由于地热作业在比利时莫尔地区的二叠纪断裂碳酸盐岩中引发的地震活动机制

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Mechanisms of induced seismicity due to geothermal operations in the Dinantian fractured carbonates in Mol, Belgium

地热项目在比利时Mol的Dinantian碳酸盐层实施中，平衡注采导致多起中强地震（ML2.2）。通过耦合热-水-机模型，模拟发现孔隙弹性卸载和应力转移是主要诱震机制，非震滑移驱动深层远场地震。模型验证了压力扩散和温度变化的时空分布特征，揭示了应力在非震滑移与断层微地震之间的传递作用。

　　

Brecht B.T. Wassing|Justin Pogacnik|Matsen Broothaers|Loes Buijze|Johannes H.P. de Bresser

荷兰地质调查局（TNO），Princetonlaan 6，3584 CB Utrecht，荷兰

摘要

Mol的VITO可持续发展园区的地热项目针对的是Dinantian地层的断裂碳酸盐岩。在平衡的地热作业过程中，记录了几次地震，最大震级为M_L 2.2。为了更好地理解这些地震活动的机制，我们开发了一个热-水-力学模型，以模拟注入井附近断层的压力、温度和应力变化，而大多数地震事件都发生在该断层附近。根据观测结果，应力降和地震矩释放量都较低，因此在模型中，该断层被描述为嵌入在较宽的平静区域中的几个孤立凸起部分。尽管模型几何结构被简化了，且流动和力学行为也没有完全约束，但它仍能够再现该地热站点地震活动的主要特征。我们的模拟表明，由于注入量相对较小，热效应对断层应力的影响有限。关井后迅速发生的孔隙弹性卸载可能促进了地震滑动。主要由压力增加驱动的平静滑动似乎在断层重新激活中发挥了重要作用。模型结果表明，从平静滑动到断层凸起的应力传递可能是地震活动的一个关键驱动因素，尤其是在距离注入井较远、深度较大的地方。

引言

加速地热能生产的愿景需要开发新的地热目标。西北欧的一个此类目标是Dinantian断裂碳酸盐岩层¹。位于Mol的前Balmatt Industries场地上的VITO地热项目是比利时北部首个在Dinantian石炭纪石灰岩群断裂碳酸盐岩中实施的地热项目^{2, 3, 4, 5}。该场地包含三口井（图1）。地热系统在平衡条件下运行，流体注入速率与生产速率紧密匹配，以最小化储层中的压力变化。在2018年12月至2019年6月的短期平衡循环期间，记录了几次地震，其中最大震级为M_L 2.2的地震发生在2019年6月23日²。此次事件导致地热活动暂停^{5, 6}。2021年4月恢复运营，但直到2022年11月16日发生M_L 2.1的地震后，所有活动才再次停止⁶。M_L 2.2和M_L 2.1的地震都被附近的Dessel和Mol城市居民感受到，据VITO称，M_L 2.1地震后有一些财产损失⁷。本文涵盖了2018年12月至2022年12月期间的数据和情况。

鉴于地热场地靠近Dessel和Mol城镇，以及Dessel和Mol的核设施，对地震危险的可靠评估和有效的地震风险管理至关重要。对地热作业、断层重新激活和诱发地震之间相互作用的有力机制理解对于评估和管理这些风险至关重要。

在像Mol这样的平衡地热系统中，由于流体生产和注入以及注入冷水导致的冷却，储层中的压力变化会引起应力变化，这些变化涉及多种机制，可能导致断层重新激活和诱发地震。许多研究调查了在断裂或断层岩石中进行地热作业时诱发地震的原因^{1, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17}。Buijze等人的综述¹概述了驱动断裂地热储层应力变化和诱发地震的关键机制，包括孔隙压力扩散、孔隙弹性、热弹性、应力传递和断层岩石的化学变化。Boyet等人⁸证明，孔隙弹性应力作用可以超出压力扩散区域，并可能促进了Basel增强地热系统中远距离断层的重新激活。V?r?s和Baisch⁹探讨了长期热弹性应力作用与快速孔隙压力增加之间的相互作用，认为这是荷兰南部Dinantian断裂碳酸盐岩中地震活动的根本原因。Hager等人¹⁰发现，意大利Val ‘d’Agri场地断裂碳酸盐岩储层中注入井附近的大部分地震活动与超过先前最大值的库仑应力有关，但他们使用速率-状态地震模型解释了在较低库仑应力值下发生的地震。其他多项研究^{11, 12, 13, 14, 15, 16}讨论了流体扩散与平静滑动之间的相互作用，其中流体在断层中的积聚引发了平静滑动，进而将应力传递给易发生地震的凸起部分。这种平静应力传递可以影响距离注入井较远的断层段。Kinscher等人¹⁶认为，平静蠕变可能在Mol地热场地的地震活动中发挥了重要作用。

这些研究表明，多种机制可以驱动断裂介质中的地震活动，而主导机制取决于特定地点的地质和运营条件。目前仍缺乏对Mol地热场地不同物理机制驱动地震活动的定量综合评估。这一空白限制了准确评估地震危险和实施有效缓解策略的可能性。

本研究的目的是提高我们对Mol场地断裂岩石中诱发地震机制的理解。为此，我们采用了一个耦合的热-水-力学模型，分析了地热作业对压力和温度变化、断层加载和地震活动的影响。具体来说，我们研究了压力扩散、孔隙弹性、热弹性和平静滑动的作用。通过将模拟结果与观测到的地震活动的主要特征进行比较来验证我们的模型。除了提供特定地点的见解外，这些发现还有助于理解断层重新激活和地震危险评估，并有助于为Dinantian碳酸盐岩中的其他地热活动制定有效的风险缓解策略。

部分摘录

岩性-地层序列

这些井针对的是石炭纪石灰岩群（也称为Dinantian碳酸盐岩²）中的断裂碳酸盐岩。图2显示了基于Mol-GT-03钻探数据的岩性-地层序列，该数据涵盖了整个碳酸盐岩序列。石炭纪石灰岩群由石灰岩、白云岩和泥岩组成，位于地表以下约3150米至3990米深度之间³³³。Dinantian碳酸盐岩之上是页岩和泥岩（Souvré

建模方法

我们使用一个耦合的热-水-力学（THM）数值模型来分析压力和温度变化对断层稳定性和诱发地震的影响。我们的方法基于Taron和Elsworth²²最初描述的代码进行了TOUGH2和FLAC3D的迭代耦合。在每个时间步骤中，流动模拟器TOUGH2计算流体压力和温度，然后FLAC3D利用这些数据计算位移、应力和应变。

压力和温度演变

图6显示了储层中孔隙压力和温度变化的横向分布，以及第二阶段结束时EW-1断层上的孔隙压力变化。靠近注入井的断层上部孔隙压力变化略高于2 MPa⁴⁴⁴，随着深度和距离注入井的增加而减小。温度变化仅限于井附近区域，热前沿本身并未到达EW-1断层。

库仑应力变化——直接压力效应、孔隙弹性和热弹性的贡献

图7a显示了总库仑应力

讨论

我们的模型结果表明，热弹性效应相对较小，且仅限于靠近注入井的区域。这是由于注入的流体量有限，但随着注入时间的延长，这些效应可能会增加。我们注意到，这里采用的单一孔隙度方法可能无法完全捕捉断裂介质的热和应力响应，在这种环境中，流动主要由断裂控制，而基质控制储存和冷却过程。

结论

我们开发了一个几何结构简化的耦合模型，用于模拟注入井附近断层的压力、温度和应力变化。该断层特征为平静的断层表面和几个嵌入的凸起部分。

我们进行了敏感性分析，以探讨模型参数不确定性的影响。虽然不同情景下的库仑应力变化绝对值有所不同，但分析显示出相似的趋势

CRediT作者贡献声明

Loes Buijze：撰写——审稿与编辑。Matsen Broothaers：撰写——审稿与编辑，方法论。de Bresser Hans：撰写——审稿与编辑。Justin Pogacnik：撰写——审稿与编辑，方法论。Wassing Brecht：撰写——初稿，方法论，形式分析，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

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