作者:Ariel Conn，地震学家和科学作家弗吉尼亚理工大学地球科学系

俄克拉荷马州最近上了新闻，因为它的地震故事太戏剧化了。这个曾经平均每年发生一到两次3级地震的州现在平均每天发生一到两次地震。这个以前从未有过地震活动的州，现在是现在比加州地震更活跃。不过，就理解污水处理井与地震之间的联系而言，先看看其他州可能会更有帮助。让我们在人造地震第二部分中进一步探讨这个问题。

其他州如何处理诱发地震活动

2010年和2011年，阿肯色州格林布赖尔镇附近发生了一系列地震，最终发生了4.7级地震。阿肯色州官员下令暂停该地区所有的污水处理井，地震活动迅速平息。

2011年底，俄亥俄州一座处置井附近发生了小地震，最终发生了4级地震，令居民震惊不已。处置井关闭了，地震也平息了。随后对地震的研究证实，问题中的处置井实际上引发了地震。去年在俄亥俄州发生的一系列地震导致另一口井关闭，在污水注入停止后，地震再次消退。

2014年底，堪萨斯州发生了两场震级分别为4.7级和4.9级的地震，该州官员下令南部两个县的水井减少注入地下的水量。地震活动再次迅速平息。

地震学家的工具箱

科学家们最喜欢说的一句话是，相关性不等于因果关系，这句话很容易适用于俄亥俄州、阿肯色州和堪萨斯州的相关性。然而，科学家们仍然确信，污水处理井可能引发地震。那么，他们采用了哪些技巧来得出这些结论呢?在维吉尼亚地震观测站在美国，我们用来确定联系的两种工具是相互关联程序和沙滩球图。

互相关

VTSO的研究是由国家能源技术实验室资助的，它专门研究了在西弗吉尼亚州的一个污水处理井附近出现过几次的地震群。我们使用交叉相关程序来区分可能由附近油井引发的地震与可能是自然事件或与采矿活动有关的地震。

地震台站将其周围发生的所有振动记录为弯曲的线条。当地震波通过时，其弯曲的线条呈现出一种特定的形状，称为波形，地震学家可以很容易地识别(例如，图1中的VTSO标志是使用西弗吉尼亚州一次潜在诱发地震的波形设计的)。

对于自然发生的地震，波形的形状会有一些变化，因为它们来自不同位置的不同断层。当注入井触发地震时，它通常会激活附近的断层，从而导致波形更相似。相互关联程序是一种简单的计算机程序，它可以通过地震检波器的几天、几周或几个月的数据来找到相似的波形。当匹配的波形表明地震活动正在注入井附近发生时，特别是在没有地震活动历史的地区，我们可以得出结论，地震是由人类活动引发的。

沙滩球

任何地震断层，无论是活跃的还是古老的，都会受到压力，直到断裂点。不同之处在于，在像加州这样活跃的地方，对抗断层的自然力量经常发生变化，从而引发地震。古老的断层仍然承受着很高的压力，但它们周围的地面已经变得更加稳定。然而，在任何时间点，如果一个意想不到的力量出现，它仍然可以引发地震。

地震断层并不都指向同一个方向，这意味着不同的力会对断层产生不同的影响。根据断层走向的不同，有些断层可能会向南北方向移动，有些可能会向东西方向移动，有些可能会倾斜一定角度，而有些则更垂直，等等。地震学家使用震源机制来描述地震中断层的运动，这些震源机制用沙滩球图来描述(图2)。沙滩球图看起来就像黑白沙滩球。“沙滩球”的不同象限将更占主导地位，这取决于它是什么类型的断层以及它是如何移动的美国地质勘探局对震源机制和“沙滩球”符号的定义)。

当地震是由注入井引发的，这意味着注入地下的液体基本上是压垮骆驼的最后一根稻草。地震理论预测，注入井的力量不会触发所有断层，而只会触发那些方向正确的断层。因为我们预计只有某些方向正确的断层才会被触发，这意味着我们也预计地震有相似的震源机制，因此，类似的沙滩球图。这正是我们在俄克拉荷马州看到的。

相互关联程序和沙滩球图只是我们在VTSO用来确认哪些地震是诱发的两种工具，但地震学家有许多方法来确定地震是诱发的还是自然的。

科学的局限性?

有了这么多强有力的科学证据，为什么工业界的人仍然声称没有足够的科学来正式证实注入井引发了地震?在某些情况下，这些说法完全是错误的。但在其他情况下，尤其是在俄克拉何马州，问题是没有人从一开始就监控处理井和地震。直到最近，油井运营商才被要求公开追踪他们注入水井的水量，也没有人监测附近的地震活动。最大的问题不是缺乏科学证据，而是缺乏来自行业的数据来进行充分的研究。如果科学家要确认地震是否由处置井引发，他们需要有关处置井注入流体的历史、体积和压力的信息。通常，这些信息是专有的，不能公开获取，或者可能根本不存在。

然而，在这一点上，另外两个因素使注入井与俄克拉何马州地震之间的直接关联变得更加困难:

1. 如此多的井在距离足够近的地方注入了大量的水，以至于将手指指向特定的井更具挑战性。
2. 大量的水井已经注入了这么多年的水，以至于地震正越来越远离它们的原始震源。同样，随着时间的推移，指指某口井变得越来越困难。

我们所知道的

我们知道什么是诱发地震活动，以及它发生的原因。我们知道，如果一个污水注入井在一个存在断层的地区处理大量地下深处的流体，它可能会引发地震。我们知道，如果一个地区以前很少发生地震，然后在开始注入废水后发现地震有所增加，那么地震很可能是诱发的。我们知道，如果我们想更好地了解情况，我们需要在处置井附近建立更多的地震台站，这样我们就可以更准确地监测该地区在油井开始活动之前和之后的地震活动。

我们还有什么不知道的?

我们不知道诱发地震能达到多大。俄克拉荷马州最大的地震，也是美国有记录以来最大的诱发地震，震级为5.6级。这足以造成数百万美元的损失。在世界范围内，被怀疑是诱发的最大地震发生在印度科伊纳大坝附近，1967年发生的6.3级地震造成近200人死亡。

那么大的地震会发生在美国中部吗?目前最好的猜测是:是的。

地震学家怀疑，一场诱发地震的规模可能和断层一样大。如果一个断层大到足以引发7级或8级地震，那么这就是诱发地震的潜在强度。19世纪初，密苏里州圣路易斯附近的新马德里断裂带发生了三次7到8级的地震。19世纪末，南卡罗来纳州的查尔斯顿发生了7级地震。在这两个地区，注入井可能会引发非常大的地震。

我们在俄克拉何马州没有这么大的地震的历史记录，所以现在，最好的猜测是那里最大的地震可能在6到6.5级之间。这足以造成严重的破坏，伤害，甚至死亡。

解决方案

这一切的关键信息是什么?

• 首先，有科学证据支持注水井引发地震的结论。
• 其次，如果我们想更好地了解哪些井有更多的问题，我们需要资金、地震台站和工作人员来监测所有大排量注入井周围的地震活动，以及注入时间、井的体积和压力的历史数据。
• 第三，这是一个问题，如果不加以控制，有可能造成重大损害、难以置信的损失，甚至可能造成生命损失。

诱发地震是一种真实的现象。虽然需要更多的研究来帮助我们更好地理解这些事件的复杂性，并确定复杂情况下的相关性，但俄克拉荷马州和其他州地震群的一般原因并不是一个谜。它们是人为的问题，得到了几十年科学研究的支持。它们有可能造成重大破坏，但我们有足够的资金来阻止它们。我们不需要走到关闭所有油井的极端，相反，我们只需要能够监控油井并确保它们不会引发地震。如果一口井确实引发了地震，那么在那个时候，操作人员可以尝试大幅减少注入水量，或者完全关闭这口井。了解和认识注水井与地震之间的联系，将使诱发地震活动性问题更容易解决。