驱动下的发展前景.