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混沌的地底:遠方強震與人為誘發的交互作用

美國的天然氣開發商透過水力壓裂等方式開採天然氣,但這些注入地底的水可能會造成人為地震的增加。(圖片來源:Wikimedia common作者The Pinedale Field office of the BLM)

美國的天然氣開發商透過水力壓裂等方式開採天然氣,但這些注入地底的水可能會造成人為地震的增加。(圖片來源:Wikimedia common作者The Pinedale Field office of the BLM)

2013年8月31日,中國四川與雲南交界發生芮氏規模5.9地震,今年同時也是台灣921地震14周年,但是你知道嗎,除了要擔心自然板塊運動所引發的地震,我們也要關注一下隨著石油開採、抽取地下水或興建水庫,或許也會意外讓大地變得更容易晃動!

一般地震的成因是斷層兩旁的岩盤發生相對位移而釋出巨大的能量,隨著科技進步,人類開始有能力影響地底下的斷層狀態,例如改變斷層面的摩擦力或是改變斷層的壓力,從而誘發人為地震產生。對於此種人為誘發地震的憂慮近年來在美國逐漸攀升,尤其最近地震出現在出乎意料的地區時。

1967年到2000年間,美國中部以及東部平均每年經歷21次芮氏規模3以上的地震。但在2010年到2012年的短短3年,同一地區卻發生300多次規模3以上的地震。在阿肯色州、科羅拉多州、俄亥俄州以及德州有越來越多的地震似乎與天然氣與石油開採有關。由於天然氣與石油不易流過不透水層(impermeable shale),所以石油公司透過水力壓裂(Hydraulic fracturing)的方式打穿岩層,透過用大量摻入化學物質的水灌入頁岩層進行液壓碎裂以釋放天然氣與石油。壓裂岩層本身不會導致地震,但是這些加壓用的液體卻可能對附近斷層施加壓力,導致人為地震。

其實,科學家在數十年前便已經知道把液體注入地底可能誘發地震,但是在絕大多數情況中卻沒發生,更重要的是,先前科學家無法預測人為誘發的地震會在何時以及何處發生。2013年7月12日,地震學家發表一份報告,指出遠處大規模地震釋放出的地震波,可能會引起半個地球外的鑽探井附近小規模震動,這種小地震可能是斷層即將錯動的危險預告。

「當我們觀測到因為遠處強震造成的小地震,這似乎是更大規模的人為誘發地震的前兆,這代表這裡的斷層已經逼近臨界點。」科學家說。「每當我們改變地底的液體分布狀態,我們就將斷層更進一步推往發生錯動的邊緣。」

回顧自2003年至2013年的地震資料,2010年智利規模8.8地震、2011年東日本規模9.1大地震、2012年蘇門答臘規模8.6地震,都引發位於奧克拉荷馬州、德州與科羅拉多州的3座鑽探井附近小規模震動,而在遠方強震後6〜20個月內,三個鑽探井附近分別發生了規模4.3至5.7的地震。

來自遠方強震的地震波可能擾動了斷層面上的液體,導致壓力增加。如果天然氣開採業者能夠辨認何時斷層會發生錯動,他們便能夠調整注入地層中的液體量甚至停止。但是由於只有極少數的地方會因為遠方地震產生小震動,要運用這種方法預測的實用性仍有很大的限制。

在美國境內有數以千計的鑽探井,然而並不是每個井都會誘發地震,目前科學家還不清楚為什麼有些井會導致地震,而大多數的則不會。此外,並不是每個發生人為誘發地震的井都有預兆,尤其當處理井非常靠近斷層時,只需要幾個月的時間液體量便足以誘發斷層滑動。在這種情況下,要利用發生頻率較低的遠方強震預測這些人為地震相當困難。不過即便有這些限制,這份研究仍然幫助科學家更加了解誘發地震的自然機制。

雖然在多數情況下,人為誘發的地震並沒有導致太多損失,但是將液體打入地底不過是近幾十年的事,要判斷這些井導致的地震風險,以及鑽鑿這些井的經濟效益與風險相較是否值得還言之過早。目前這些井僅分布於偏遠的德州西部地區,一些地表的小小震動並不會干擾到任何人,但是當開採業者逐漸在靠近人口密集的地區鑽井,例如達拉斯附近時,或許人們就要重新思考它們所帶來的地震風險了。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院國家科學委員會科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

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關於作者

李柏昱

成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。