深層地?zé)崮艿拈_發(fā)和商業(yè)化，特別是通過水力壓裂技術(shù)和增強型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS），尚未在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)的一個重要障礙是誘發(fā)地震事件帶來的風(fēng)險。一些EGS項目甚至在建儲期間引發(fā)了顯著的誘發(fā)地震事件，導(dǎo)致災(zāi)害損失、引發(fā)法律糾紛甚至導(dǎo)致項目終止，例如瑞士的巴塞爾EGS項目、韓國的浦項EGS項目等。目前取得共識的是，在EGS項目實施過程中需要有效的地震災(zāi)害風(fēng)險管理措施。水力壓裂作業(yè)誘發(fā)的最大震級（Mmax）的前瞻性預(yù)測是EGS項目地震災(zāi)害風(fēng)險管理的核心問題之一，但相應(yīng)的Mmax預(yù)測模型的局限性和適用性仍需要系統(tǒng)性地驗證。此外，關(guān)井后仍發(fā)生地震甚至發(fā)生更大地震的尾效現(xiàn)象，由于對其發(fā)生的物理機制理解不足，更是對Mmax預(yù)測模型的適用性提出了挑戰(zhàn)。

中國地震局地球理研究所蔣長勝研究員團隊，針對上述的誘發(fā)地震Mmax預(yù)測模型的適用性問題，以中國地質(zhì)調(diào)查局在青海共和縣恰卜恰盆地實施的我國首個EGS項目為例開展了系統(tǒng)性研究。研究中選擇了四個目前可獲取且可操作、具有數(shù)據(jù)和參數(shù)信息的Mmax預(yù)測模型，包括H14、NRBE、G17和V16模型，對共和EGS項目2019~2021年期間實施的9個水力壓裂施工期、6個具有尾隨效應(yīng)的關(guān)井期以及完整時段（微震分布見圖1），進行了系統(tǒng)性的統(tǒng)計檢驗和比較研究。在分析了不同預(yù)測模型和不同預(yù)測時期性能差異的原因后（見圖2），提出了結(jié)合不同模型優(yōu)勢和不同預(yù)測時期特點的最優(yōu)預(yù)測模型Y24（見圖3和圖4）。研究中還探討了影響模型預(yù)測性能的因素、構(gòu)建混合預(yù)測模型和“最優(yōu)模型”選擇、預(yù)測模型的不確定性分析等問題。

圖1  共和EGS項目場地2019~2021年期間的微震事件空間分布

（a）微震事件的水平空間分布圖；（b）微震事件的三維空間分布；（c）沿東西方向的深度剖面圖；（d）沿南北方向的深度剖面圖。圖中圓圈和實心點代表不同震級的地震事件，顏色表示其發(fā)生時間。黑色實線表示地?zé)峋能壽E，三角形表示地震臺站，黃色方塊標記出了井口的位置。

圖2  影響關(guān)井后地震最大震級預(yù)測的潛在因素分析

（a）累積地震矩與累積注入體積的對比，其中累積地震矩包括水力壓裂階段和關(guān)井階段，兩條平行虛線表示曲線的波動范圍；（b）水力壓裂期間的地震效率（Seff）與關(guān)井前后累積地震矩釋放的比率之間的關(guān)系；（c）水力壓裂期間的最大注入速率與關(guān)井前后累積地震矩釋放的比率之間的關(guān)系；（d）水力壓裂期間的單次連續(xù)注入體積與關(guān)井前后累積地震矩釋放的比率之間的關(guān)系；（e）水力壓裂期間的最大井口壓力與關(guān)井前后累積地震矩釋放的比率之間的關(guān)系；（f）關(guān)井前井口壓力與關(guān)井前后累積地震矩釋放的比率之間的關(guān)系。

圖3 使用混合預(yù)測方法Y24和其他單一方法對水力壓裂施工期的Mmax預(yù)測結(jié)果

圖中圓圈的顏色表示預(yù)測震級被實際事件超過的方法數(shù)量，其中綠色表示沒有方法被超過，黃色表示一種方法被超過，橙色表示兩種方法被超過，紅色表示三種或四種方法被超過。

圖4 使用混合預(yù)測方法Y24和其他單一方法對關(guān)井后期的Mmax預(yù)測結(jié)果

圖中圓圈的顏色表示預(yù)測震級被實際事件超過的方法數(shù)量，其中綠色表示沒有方法被超過，黃色表示一種方法被超過，橙色表示兩種方法被超過，紅色表示三種或四種方法被超過。

研究結(jié)果表明，（1）在水力壓裂施工期間不同Mmax預(yù)測模型的預(yù)測性能存在顯著差異，并且不存在完美的預(yù)測模型。其中NRBE和G17模型對Mmax預(yù)測結(jié)果提供較高的估計，但預(yù)測過高的震級可能導(dǎo)致EGS項目中地震風(fēng)險防控的成本增加。H14和V16模型產(chǎn)生的預(yù)測結(jié)果相對更接近實際震級，但由于可能出現(xiàn)實際地震震級突破，在 EGS 項目建設(shè)中容易面臨安全風(fēng)險。（2）在水力壓裂和關(guān)井期間，同一預(yù)測模型的預(yù)測性能也存在顯著差異，并且將預(yù)測模型直接應(yīng)用于關(guān)井期可以取得一定的預(yù)測性能。這可以歸因于水力壓裂期間和關(guān)井期間在誘發(fā)地震發(fā)生機制方面的部分共性，即累積注入量對水力壓裂和關(guān)井期間的最大震級都有總體控制作用。（3）從可操作性的角度出發(fā)，提出了Y24模型用于EGS項目水力壓裂和關(guān)井期間的Mmax預(yù)測。Y24模型以加法混合的方式整合了所有四個預(yù)測模型，在水力壓裂期間和關(guān)井期間的預(yù)測結(jié)果中可以實現(xiàn)更高的覆蓋率（CR）和更低的偏差（MAE、Var 和 EMax），并有潛力在其他EGS項目或基于水力壓裂技術(shù)的頁巖氣開發(fā)項目的地震風(fēng)險管理中得到廣泛應(yīng)用。

該項研究成果于2024年7月刊發(fā)在國際主流地學(xué)期刊《Tectonophysics》（Yin, X. X., Jiang, C. S.*, Yin, F. L., Zhai, H. Y., Zheng, Y., Wu, H. D., Niu, X., Zhang, Y., Jiang, C., Li, J. W., 2024. Assessment and optimization of maximum magnitude forecasting models for induced seismicity in enhanced geothermal systems: The Gonghe EGS project in Qinghai, China. Tectonophysics, 886: 230438, https://doi.org/10.1016/j.tecto.2024.230438.）。該項研究由國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項目（U2039204）和甘肅省重點研發(fā)計劃項目（23YFPA0015）共同資助。

【作者簡介】

第一作者：尹欣欣，博士，甘肅省地震局高級工程師，主要從事地震臺網(wǎng)監(jiān)測和誘發(fā)地震的研究。E-mail: yxx@gsdzj.gov.cn

通訊作者：蔣長勝，博士生導(dǎo)師，中國地震局地球物理研究所研究員。九三學(xué)社中央科技專門委員會委員、中國地球物理學(xué)會第十一屆理事會理事、地震學(xué)專業(yè)委員會副主任委員、中國地震學(xué)會科普委員會副主任委員。主要從事地震監(jiān)測技術(shù)和預(yù)測理論研究。Email: jiangcs@cea-igp.ac.cn