開採頁岩油氣能引發地震?

隨著國際油價的上漲，人們不斷努力尋找石油替代能源或是精進探採技術以提高產能，終於在 1990 年末於北美地區成功開採頁岩油氣並開始量產。開採過程中的關鍵步驟之一是將加壓液體灌入地底，使緊實的頁岩層產生微小裂縫，再通過這些相連通的孔隙將底下的油氣沖洗 (flush) 到地面上蒐集，這種高端的技術稱為水力壓裂法 (hydraulic fracturing)，此原理也常被應用在地熱能源的開發以加強地熱流通量。雖然水力壓裂技術已存在數十年，也一直有所改進，近期學者們卻開始對這種破壞岩石的開採方式表示關切，因為在這些生產區已出現一些”不尋常”的地震活動。

美國中部地區的統計結果顯示地震在近幾年有明顯暴增的跡象 (圖一)。規模大於等於三的地震數量由 1973–2008 年間平均每年24 個增加到 2009–2014 間的 193 個，而現在單是 2014 年就有 688 個地震發生。地震發生頻率增加的地方並不是隨機的，而是在特定的區域，許多是油氣開採作業區附近，有的則鄰近回收水灌注井 (wastewater-injection well)，因此懷疑地震是人類活動引起而非自然發生。雖然被懷疑為觸發的地震其最大規模都在 4.5 至 5.5 之間，在台灣只能算是中型有感，但在平常沒什麼地震活動的美國中部就顯得相當突兀，也有一些災情傳出。要分辨人為與天然地震並不容易，需要好的佐證資料，提升對小地震的偵測能力。

圖一、美國中部規模大於等於三的地震數量隨時間的變化 (Rubinstein and Mahani, 2015)

這幾年來陸續有學者針對油氣開採區做詳細的地震觀測，想要藉此了解注水與地震的關係及特性。以美國 Ohio 的 Township 為例，2014 年的地震群在其發生的空間與時間皆可跟水力壓裂工地的施作對應上，於是可以認定地震是被誘發的，而觀測到的地震規模普遍都在芮氏規模三以下。最近 2015 年 1 月 23 日在加拿大 Alberta 的 Crooked Lake 則發生了一起芮氏規模 4.4 (地震矩規模 3.8) 的有感地震。加拿大學者試著監控井壓及地震活動的變化，將地震以雙叉分法 (double-difference) 精確定位，結果證實 2011~2013 年的群震活動在附近數公里外之作業井施行灌注的時間相符，兩者時間序列的交互相關高達 99%，井壓大約 60 MPa。隨後該區又在 2015 年 6 月 13 日發生一起同樣規模的地震，顯然類似的活動可以不斷發生。

從斷層面解來看，這類地震都比較像是屬於剪切錯動型態的地震，並沒有很強的體積變化或非力偶分量。地震規模及數量則可進一步推求 b 值 (即大地震與小地震的數量比關係)，這些地震的b值估算約為 0.8–0.9，與水力壓裂產生裂隙所直接造成的地震 (b 值 ~2) 不同，因此一般相信這些地震可能是原已存在的老斷層被觸發而引起錯動。
到底水力壓裂如何影響地震的發生呢？斷層錯動需要達到一定的有效應力人為的影響 (無論注水或抽水) 都可能造成應力與孔隙壓力的變化，當剪切力上升、正向力下降、以及孔隙壓力增加之時較容易達到斷層破裂 (或錯動) 條件而引發地震 (圖一)。一般來說地震誘發可以是發生地本身的應力受到擾動，也可能是距離較遠的觸發，兩種狀況都被發現過。誘發地震發生時會釋放原本累積在斷層上的大地應力 (tectonic stress)，跟天然地震其實沒什麼不同。

那麼這種被誘發的地震規模能到多大呢？這個問題目前尚未有定論，原本 2015 年初所發生的 Alberta 地震被認為是加拿大觸發型地震中規模最大的一個，沒想到 2015 年 8 月時又出現一個更大的類似地震在加拿大 British Columbia，規模為 4.5，而 2011 年美國 Oklahoma 中部所發生的規模 5.7 地震也被懷疑與注水有關。由於這種利用注水壓裂岩石的方法在開採工程上已經變得相當普遍，站在地震危害的角度來說，未來應要持續評估它對環境所可能產生的影響，謹慎看待。

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