[논문 리뷰] Post-injection aseismic slip as a mechanism for the delayed triggering of seismicity

Alexis Sáez, Brice Lecampion|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 30.

earthquake and tectonic studies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 유체 주입 후 압력이 해제된 후에도 3차원 단층 시스템에서 후주입 비지각적 슬립이 펄스 유사한 파손으로 확장된다는 것을 제안한다. 유체-기계적 모델을 사용하여, 임계적으로 압축된 단층이 주입 기간보다 수 개의 주기만큼 더 오래 슬립 확장을 유지할 수 있음을 입증한다. 파손 영역은 주입 종료 시점의 크기보다 거의 두 배에 이르며, 이는 지열 에너지 운영에서 지연된 원거리 지진성의 메커니즘을 제공한다.

ABSTRACT

Injection-induced aseismic slip plays an important role in a broad range of human-made and natural systems, from the exploitation of geo-resources to the understanding of earthquakes. Recent studies have shed light on how aseismic slip propagates in response to continuous fluid injections. Yet much less is known about the response of faults after the injection of fluids has stopped. In this work, we investigate via an hydro-mechanical model the propagation and ultimate arrest of aseismic slip during the so-called post-injection stage. We show that after shut-in, fault slip propagates in pulse-like mode. The conditions that control the propagation as a pulse and notably when and where the ruptures arrest are fully established. In particular, critically-stressed faults can host rupture pulses that propagate for several orders of magnitude the injection duration and reach up to nearly double the size of the ruptures at the moment of shut-in. We consequently argue that the persistent stressing of increasingly larger rock volumes caused by post-injection aseismic slip is a plausible mechanism for the triggering of post-injection seismicity -- a critical issue in the geo-energy industry. We discuss evidence that supports this mechanism based on documented cases of post-injection-induced seismicity.

연구 동기 및 목표

• 유체 주입이 종료된 후 비지각적 슬립의 확장 및 정지 메커니즘을 이해하기 위해.
• 후주입 비지각적 슬립이 현장 사례에서 관측된 지연된 지진성 발생을 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• 3차원 유체-기계적 시스템에서 정지 후 슬립의 시공간적 변화와 응력 재분포를 정량화하기 위해.
• 이 메커니즘이 교차 신호 시스템을 포함한 지열 프로젝트에서 지진 위험 관리에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 후주입 비지각적 슬립이 원거리 및 지연된 지진 사건의 원인으로 작용하는 물리 기반 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 경계 요소 방법을 사용하여 유체 흐름과 단층 슬립 역학을 결합한 3차원 유체-기계적 모델 개발.
• 절대 안정적인 슬립을 보장하기 위해 일정한 마찰 계수를 적용하여, 파손 확장의 보수적 상한선을 확보.
• 유체 주입 후 정지 조건을 설정하고, 시간에 따른 슬립 및 응력장의 변화를 추적.
• 파손 확장에 미치는 영향을 정량화하기 위해 응력-주입 매개변수 𝒯를 사용.
• 펄스 유사 모드로 확장되는 파손의 분석에 중점을 두며, 주행 거리와 정지 시점의 분석.
• 기존의 후주입 지진성 사례와의 비교를 통해 제안된 메커니즘의 타당성을 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3차원 단층 시스템에서 유체 주입이 종료된 후 비지각적 슬립은 어떻게 확장되는가?
• RQ2 후주입 비지각적 파손의 정지 시점과 공간적 범위는 무엇에 의해 제어되는가?
• RQ3 후주입 비지각적 슬립이 얼마나 멀리 떨어진 단층 구역을 응력에 작용시켜 지진성을 유도할 수 있는가?
• RQ4 응력-주입 매개변수 𝒯로 정량화된 단층의 임계성은 후주입 슬립 사건의 지속 시간과 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 메커니즘이 지열 및 석유 천연가스 운영에서 주입 정지 후 관측된 지연된 지진성 사례를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 후주입 비지각적 슬립은 펄스 유사 모드로 확장되며, 주입이 종료된 후에도 파손 전파가 계속된다.
• 임계 응력 상태에 있는 단층에서의 파손은 주입 기간보다 최대 수 개의 주기만큼 더 오래 지속될 수 있다.
• 최대 파손 주행 거리가 정지 시점의 파손 크기의 거의 두 배에 이르기도 한다.
• 후주입 슬립이 점점 더 큰 암석 부위를 지속적으로 응력에 작용시킴으로써 지연된 지진성의 타당한 메커니즘이 제공된다.
• 이 메커니즘은 응력-주입 매개변수 𝒯가 높은 단층에서 가장 효과적으로 작용하며, 이는 임계 응력 상태를 의미한다.
• 모델는 파손 에너지 소산과 마찰 회복을 고려하지 않기 때문에 파손 확장의 상한선을 나타내며, 이들 요소를 고려하면 확장 거리가 짧아질 것이다.