開採石油真的會引發地震嗎？如果是，原理是怎樣的？

01-08

道聽途說的，美國人在俄克拉荷馬州開採石油（天然氣？）的時候開出地震來了，覺得不可思議，一直覺得地震要很大的能量才會發生，難道人類的力量已經這麼強大了嗎？
USGS- Latest Earthquakes
Induced Earthquakes

竟然撞到這麼個問題哈。

估計題主聽說的是前些日子美國俄克拉荷馬州鮑尼郡的那場5.8級地震吧？俄亥俄州貌似最近沒有什麼明顯的地震。

至於這個問題，怎麼說呢。。。開採石油會引發地震嗎？——會。開採石油會導致地殼岩層的壓力和強度的變化，有引發地震的可能性。

那麼具體到俄克拉荷馬的鮑尼地震，它是開採石油引發的嗎？——也是，也不是。

這就是鮑尼地震之後的照片，雖然5.8級對於美國西海岸的人民來說不算什麼大事兒，也沒有造成人員傷亡，但這個地震是俄克拉荷馬州史上最大的一次地震，因此地震之後也被各種分析各種吐槽。

那為什麼我說也是，也不是呢？

第一，目前對這場地震的態度有兩種，大多數人說它是石油公司搞出的大新聞，但還是有人說它是自然發生的。如果它真是自然發生的，那它就追平了2011年弗吉尼亞的那場地震，並列成了一百年來落基山以東的美國發生過的最大的地震。（這倆都被我趕上了，這人品...）

第二，目前主流觀點是，這場地震確實和石油開採有關係。但是，嚴格來說這場地震並不是石油開採本身導致的，而是石油開採的附加動作——廢水傾注（wastewater injection）——導致的。

所以我說也是也不是。如果你覺得注水是石油開採的一部分，那就是；如果你把它們分開看作兩件不同的事兒，那就...不是。

那麼廢水傾注和石油開採到底是個啥關係？

打個比方的話，大概就是吃飯和洗碗的關係。

在包括俄克拉荷馬的美國中部，開採石油（以及天然氣）前一般要先進行『水裂』，也就是把含有一些特殊砂礫的加壓的水打進含油或氣地層里，讓地層碎裂開一些縫隙，以便石油或天然氣能更容易地流出來。在開採的過程中，為了提高產量，有時候也會在附近再打個洞，往裡面灌水，讓水帶動石油流向油泵的方向。但是這些打進去的水，多數是要和油一起被抽回地面的。那麼經過處理之後，石油就被運去化工廠了，那這些廢水怎麼辦呢？聰明的人們想了一招：我再打個深深的井，找一個沒啥用的地層，把這些廢水灌進去不就是了么。於是這就有了所謂的『廢水傾注』。

這就是大概齊的石油開採和廢水傾注的關係。所以回到問題，鮑尼地震究竟是不是石油開採引發的？如果一定要一個明確的回答，我還是會說『是』。為什麼呢？因為注水確實是跟俄克拉荷馬州的石油生產緊密關聯的一件事兒。我們看兩張統計圖表：

這分別是俄克拉荷馬州發生的3級和4級以上的地震的統計圖。從2009年開始，俄克拉荷馬（以及堪薩斯南部）發生的3級以上的地震數目突飛猛漲。這個現象被稱為『2009-16 Oklahoma Earthquake Swarms』。

那問題就又來了，俄克拉荷馬和堪薩斯開採石油的歷史都超過一百年了呀！以前不都好好的么。

這是因為，在近年來，一種新的技術被開始廣泛使用了。這種新技術就是水平打井。簡單地說，以前採油基本就是直接豎著往下插一個油泵，從含有石油的地層里往外抽石油。而現在則是插一個會轉彎的油管，到達含有石油的底層以後，轉個彎，水平地插到這個底層裡面去吸油。這種技術讓抽取石油的效率提高了不少，但也有個缺點，就是產生的廢水更多了。廢水變多了，因此傾注到地層里的水量也變大了許多。

但是在地層里，經常會有一種結構，那就是斷層。這些斷層形成的原因各式各樣，年代也各有不同，有很多還沒有被探明。我們知道，一旦這些斷層在剪切應力的持續作用下滑動了，就會產生地震。具體怎麼會滑動呢？平行方向的剪切應力（shear stress）會讓斷層累積『應變』（strain，可以理解為形變的趨勢和強度）。當這種strain累積到一定程度的時候，形變就會發生，這樣就釋放能量，斷層滑動，地震就發生了。然後應力和應變就會順著斷層傳遞到下一個地方去聚集，或者轉移到附近別的斷層上，產生新的地震（庫倫應力轉化）。

【打個比方，很多人在壓力大（stress）的時候就很愛暴飲暴食，如果到了一定的程度，就會有長胖的趨勢（strain），最終長胖了就是發生了形變（deformation）。這個人壓抑了、長胖了，影響周圍人的士氣，於是周圍也有別的人跟著暴飲暴食，然後也發生形變......】

但在俄克拉荷馬這種地質條件相對穩定的地方，斷層的這種活動很少，基本上達到了一種平衡的狀態，自然條件下不大容易滑動。我們對斷層做一下（不完全的）受力分析，就是下面這樣：

是什麼原因讓它們很難自然滑動呢？答案很簡單，摩擦力。當摩擦力大於剪切應力，斷層就不會滑動。

中學物理老師肯定說過，摩擦力f的公式長這樣：

f = μ * N

其中這個μ是摩擦係數，是物體本身的性質決定的。而這個N在中學物理課里是垂直作用在物體上的一個壓力，而在我們這個系統里就是正應力σ。所以說，正應力（壓力）越大，摩擦力就越大，斷層就越不容易滑動。我們換一種方式來表示這個系統的狀態，就會得到這樣一張圖，也就是所謂的『莫爾圓』（Mohr"s circle）：

根據摩擦力公式，每一個正應力就會對應相應的摩擦力，也就是圖上的虛線（強度包絡線 failure envelope）。虛線的斜率是由μ來決定的。在虛線以外部分，剪切應力大於正應力對應的摩擦力，地震就會發生，也就是『地震區』。在虛線之內的部分，剪切應力小於正應力對應的摩擦力，地震就不會發生，也就是『穩定區』。同時，每一個斷層系統，都會對應一個包括正應力和剪切應力的一個應力範圍，也就是圖裡的那個圓（σ1為最大正應力，σ3為最小正應力，半徑為剪切應力）。當這個圓完全處於『穩定區』的時候，這個斷層系統就不會發生地震。當這個圓跑進了地震區，地震就會發生。

那這根廢水傾注有什麼關係？1959年的一篇經典論文（作者叫Hubbert）就是講的這件事兒。人們把廢水灌進了地層里，地層里的空隙就被液體給填滿了。水在物理學上是一種很神奇的東西，它能帶來各種各樣的物理效果，比如浮力、張力、壓強等等。在這些大量的廢水的作用下，地層里孔隙的壓強就增加了，岩石的有效強度就減弱了，於是斷層系統的受力分析就變了：σ1和σ3都被廢水帶來的新增空隙水壓給抵消掉一部分，因此莫爾圓就往左移動了：

左移之後，莫爾圓的一部分就進入了虛線以外的地震區。莫爾圓表現的是斷層系統所受應力的一個範圍。這樣的情況下，剪切應力就有可能大於摩擦力，地震就有可能被引發了。

所以，現在一般都認為，鮑尼地震就是這樣被灌到地層里的廢水引發的。在鮑尼郡，應該是有一條以前沒發現過的斷層。附近油田灌的水在這個斷層上引發了地震。這個斷層的走勢大概能從餘震的分布上看出來：

它大概是個西北-東南走向的斷層，是附近一個大斷層（Labette斷層）的支線。目前，地震附近方圓大約30km之內的注水深井都已經被叫停了，但是據說這個斷層繼續的能量還沒有被放乾淨，所以未來還有地震的可能。也有人擔心，這個斷層的應力已經轉移到附近那個大斷層上，也許會導致更大的地震。

那可能還有個問題：開採石油時水裂法灌進去的水難道就不會引發地震嗎？其實也會的，但是目前的主流觀點（至少是我知道的主流觀點）是水裂法引發的地震一般不會超過4級。所以鮑尼地震（5.8級）應該不是水裂法引起的。

我上面說的只是一個高度簡化的物理模型，而現實中引發鮑尼地震的具體過程肯定比我說的要複雜得多，有興趣的大家可以去翻論文，有很多從各種不同角度去闡釋近幾年俄克拉荷馬的地震的文章，很多都有挺意思的。

知乎專欄：地球的那些事兒

微信公眾號山中雜說 (ShanYeTalking)

這是很正常的現象，也是我一直不看好目前國內頁岩氣開採的主要原因。

石油開採導致地震在近幾年越來越頻繁。

具體原因很複雜，目前研究也不是很全面。

學術界認為主要有下面兩個個原因：

（1）由石油移動和液體注入所引起的地殼壓力變化，雖然人為引起的地殼變化極小，但能夠「觸發」一次小地震。而該次小地震又通過進一步改變地殼壓力引發了大地震。

（2）在頁岩氣開採過程中通過加大孔隙壓力，天然氣井的增加改變了地震敏感區域的壓力，這潤滑了之前就已存在的斷層，以至於使它們更容易斷裂。之前也有研究將這種豎井使用的水力壓裂法與附近發生的地震聯繫在一起。但是目前研究表明利用高壓液體擊碎岩石釋放天然氣這種技術從未引發超過3.6級的地震。目前科學界傾向於並非水力壓裂法本身，而是將廢水再注入圍岩的處理過程，誘發了較大規模的地震數目的增加。

3天前（2016-12-07 18:36:24），遼寧撫順市順城區發生了一次礦震，震級為2.8級。

用通俗的例子舉例：

規模為M-2.0的地震釋放的能量相當於30W熒光燈點燈2秒鐘消耗的電力
規模為M0.0的地震釋放的能量相當於15gTNT當量
M0.5：1個手榴彈爆炸所放出的能量
M1.0~2.0：1個二戰期間常規炸彈爆炸所放出的能量
M2.5：1個二戰期間的"Cookie" 巨型炸彈所放出的能量
規模為M3.0的地震釋放的能量為2*10^9J，相當於2003年大型燃料空氣炸彈（MOAB）爆炸所放出的能量
M3.5：1986年前蘇聯切爾諾貝利核事故
M4.0：2006年北朝鮮核試驗

根據記載，人類創造的最大規模的人工地震為沙皇炸彈（赫魯曉夫炸彈）爆炸，換算成地震規模為M8.3~M8.4左右，相當於四川汶川大地震所釋放的能量的1.1~2.7倍左右。

人類的力量足夠強大，當初蘇聯本來要做1億噸TNT當量的（沙皇炸彈），結果被削減一半。否則最大規模的人工地震將達到M8.5~M8.6左右。

，我也是鑽井隊的，陝北這邊打井，目前這邊的井大多不深，垂深目前沒有見過超過4000米的，而且這邊開採目前都配上了注水井，用水頂替油氣，填補油氣的空缺。所以地震不可能因為這個原因產生吧。

純屬臆測

地殼始終處在一個微妙的平衡狀態，同時又在不斷的運動。岩體在天然狀態下處於三向受力狀態，一旦出現臨空面，就會造成嚴重的受力不平衡，導致岩石出現劇烈的變化。像城市的抽水，油田的開採，以及煤礦的開發，都會出現這種結果，甚至往地下注水，也會導致地震。像美國日本的地質局都做過類似的實驗。不過通常來說，地震的震級比較小，一般在六級以下。而水庫誘發的地震，因為現在水庫越修越大，所以說現在水庫誘發的地震，都會更大，像三峽修建的時候，就有很大的爭議，就是因為它會導致特別大的地震災害。事實上有地質學家在討論，三峽大壩在汶川地震中所作出的貢獻。

不過所有人類工程活動，所造成的影響，都不是，地震災害所發生的根本原因，人類工程活動，只是發生災害的導火索，其本質仍然是構造運動導致的地震，地質構造已經處於了一種極限平衡狀態，人類乾的只是放上去最後一根稻草。應該說是人類活動加速了災害的造成，就像是全球變暖一樣，人類的活動讓地球變得更加溫暖，通常來說，這些影響是不可逆的，人類相對於地球來說實在是太渺小了，至於最後地球能否自我調節？我想人類不應該把所有的賭注都壓在這裡，而是應該，主動地去做出一些改變幫助地球，去緩解人類所造成的不良影響。

美國地震學會（BSSA）11月1日公布的一份新研究報告顯示，歷史調查已經證明，石油生產與洛杉磯盆地在20世紀初石油繁榮期間發生的一系列破壞性地震之間可能存在聯繫。

美國地質調查局的蘇珊-霍夫（Susan Hough）和摩根-佩奇（Morgan Page）指出，1920年英格爾伍德地震，1929年的威蒂克地震，1930年的聖莫尼卡地震和1933年的長灘地震極有可能是之前大規模的石油生產活動引起的。

1923年拍攝於洛杉磯信號山（Signal Hill）的大片油田

該研究是首批尋求1935年前洛杉磯地區工業活動引發地震證據的研究之一。研究人員指出，因為當時石油和天然氣的開採方法與今天採用的方法有顯著不同，因此他們的研究結果「並不意味著當今石油開採活動和地震之間有任何關聯」。

其他研究也得出結論，1935年以後洛杉磯盆地地區並沒有明顯誘髮型地震的跡象。

「隨著注水採油法的普及和其他工業設備的優化，在1935年後就再也沒有誘發性地震的出現」，霍夫說：「因此，這可能只是20世紀初的現象。

然而，一旦研究人員確認這類大型地震，如6.4級的長灘地震，是由人類活動造成的話，人們將重新定義地震學家如何計算盆地自然地震活動的頻率。

「如果將1920年，1929年，1930年和1933年的4次地震算作人為誘髮型地震的話，人們就不得不重新審視之前關於洛杉磯盆地自然地震頻率的理論和計算」,霍夫說：」因此，洛杉磯盆地的地質結構可能並沒有我們想像的那樣『招地震』。」

洛杉磯的石油繁榮始於1892年，人們在如今的道奇體育場附近首次勘探到石油。隨後，洛杉磯油田在1923年佔到了世界原油總產量的近20％。然而，儘管如此大規模的生產，盆地中誘髮型地震的發生在20世紀早期似乎並不常見。

對於霍夫和佩奇來說，整合大量數據來研究這個問題是一項較為複雜的任務。因為當時幾乎地震儀還不普及，研究人員必須通過當時有關震動和財產損失的報告來估算地震震級和強度。

對於霍夫，這項繁瑣的工作使她收穫了在加利福尼亞理工大學檔案館的一些趣聞。例如，她發現了著名地震學家查爾斯·里希特（Charles Richter）在1929年惠蒂爾地震中未公布的筆記。「我追蹤他的腳步，從聖加布里埃爾大道，到帕薩迪納，再到他為了觀測地震而停留過的每個地方」，霍夫說。

霍夫早些年研究過俄克拉何馬州歷史上的誘髮型地震。這給了她通過石油許可證和其他行業記錄來尋找線索的靈感。她最終找到了一份20世紀初加利福尼亞油田的運營報告。

將地震列表與行業數據進行比對後，研究人員發現了地震和地震發生地附近大量石油開採生產活動之間的聯繫：鑽井的位置,無論它們是否接近已用的地震斷層，都似乎是引發地震的重要因素。

霍夫解釋，鑽井越深，就越接近地下岩石，那裡有大量儲存構造應力的活動斷層。

霍夫指出：「最近，美國和加拿大中部地區人為地震的增加更加使人們想知道，地震如何產生、何時何地產生，以及為什麼產生的『完整背景』。對於誘導型地震，過去十年的記錄只是極小的片段，因此我們將審視能夠找到的所有歷史數據。」

快出來的時候，都會抖一陣子吧

可以參考油趣網這個文章：http://www.oilfun.com/forums/topic/%e6%b0%b4%e5%8a%9b%e5%8e%8b%e8%a3%82%e8%af%b1%e5%8f%91%e5%9c%b0%e9%9c%87%e5%92%8c%e4%bb%80%e4%b9%88%e6%9c%89%e5%85%b3%e7%b3%bb%ef%bc%9f

有沒有關係我不知道我只知道地震那時候是凌晨的三點還不五點的半夜睡不著的我在馬桶的拉屎震撼襲來的時候我內心活動十分複雜

老子這輩子估計唯一一次能上頭條的機會就是這德性不知道到時候房子塌了人來救我時候對面心理陰影有多大...

不過講真的到現在我還有有時候會覺得地面會晃個幾下

對地質肯定會有影響的！

一般鑽井固井後就是磕頭機抽油，如果地下油比較多的話可以抽很長時間。鑽井建設的時候電路，氣路，水路，道路都是會同步進行！電路主要是磕頭機用電，人員用電什麼的！氣路通的是天然氣，剛抽出來的石油很黏，在管道里很不聽話，懶得很不願意流！這就需要燃燒天然氣來給它們加熱，加熱後粘度下降，就可以歡快的在管道里跑了！水路，主要是當採油時間很長(隨便也要抽個十幾年吧！)，防止塌方，往地下打水，用水吧地殼撐住！撐不住肯定就要地震得！打水還有一種情況就是油井不出油了，就需要打水！油比水輕，水沉到低層，就又可以抽油了！

@Shan Ye的答案已經說得很清楚了，在這裡我再補一個油土鱉上的的視頻，裡面顯示了Oklahoma從05年一月到14年4月之間所有的地震，你可以很清晰地看出地震頻率的變化

https://www.youtube.com/watch?v=euN9eOKL2usfeature=youtu.bet=26

另外，根據記錄顯示，從1975年到2008年之間Oklahoma每年只有1-3次3級以上地震，而光2013年一年這樣的地震就有100次，2014年更是達到了驚人的585次

不會引起地震，影響甚微。

高三的時候學過。

拋開那些原理圖，理論。

最直觀的比喻就是，當你餓的時候肚子會叫。