環境與生態

鑽探石油,引發地震?

美國以液壓破裂法開採油氣的許多地區,近年地震次數異常頻繁,科學家對於兩者關聯益發肯定,但主管機關慢半拍的應變是否來得及減輕災害?

撰文/考區曼(Anna Kuchment)
翻譯/邱淑慧

環境與生態

鑽探石油,引發地震?

美國以液壓破裂法開採油氣的許多地區,近年地震次數異常頻繁,科學家對於兩者關聯益發肯定,但主管機關慢半拍的應變是否來得及減輕災害?

撰文/考區曼(Anna Kuchment)
翻譯/邱淑慧


對於住在美國德州達拉斯郊區的華萊士(Cathy Wallace)來說,使她原本整齊的家劇烈搖晃的地震,宛如發生在地底的風暴。剛開始是遠處轟然巨響的地鳴,然後是隆隆聲和顛簸晃動。房子震動、窗戶不斷抖動,牆上畫框喀啦作響並歪斜,一只沉重的玻璃花瓶翻倒後破裂。在隆隆聲響後和物品發生碰撞前,最令人不安。她說:「每次地震發生時,我知道會有物品碰撞,但不知道會多嚴重。還會有更大的震動嗎?我的房子會倒塌嗎?這真的非常可怕。」

根據美國地質調查所(USGS)的資料,華萊士住了20多年的達拉斯-沃斯堡(DFW)地區在2008年前從未有地震記錄,但之後,該區的城市和鄰近郊區發生將近200起地震。以州的尺度來看,德州近年的地震次數比過往平均記錄多了六倍;俄克拉荷馬州則多了160倍,其中有些造成居民受傷以及建築物與公路損壞,2014年的地震發生率甚至超越了加州。

地震頻繁發生恰巧與鑽探活動增加的情形相符。例如華萊士家下方是由黑色堅硬岩石組成的巴尼特頁岩層,此處地層是美國第二大天然氣礦床。1998~2002年,鑽探公司採取液壓破裂法(hydraulic fracturing)把數百萬公升含有砂和化學物質的水,高壓注入地底,使岩石破裂而釋出天然氣。當氣體釋出,含有大量鹵水的液體伴隨而來,鹽度很高,具危害性。這些液體經由加壓後流往遠處另一口鑽井,並進入頁岩層下方的多孔隙岩層中,做為污水的最終處置。當越來越多液體注入這些污水井,岩層深處斷層兩側的液壓不斷升高,一旦岩層錯動,便引發地震。

USGS和其他機構的研究人員已在美國八個州發現地震遽增與油氣開採的關聯,包括德州、俄克拉荷馬州、俄亥俄州、堪薩斯州以及阿肯色州。對於科學家的發現,有些州的主管機關反應很慢,居民的憤怒持續上升,環保團體則提出告訴。華萊士說:「這是攸關公共安全的問題,卻遭到太多否認與忽視。」她與鄰近居民聯合起來,呼籲關閉鄰近的污水井。

當科學家持續研究這個現象,發現更多值得關注的理由。證據顯示,地震威脅可能遠及污水處置場外數公里,而且停止鑽探後十多年內仍可能發生。因污水灌注而引發的地震,規模最大的一次發生在2011年俄克拉荷馬州,芮氏規模達5.6,儘管科學家認為不太容易達到7.0,但仍有可能,這足以造成大範圍的毀壞和傷亡。


解析誘發地震

制定建築法規的工程師和保險公司需要知道下一起誘發地震會發生在何處、規模有多大?為了回答這個問題,USGS地震災害計畫(Earthquake Hazards Program)的地質學家分析美國持續上升的誘發地震發生率,以及誘發地震與自然地震的搖晃有何不同。他們發現,誘發地震只有在震央上晃動較強,在這區域以外則較弱,這可能是誘發地震發生的位置通常比自然地震淺。因為在洛磯山脈東側,最上層地殼比加州來得緻密,能有效傳遞能量,遠處人們才會依然感覺得到誘發地震。


下一步,研究團隊必須找出規模最大的微震,也就是了解地震規模的上限。把美國中部的地震與世界上其他地質條件類似區域的微震相比,發現到目前為止,美國中部誘發地震造成的錯動和美國西岸比較起來,通常發生在較小的斷層或斷層帶,他們認為上限是規模6.0,足以破壞建設良好的建築。USGS美國國家地震災害測繪計畫(National Seismic Hazard Mapping Project)主持人彼得森(Mark Petersen)說:「但不能排除規模7.0以上的地震。」因為科學家在史前記錄中發現德州-俄克拉荷馬州地區曾出現規模7.0的地震。在USGS新的測繪圖中也包含了這項可能性,只是機率較低。

最後,地質學家必須致力找出地震週期以做出合理的地震預測。他們根據前一年的地震發生率來預測下一年。彼得森說:「就像天氣,今天如果下雨,明天就比較可能下雨。」


今年3月USGS發表新的測繪圖。產生此圖的電腦模型也用來估計地震的劇烈搖晃會在何時發生、多常發生、規模多大,讓居民、工程師和都市規劃人員知道該地區在下一年遭受災害性地震的可能性。

對許多俄克拉荷馬州的居民而言,威脅顯然是快速增加。地震數據等於記載了他們的經歷,該州地震發生率以驚人速度上升,在去年更是達到890起。


這迫使USGS和OGS在2013年10月和2014年5月共同發佈聲明。地震學家表示,俄克拉荷馬州發生規模5.5以上災害性地震的機率顯著增加。USGS美國中部及東部地震災害協調人員威廉斯(Robert Williams)說:「我首度認為應該針對洛磯山脈東側進行地震監測。」

柯拉南和史丹佛大學的地球物理學家佐巴克(Mark Zoback)等人正在進行更詳盡的分析,想知道為什麼美國某些地方地震如此頻繁,其他地方卻很少甚至沒有,例如僅次於德州的第二大產油州北達科他州在過去五年僅有一次地震記錄。可能是注入的液壓尚未強到足以造成地震,而且相對於地殼內的天然應力方向,只有一部份斷層走向符合造成錯動的關鍵條件。


在研究有所進展的同時,政策也有改變。去年4月OGS正式宣告注入井誘發了地震,一項聲明中寫到:「OGS認為這非常可能是引發最近地震的主要因素,尤其是發生在俄克拉荷馬州中部與中北部的地震,是由灌注污水到注入井所引發。」

自那時起,州政府要求,在地震頻繁區域超過600口注入井的注水量必須降到2014年的60%。雖然判斷這樣的措施是否具長期效益還言之過早,但OGS所長柏克(Jeremy Boak)表示,他已經看到這些地區的地震發生率開始下降。整體而言,2016年初規模較大的地震減少了。艾爾斯渥斯並未提供政策建議,但仍懷疑俄克拉荷馬州減少注入量的措施是否奏效?他說:「就算減少注入量,也還是在注水,並且無法保證不會剛好遇到斷層而造成地震。」


許多人想知道,為什麼俄克拉荷馬州等到去年才開始採取有力的行動?他們之前已經歷了七年超過750起地震。負責管理並監督俄克拉荷馬州油氣開採的俄克拉荷馬州企業委員會發言人史金納(Matt Skinner)表示,當局自2013年便開始關閉個別注入井並採取其他減少地震風險的措施,直到去年才採取大規模的行動。這是因為在當時才有較多科學研究佐證,顯示注入井的液壓傳遞距離。「這改變了我們的做法,從原本針對個別井採取行動,變成針對注入井群,以減少潛在風險。」

凱勒表示,他也了解該州經濟對油氣的依賴。「我們的動作的確比那些快速因應的地區慢,但我們嘗試在經濟衝擊以及最後關頭才按下緊急停止鈕之間取得平衡,同時努力扛起責任。要找出該怎麼做,不是件容易的事。」對鑽井業者來說,減少注水量意味減少收入,而且必須把污水長途運送到其他處置場或設施。


德州採用新措施監測地震:去年提撥將近450萬美元的預算佈設監測地震網絡,以及推動其他地震研究。過去兩年,鐵路委員會也主動提升限制措施,關閉注入井並要求業者在新的地震活動區進行監測。雖然當局表達對地震的關切,但是對於能源生產造成地震的說法,仍未有正式定論。

州政府和油氣公司也在尋求其他解決方案,例如回收污水,或把污水注入距離更遠、或因深處斷層而孤立的岩層中,也可能拉開注入井之間的距離。

對油氣工業來說,暫停注水工作,即使只是單一大區域,都是無法接受的。能源公司Energy InDepth的發言人艾弗理(Steve Everley)說:「禁止污水注入等同於禁止油氣開採。」艾弗理表示,因為目前除了注入井之外,沒有其他符合經濟效益的選項,有許多公司是花費自己的環境預算,例如把污水載運到遠處處置。

許多專家認為,即使俄克拉荷馬州現在立刻關閉所有注入井,地震還是會持續發生。USGS地質災害科學中心的地震學家麥克納瑪拉(Daniel McNamara)說:「我們嘗試計算在這個系統中目前有多少能量,以及會維持多久,以目前的地震發生率估算,得到的數值非常大。」繼續追問詳情,他沉默了一下,然後才補充道:「還要持續監控數百年。」


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