[论文解读] Post-injection aseismic slip as a mechanism for the delayed triggering of seismicity

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

earthquake and tectonic studies被引用 5

一句话总结

本研究提出，流体注入停止后，非地震性滑移在三维断层系统中以前置脉冲型破裂形式传播，持续时间远超注入结束时间。通过水力-机械模型，研究证明临界应力状态下的断层可使滑移传播时间比注入时长久达数个数量级，破裂范围可接近关闭时大小的两倍——为地质能源作业中延迟、远距离地震活动提供了机制解释。

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.

研究动机与目标

• 理解流体注入停止后，非地震性滑移在后注入阶段的传播与终止机制。
• 评估后注入非地震性滑移是否可解释现场案例中观测到的地震活动延迟发生。
• 量化三维水力-机械系统中关闭后故障滑移与应力重分布的时空演化过程。
• 评估该机制对地质能源项目中地震风险管控的影响，特别是针对交通灯系统。
• 建立一个基于物理的后注入非地震性滑移框架，作为远距离与延迟地震事件的驱动机制。

提出的方法

• 采用边界元法耦合流体流动与断层滑移动力学，开发三维水力-机械模型。
• 采用恒定摩擦系数以确保滑移无条件稳定，代表破裂传播的保守上界。
• 模拟流体注入后关闭过程，追踪滑移与应力场随时间的演化。
• 使用应力-注入参数 𝒯 量化断层临界性及其对后注入滑移传播的影响。
• 分析以脉冲型模式传播的破裂，重点关注滑移距离与终止时间。
• 与已知的后注入地震案例对比，验证所提出的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三维断层系统中，流体注入停止后，非地震性滑移如何传播？
• RQ2 在时间与空间范围上，什么因素控制了后注入非地震性破裂的终止？
• RQ3 后注入非地震性滑移在多大程度上可对远距离断层段施加应力并触发地震？
• RQ4 以应力-注入参数 𝒯 量化断层临界性时，其如何影响后注入滑移事件的持续时间与规模？
• RQ5 该机制能否解释地热与油气作业中注入关闭后观测到的延迟地震事件？

主要发现

• 后注入非地震性滑移以前置脉冲型模式传播，破裂前缘在注入停止后仍持续推进。
• 临界应力状态断层上的破裂可比注入时长久达数个数量级。
• 最大破裂滑移距离可接近关闭时破裂尺寸的两倍。
• 后注入滑移对日益扩大的岩体体积持续施加应力，为延迟地震活动提供了合理机制。
• 该机制在应力-注入参数 𝒯 较高的断层上最为有效，表明其处于临界应力状态。
• 该模型代表破裂传播的上界，因其忽略了断裂能耗散与摩擦愈合效应，而这两者本应缩短传播距离。