互动科普

对于居住在美国达拉斯市郊区的凯茜·华莱士（Cathy Wallace）来说，地震就像地底深处的狂风暴雨，而她漂亮的小屋却在一阵阵“风暴”中瑟瑟发抖。地震来临时，人们首先会听到由远及近的轰鸣声，然后是巨响和摇晃。她的房子就在左右摇晃，窗户不停颤抖。墙上的画框嘎吱作响，随之摇摆。一支沉重的玻璃花瓶也倒了下来，摔得粉碎。

在巨大的轰鸣声后，震感就会袭来，这才是最提心吊胆的时刻。“每次你都知道地震马上就要来了，但没法预测到底有多严重。”她回忆道：“这会不会是一次强震？我的房子能挺得过去么？这种感觉简直恐怖极了。”

华莱士已经在这里生活了20多年，2008年以前，美国地质调查局（U.S. Geological Survey，USGS）还从未在达拉斯市和沃思堡市周边监测到任何地震的迹象。在那之后，这两个城市和周边地区总共遭受了近200次地震。整个得克萨斯州每年的地震次数也攀升到历史记录的6倍左右。而俄克拉何马州每年的地震次数则翻了160倍，一些地震导致人员受伤、建筑以及高速公路多处受损。2014年，俄克拉何马州的地震次数甚至超过了加利福尼亚州。

这片区域内日渐频繁的地震与附近油气开采活动似乎存在着联系。例如，华莱士的房子正好位于巴内特页岩层（Barnett Shale Formation）上，这层坚硬的黑色岩石蕴藏了丰富的天然气资源，是美国第二大天然气田。1998年到2002年，石油公司开始在这片区域应用水力压裂技术（hydraulic fracturing）开采天然气，他们将数百万升的水通过高压泵注入到地层，水中还携带了支撑剂和各类化学物质。这个过程会在地层中产生巨大压力，导致地下岩石发生破裂，释放大量天然气。水力压裂后，随着气井的投产，压裂时注入的压裂液（fracking fluid）也会随着天然气一同流出，这些产物中还伴有大量危险的高浓度盐水。通常情况下，产出的废水会直接回注到附近的注水井中，好把废水永久地封存在井底岩石的孔隙中，这些井远比页岩层更深。随着越来越多的液体被注入到废水井中，井底附近的地质断层中的流体压力就会不断增强，最终导致断层错位发生滑移，从而引发地震。

USGS和其他机构的研究人员将8个州（包括得克萨斯州、俄克拉何马州、俄亥俄州和阿肯色州等）中发生的异常地震与油气开发联系了起来。但是部分官员却并不认可科学家们的结论，这在当地居民中引起了不满，一些环保组织也就此提起了诉讼。华莱士指出，“这个事件关系到公共安全，却一再被否认和忽略”。她曾经和邻居联合要求关闭附近的废水注入井。

随着研究不断深入，科学家发现了更多值得注意的地方。有证据表明，在废水注入地附近数千米的范围内，都有地震风险，即便停止注入，随后数十年中仍有可能发生地震。2011年，在俄克拉何马市附近出现了一次5.6级的地震，这次地震可能是由废水注入引发的，也是同类型地震中最强的一次。科学家认为，理论上由注水引发的地震最高可达7.0级——这足以造成大面积内的人员伤亡和建筑损毁，但它发生的可能性非常低。

初露端倪

早在20世纪60年代，地质学家就已经发现将液体注入地下可能引发地震。1961年，人们在丹佛的化学武器工厂（又称落基山军工厂）内钻设了一口深井。接下来的几个月内，工人们将危险的化学液体注入到井中。此后，附近居民感觉到了多次地震。据统计，1962年到1966年间，当地共发生了700余次中小型地震。

当地的地质学家戴维·埃文斯（David Evans）发现，地震频率与注入地下的液体体积和注入压力密切相关。1996年，他在报纸上指出这些地震很可能是由注入井引发的。他说：“我们有理由相信，正是由于流体压力的改变，使原本稳定的地层变得容易活动。”

同年，美国军方关闭了这口井。但当地的地震并未因此平息，随着地层压力不断扩散，逐渐影响到其他断层的稳定性，地震发生的可能性甚至变得越来越高了。达拉斯南卫理公会大学（Southern Methodist University，S.M.U.）的地质学家马修·霍恩巴赫（Matthew Hornbach）将这个过程比喻为把一杯水倒在纸巾上。他解释说，“即使停止倒水，纸巾上的水渍仍然会向四周继续扩散，这个过程几乎无法阻止”。1967年，丹佛发生了当地最大的地震，震级达到了里氏4.8级。这个震级能够震落架子上的物品，但不足以毁坏建筑物，这次活动后，当地的地震频率开始逐渐减弱。但直到1981年，仍有居民能够感觉到微小的地震。

这起事件引起了地震学家的关注，随后几年里，USGS也进行了相关试验。1969年，雪佛龙（Chevron）石油公司允许USGS利用它的一口井，研究地层流体压力的改变对断层的影响。该井位于科罗拉多州兰奇利（Rangely）油田的地震活跃区域内，雪佛龙公司曾在这口井上实施过水力压裂增产作业。USGS的科学家间断地向井中注水，跟踪监测流体压力在地下岩层中的传播情况。他们可以通过监测数据准确地计算，找到引发地震的流体压力临界值。当注入流体压力超过临界值，就会发生地震；反之，则平静如初。试验表明，可以通过调节废水注入压力控制人为诱发的地震。令人遗憾的是，当21世纪初迎来页岩气开发浪潮时，兰奇利油田和落基山军工厂的经验早已被人们淡忘。斯坦福大学的地球物理学家比尔·埃尔斯沃思（Bill Ellsworth）说，“40多年以来，关于液体注入地层引发地震的论文经常出现在地球物理学领域的期刊上，这种理论已经得到地震学家充分的认识和肯定”。兰奇利油田试验期间，他刚任职于USGS。他认为，专业领域内的质疑导致人们迟迟无法达成共识。“很多非常出色的石油工程师甚至完全否认向地层注液可能引发地震，”他回忆道，“好多针对这个过程提出的理论解释一直都被埋没，另一些也无法在业内广泛传播。”

得克萨斯州案例

随着得克萨斯州和俄克拉何马州页岩气田步入如火如荼的高速开发期，有关地震的报道也陆续开始出现。2008年10月30日，达拉斯-沃斯堡（Dallas–Fort Worth）地区的居民报警，声称家中的墙壁和家具出现了晃动，同时还伴随着巨大的轰鸣声。一些人还以为附近发生了爆炸。

得克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）的地震学家克利夫·弗罗利希（Cliff Frohlich）和南卫理公会大学的布赖恩·斯顿普（Brian Stump）联手进行了调查。他们布置了大量地震监测仪，在2008年10月30日到2009年5月31日期间记录到了超过180次的小型地震。他们发现，一家大型天然气开发商近期在达拉斯-沃斯堡国际机场新钻设了一口废水注入井，这口井与地震震中相距不足一千米。2010年3月，他们在《前沿》（The Leading Edge）期刊上发表论文说，“基于两者时间和空间上的联系，我们认为近期达拉斯-沃斯堡地区发生的一系列地震，都是因为向盐水处理井（saltwater disposal，SWD）中注水引发的。”弗罗利希坦言，如果不是同时发生了另外几起事件，这篇文章很有可能被忽略。2009年7月，沃斯堡地区的一个小型工业城市也发生了轻微地震。几个月后，一场震级更高的地震袭击了阿肯色州的盖伊（Guy）与格林布赖尔（Greenbrier）小镇。2011年3月，很少发生地震的俄亥俄州也遭到侵扰，州内的杨斯敦（Youngstown）地区发生了12起地震。

USGS在加利福尼亚州门洛帕克市（Menlo Park）分局的科学家意识到这件事非比寻常。埃尔斯沃思在2015年前，一直在USGS工作，他说，“每天都有地震在不应该发生的地区出现。”随后，他开始大范围收集分析美国的地震数据，这些数据让他发现了一个令人不安的现象：1967年到2010年期间，落基山东部地区每年发生地震的次数仅为21起。然而，2010年到2012年期间，该地区每年发生的地震高达100起。他在一次科学会议上公布了这份图表。“这些数据引起了很多人的兴趣，” 埃尔斯沃思说，从普通大众到工业界与学术界的科学家都在关注。

技术引爆问题

地震频发背后是废水注入井数量的飙升，因为水平钻井技术有了突破性进展。这项技术首先在地层中垂直钻井，到目标层后，再将钻井方向逐渐旋转90°，最终实现水平钻进。井筒轨迹就像一根弯折的吸管。这样一来，井筒就不再是简单地垂直穿过厚度仅百米的天然气储层，而是抵达储层后，转向水平方向，沿着储层内穿行数千米，从而大幅度提高石油和天然气的开采量。

但是，伴随油气一同产出的还有大量高盐卤水。“油气开发行业实际上也是废水处理行业，”得克萨斯大学奥斯汀分校地质经济部的地质学家斯科特·廷克（Scott Tinker）说。这些水和油气产自相同的岩层，都是由远古海洋的残留物经过漫长的高温高压作用转化来的。廷克解释说，“岩石中细小的孔隙空间充满着远古时期的海水，直到现在被油气井抽取出来。”虽然这些都是天然形成的水，但盐度比普通海水高出数倍，而且还含有放射性物质。这些水对动植物都有危害，所以通常情况下，油气开发商会把带出的水再回注到更深的地层中，避免污染饮用水源。

得克萨斯州天然气行业的传奇大亨乔治·米切尔（George Mitchell）最先将水力压裂技术应用在巴内特页岩储层上。俄克拉何马戴文能源公司（Devon Energy）将水平钻井技术与水力压裂技术结合起来，进一步提高了天然气的产量。这项技术迅速在美国其他几个主力油气生产州推广开来。

随着钻井数量的激增，美国页岩气产量突飞猛进，年产量从2007年的368亿立方米攀升至2010年的1500亿立方米，在2014年到达了3800亿立方米。与此同时，伴随油气一同生产出的废水也迅速增多，这些问题都亟待解决。

从2007年到2014年，得克萨斯州向地层中注入的废水量由每月3380万桶增加到了每月8110万桶。从2009年到2014年，俄克拉何马州则由每月8.49亿桶增加到了每月15亿桶。很快，常规注入井就已无法满足如此庞大的注入需求了，油气开发商转而设计了一种被称为“深喉”的大容量注入井，它每月可以注入超过30万桶的废水。

减缓地震的曙光

随着地震增多，科学家已经从最初推测地震与废水注入作业之间存在间接关联，到现在推断出两者之间存在直接关联了。2011年，俄克拉何马大学（University of Oklahoma）的地震学家凯蒂·格拉姆纳（Katie Keranen）结束了在阿拉斯加州的实地考察，带着一堆地震监测仪返回学校。当她站在自己地下实验室的储藏室中时，一场里氏4.8级的地震袭击了俄克拉何马市以东近百千米外的布拉格（Prague）小镇。不久后，她和学生们布置的地震监测仪就在同样的地点记录到了一场更大的地震——达里氏5.6级。根据USGS的记录，11月发生的这场地震是迄今为止与废水注入相关的最猛烈的地震。有2人在这次地震中受伤，14处房屋被毁，1条高速公路的部分路段发生弯曲，至少17个州都有震感。

格拉姆纳和她的学生们记录了这次地震，以及后续的数百次余震，基于这些数据，他们在《地质》（Geology）杂志与《科学》（Science）杂志上分别发表了相关论文。在2013年3月出版的《地质》杂志中，格拉姆纳和同事们建立了一套估算地下流体压力上升和传播速度的地球物理模型。研究表明，巨大的地下流体压力很可能引发首次强震，从而激起多米诺效应，引发后续地震，在断层发生错动引发地震后，断层附近的地应力场也随之发生了变化。在2014年7月出版的《科学》杂志中，他们认为，在布拉格镇西边的琼斯镇（Jones）所发生的一系列地震，是由4口大容量注入井引发的。

在描述地下水流动与压力扩散时，格拉姆纳把那比作把水灌入一个被打碎后又粘好的花瓶。“如果瓶内压力过大，水就会从瓶身上的裂痕中渗出来，”她解释说。地层流体压力削弱了断层面之间的摩擦力，导致原本稳定的断层面发生相互错动，从而引起了一场诱发性地震（induced earthquake）。

俄克拉何马州地质调查局（Oklahoma Geological Survey）对这个结论不以为然，并撰文反驳了格拉姆纳发表在《地质》上的文章。“我们认为这是一次天然地震，没有任何理由认为它是由人为因素诱发的，”兰迪·凯勒（Randy Keller）说，他曾是俄克拉何马州地质调查局的局长，不过在2014年底就退休了。这份报告由凯勒和地质学家奥斯汀·霍兰（Austin Holland）共同签字确认，其中援引了该地区的天然地震记录作为证据。

面对这样的反驳，格拉姆纳感到非常吃惊，不过现在她觉得自己当时的反应太过天真了。“现在我理解了，对他们来说，一份单独的报告是不足以取信的，”她说，“要有多数科学家和大量的研究都支持这个结论，他们才会相信。”尽管如此，她仍然为俄克拉何马州当时未能及时采取应对措施而感到沮丧。直到2015年初，俄克拉何马才开始在全州范围内削减废水注入量或关闭注入井。当时格拉姆纳还收到了反对信，这是她所在的大学的官员发来的，信中坚持否认废水注入井与地震之间存在任何关联。2013年中期，她离开了俄克拉何马大学，前往康奈尔大学（Cornell University）任职。

利益纠葛

在格拉姆纳的论文发表数月后，得克萨斯州的平静再次被打破。地震侵袭了位于沃思堡西北方边的两个乡镇——艾索（Azle）和里诺（Reno），那里也是油气开发最密集的区域。

这一次，南卫理公会大学招募了几位年轻的地球物理学家，他们曾参与过弗罗利希和斯顿普的调查。地震学家希瑟·德松（Heather DeShon）建立了地震监测站，开始绘制小镇的地下断层分布图。霍恩巴赫和USGS的埃尔斯沃思对湖泊、河流和地下含水层展开研究，论证了得克萨斯州北部的干旱气候对地下断层面应力分布的影响。此外，研究团队通过分析附近废水注入井的数据，建立了一套三维模型，模拟废水注入地层后，流体压力在地层岩石中的传播过程。在这些工作的基础上，他们认为：从附近两口井注入地层的废水很可能是造成这些地震的幕后元凶。

2015年4月他们发表了这项研究成果，但论文发表前，得克萨斯州的官员们已经开始质疑这项研究的结论。我曾把这篇处于报道禁止期的论文寄给得克萨斯州铁路委员会（Railroad Commission of Texas，RRC）的地震学家克雷格·皮尔逊（Craig Pearson），这个委员会是负责油气开发管理的州立机构。随后，皮尔逊通过一份声明指出，这项研究的“方法、资料选取和最终结论都存在很多问题。”但他表示，在与论文作者会面前，不会做出详细解释。

有三位联邦特派员监管着得克萨斯州铁路委员会，其中一位接受过石油公司政治行动委员的竞选捐款，另外两位接受过恩尔·韦斯特（EnerVest）石油公司董事长的捐款。在南卫理公会大学的调查中恰好就涉及了其中一家公司。即便如此，得克萨斯州铁路委员会的发言人盖伊·麦克尔韦恩（Gaye McElwain）依然在发给《科学美国人》的声明中写道：“管理决策是基于科学事实、实际数据和最优法则共同制定的，我们需要在确保公共安全的同时，保护好自然资源。”

最后，得克萨斯州铁路委员会还召集了这两家油气井运营商，在奥斯汀开了一整天的听证会，要他们解释为什么不需要关停旗下的注入井。“经过一系列高技术高水准的听证会，再结合目前已经存在的科学数据与证据，最终我们认定，这些地震与油气井运营商没有关系，” 麦克尔韦恩写道。2015年9月，委员会公布了这项决议，那时地震区域附近注入井的废水注入量已经有所减少，但随着地震逐渐平息，官方随即便允许油气井运营商继续开工。

叫停注入项目

其他州的反应不尽相同。2011年，当俄亥俄州扬斯敦市发生一系列地震后，该州立即关闭了周边区域的注入井，并增设地震监测站，探测不易被人们察觉的微型地震。此外，州内还制定了新的条例：只要发生高于里氏2.0级的地震，就会关停注入井并展开调查。里氏2.0级的地震甚至比人们能感知到的地震还要小10倍。根据USGS的数据，俄亥俄州的地震在2011年曾达到峰值，共有11次，到2015年时，已经降到了4次。

堪萨斯州的反应也比较迅速。2014年9月，雷克斯· 布坎南 （Rex Buchanan）在堪萨斯州地质调查局（Kansas Geological Survey）担任临时局长，当他正在观看堪萨斯皇家棒球队（Kansas City Royals）的比赛时，接到了USGS通过手机发来的警报：堪萨斯州中南部与俄克拉何马州接壤的边境地区发生了地震。这次警报并不罕见，尽管在历史上，堪萨斯州每年只会地震1~2次，但是在那一年，这里已经陆续发生了100多次地震。然而，此次地震强度不断上升，很快就达到了里氏4.2级。堪萨斯州政府的山姆·布朗巴克（Sam Brownback）专门建立了地震研究特别小组，对近期一系列地震进行评估。在布朗巴克的带领下，他们建议限制注入地层的废水量，区域覆盖两个县内的五个地震区域。

为什么堪萨斯州的官员能达成共识？“我们认为，这些地震的背后只存在一种解释，”布坎南说：“我们都见到了地震日趋活跃，震级迅速增强。近期地震几乎都发生在大规模注入井的作业范围内。在俄克拉何马州，地震也呈现了类似的规律。这种情况确实无法找出其他解释。”他还指出，他和同事们从俄亥俄州、得克萨斯州、俄克拉何马州的科学研究和政策法规中学到了很多经验。迄今为止，堪萨斯州采取的措施卓有成效。“毫无疑问，近期州内的地震已经趋于平静，”布坎南说，无论是地震的次数还是规模都有所下降，“但我仍然需要不断提醒民众，事实上，问题还没有彻底解决。”

从某种程度上说，逐步平息的地震与近期油价低迷有关，低油价迫使一些油气开发商削减钻井数量，减少产出的废水。但油价迟早会复苏，布坎南非常担忧，他希望提前做好应对准备，以免再次陷入困境。

可能引发大震？

不论是制定建筑条例的工程师，还是保险公司的管理人员，他们都想知道下一场诱发性地震发生的地点和规模。为了预测这些信息，USGS地震灾害项目部的地质学家正在分析美国境内诱发性地震的发生频率，着手分析诱发性地震与天然地震的地层震动规律有何不同。

USGS的科学家发现，诱发性地震在震中的地表震动强烈，一旦远离震中震感就会迅速减弱，这可能是因为相比于天然地震，诱发性地震的震源更浅。但是，落基山脉以东的地壳比加利福尼亚州的更厚，地震波能量的传播效率也更高，即使居民住在离震中很远的地方，也能察觉到诱发性地震的震感。

随后，研究小组需要对诱发性地震进行评估，看看此类地震能有多强？在对比美国中部和世界上其他地质条件类似的区域后，他们发现，迄今为止，发生的诱导性地震多为小型断层或大断层的局部区域发生滑移。所以他们将诱导性地震的震级上限设定在6.0级，这个震级足以对牢固的建筑物造成破坏性影响。美国地震危害测绘项目（National Seismic Hazard Mapping Project）主任马克·彼得森（Mark Petersen）说，“不过，我们并不能排除引发7.0级以上地震的可能性。”

科学家通过地史证据发现，得克萨斯州和俄克拉何马州地区曾经发生过类似强度的地震，所以当USGS绘制新的地震预测图时，明确表示，虽然可能性很小，但仍需提防大型地震。

最后，地质学家需要确定合理的地震预报周期。他们决定，根据前一年内的地震频率，对当年的地震进行预测，并把预测结果绘制在一系列地图上。“这就像天气预报，”彼得森解释说：“如果今天下了雨，明天很可能也会下雨。”

2016年3月28日，USGS发布了预测地图。绘制预测地图采用的计算机模型还能预测各地地震的频率与强度。借助这套系统，各地居民、工程师，以及城市规划人员都可以更方便地获取预测信息，知道未来一年内中他们所在地区遭遇地震的可能性。

遏制威胁

在俄克拉何马州的多数居民看来，地震风险显然大幅度提高了。相关数据也与他们的感觉不谋而合。俄克拉何马州的地震频率正以惊人的速度上升。2013年，州内总共记录了109次里氏3.0级以上的地震，2014年同级别地震已经飙升到585次，2015年甚至达到了890次。

随着地震规模不断升级，在2013年10月和2014年5月，USGS和俄克拉何马州地质调查局共同发布了警报。地震学家指出，俄克拉何马州发生里氏5.5级以上地震的概率正在不断上升。“这还是我们第一次在落基山脉以东的地区发布地震预警，”USGS中部和东部地震灾害协调员罗伯特·威廉斯（Robert Williams）说。

很多科学家正在深入分析这些地区地震频发，而另一些地区相对平静的原因，其中包括格拉姆纳和斯坦福大学的地球物理学家马克·佐巴克（Mark Zoback）。比如，北达科他州（North Dakota）是美国第二大原油生产州，产量仅次于得克萨斯州，但在过去5年中，这里仅有一次地震记录。有科学家认为，这是因为地层中流体压力暂时还没有上升到能够引发地震的临界值。当然，地下断层的发育情况也有影响，在地壳应力改变后，只有对应力比较敏感的方向上发育的断层，才容易发生错动和滑移，而这里可能只有很少一部分断层具备类似特征。

随着科学的进步，相关法规也会日趋完善。在2015年5月，俄克拉何马州地质调查局已经正式宣布废水注入井确实会引发地震。声明说：“俄克拉何马州地质调查局认为，近期发生的大部分地震，特别是州内中部与中北部地区发生的地震，有极大可能是由于向地下注入油气田废水的行为引发的。”

声明公布后，俄克拉何马州地震频发地区内，有超过600口正在运转的废水注入井受到了限制，注入量与2014年相比减少了40%。目前，我们还无法根据现在的情况评价这类措施是否长久有效。不过，俄克拉何马州地质调查局局长杰里米·博克（Jeremy Boak）指出，他们已经发现，在废水注入量减少的地区，地震发生的频率也有所下降。然而，2016年初，全州范围内震级较高的地震又出现了上升。斯坦福大学的埃尔斯沃思没有参与政策制定，不过，他怀疑俄克拉何马州内废水注入量的削减力度仍然不够。“虽然注入量有所减少，但是仍然在持续注入，”他说，“这就无法避免注入的液体侵入某个断层，引发地震。”

俄克拉何马州地质调查局的退休局长凯勒说，油气产业对俄克拉何马州的经济发展举足轻重。“我们确实没有及时采取彻底的应对措施，”凯勒说：“因为我们必须稳住阵脚，在经济发展和公共安全之间尽量寻求平衡，承担应有责任。在这样的困境中做出决定并不是容易的事。”对于油气井开发商来说，减少向地层中注入废水，就意味着降低收入，同时还必须安排卡车将多余的废水运到相距遥远的处理工厂去。

得克萨斯州引进了新的地震监测方法。去年，得克萨斯州耗资近450万美元安装地震监测网，并且资助了一些地震相关的研究。在过去两年中，铁路委员会也争取到了关停废水注入井的权利，他们有权利要求在近期地震活跃区内作业的开发商，做相关测试。尽管这些机构对地震的诱因十分在意，但是仍然没有正式宣告，地震就是因为石油生产造成的。

除此之外，各州的相关机构和石油公司还采取了其他缓解措施，其中包括油气田废水循环利用，以及选择远离地下断层的地区注入废水。他们也可以在规划时，加大注水井间的距离。

对于油气产业来说，完全停止注水作业——即使仅仅针对某一地区——也是不可能的。深部能源（Energy InDepth）组织隶属于美国独立石油协会（Independent Petroleum Association of America），其发言人史蒂夫·埃弗利（Steve Everley）说：“如果禁止注水，就等于扼杀了整个油气产业。”

这是由于除了将废水注入地下，没有其他更经济有效的办法了。如果采用其他方法，例如将废水运输到特别远的地方后才做处理，也会导致别的环境问题。

很多专家仍然认为，即便俄克拉何马州现在就关停所有废水注入井，地震还是会持续下去。地质灾害科学中心（Geologic Hazards Science Center）的丹尼尔·麦克纳马拉（Daniel McNamara）

说：“我们试着计算了地层中储集的能量以及它能持续的时间。基于目前的地震频率，这股能量非常巨大。”当被追问影响会持续多长时间时，他停顿了片刻，说：“数百年。”