张重远等—GRL:水热条件下的浊沸石摩擦稳定性及其对注水诱发地震活动的意义

　　水力压裂技术已经越来越多地应用于干热岩资源的开采。然而，深部地热岩体中注入高压流体可能重新激活潜在或未知断层从而诱发地震活动。注水诱发地震已成为制约干热岩开采的重要科学和技术问题，全球多个著名的干热岩开采项目都因为诱发地震的影响而被迫终止或暂停，如韩国浦项、瑞士巴塞尔等。通常情况下，深部储层岩体在长期热液作用下会发生不同程度的化学蚀变反应，产生如绿泥石、绿帘石、伊利石等蚀变矿物，这些蚀变在断层中的富集将对断层摩擦稳定性（即地震或者无震行为）产生不可忽视的影响。浊沸石（Laumontite，分子式为Ca2[AlSi2O6]2•4H2O）作为一种非常低级的蚀变矿物，也是一种由（Si/Al）O4四面体环组成的骨架铝硅酸盐矿物，容易发育于花岗岩、玄武岩以及砂岩的裂缝或断层中。浊沸石的温度稳定域为90-220℃，因此是干热岩或深部地热储层的常见矿物。然而，浊沸石的摩擦稳定性尚未有人研究，尤其是人工注水背景下的断层失稳风险亦尚未引起科学家的重视。2019年以来，我所承担的地质调查项目现场岩心调查显示，青海共和的花岗岩热储层中（800-4000 m），浊沸石均有普遍而丰富的富集发育（图1）。为了更好地了解蚀变矿物浊沸石对注入诱发地震活动的影响机制，中国地质科学院地质力学研究所张重远副研究员及其合作者基于青海共和地热储层改造的温度和压力，对浊沸石及其与共生矿物石英混合的断层泥摩擦特性进行了高温高压三轴剪切实验研究，首次揭示了浊沸石在典型水热环境下的摩擦稳定性（图2）。

　　研究表明，浊沸石和混合断层泥在与共和地热储层水力刺激相关的温度（~90−220℃）和孔隙水压力（0−90MPa）的范围内具有强烈的速度弱化行为（即断层容易发生失稳滑动从而诱发地震活动）。在实验条件下（Pc=95 MPa，T=90–250°C，Pf=0–90 MPa），浊沸石具有较强的摩擦性（μ=0.73–0.98），而石英/浊沸石混合物（1:1）的摩擦强度通常较低（μ=0.73-0.78）（图3）。这两种断层泥的摩擦系数与温度无关，并随着孔隙压力的升高而增加。纯浊沸石和浊沸石/石英混合物在相当广泛的温度（~90–220°C）和人工注入流体压力（0–90 MPa）条件下，均具有强烈的速度弱化作用，即容易诱发风险性地震。因此，在对地热储层进行注水作业时，不仅需要考虑断层的应力状态、产状、摩擦系数以及渗透率，还需要重视蚀变矿物断层泥的影响。本研究成果不仅为地热储层中注入诱发地震的机制研究提供了新的视角，也为干热岩的勘察选址和安全开发提供了科学参考依据。

　　值得注意的是，研究表明，浊沸石在很多板内断层、洋壳俯冲带内都有富集，如美国圣安德斯断裂带、日本西南部俯冲带等等。本研究结果显示，即使不考虑人为高压注水操作，浊沸石在自然静水压力环境下同样具有较强的摩擦弱化特征。因而，浊沸石的摩擦特性对于天然断层的孕震潜力和失稳行为也同样值得关注。

　　研究成果近日发表在地球科学领域自然指数（Nature Index）期刊Geophysical Research Letters上（Chongyuan Zhang, Zijuan Hu, Derek Elsworth, Lei Zhang, Hao Zhang, Linyou Zhang, Manchao He, Leihua Yao，2024. Frictional Stability of Laumontite Under Hydrothermal Conditions and Implications for Injection-Induced Seismicity in the Gonghe Geothermal Reservoir, Northwest China. Geophysical Research Letters, 51,e2023GL108103. https://doi.org/10.1029/2023GL108103）。研究工作得到国家自然科学基金项目（42177175）、基本科研业务费（DZLXJK202204）以及地质调查项目（DD20190138, DD20221660）等联合资助。

　　 

　　图1 青海共和干热岩储层~3.4km深度花岗岩以及浊沸石矿物（Lau）微观结构图

　　 

　　图2. 不同试验条件下浊沸石断层泥摩擦-位移曲线

　　 

　　图3. 不同试验条件下浊沸石及浊沸石/石英断层泥的摩擦特征