研究背景
向深部高温地热储层注水压裂，是获取和利用清洁能源的重要手段。增强型地热系统（EGS）通过对深部干热岩进行水力压裂，构建人工储层，是实现地热规模化换热开采的关键技术（图1）。然而，这一过程常常“意外”唤醒沉睡的断层，引发地震，成为制约地热安全开发的核心难题。全球范围EGS开采中，注水诱发地震的风险始终如影随形，从瑞士巴塞尔到韩国浦项，频繁因注水引发的显著地震不仅导致项目中止，更引发社会广泛关注。
为何注水会触发断层滑动？传统理论认为，注入流体提高孔隙压力，降低断层有效正应力，促使其失稳。然而，注水速率作为现场操作中最直接可控的参数，究竟如何影响断层的滑动行为？其背后的能量分配与失稳前兆又是什么？这些问题尚未得到系统解答。中国地质科学院地质力学研究所地应力研究室团队通过室内实验与现场作业观测，系统揭示了注水速率如何控制断层滑动行为与能量释放模式，为地热开发中的地震风险评估与调控提供了关键科学依据。
图1 EGS开采及其诱发地震模式
研究内容
本研究以中国青海共和盆地的花岗岩为样品，该地区是中国首个干热岩开发试验基地。实验样品为高100mm、直径50mm的圆柱体，沿与垂直轴成30°的斜面剖开以模拟预存裂缝。在断面两端距边缘1cm处各钻一个直径2mm的孔，分别用于注入孔和监测孔的流体压力监测。断层表面用150μm颗粒的100目砂纸打磨，以表征一定的断层粗糙度。
图2共和盆地区域地质图(a)、岩石样品(b)、测试配置示意图(c)
1. 注水速率：断层滑动的“调控开关”
通过在不同围压（10、20、30 MPa）与注水速率（0.2、0.4、0.8 cm³/min）下对含预制断层花岗岩进行实验，研究发现：低注水速率下，断层表现为多次小滑移事件串联，能量通过一系列低能级滑动逐步释放；高注水速率下，断层经历“启动—蠕滑—失稳”三阶段演化，最终以高能级粘滑事件收场，释放更大震级能量。注水速率直接决定断层滑动模式与地震能量大小。
图3低（a）和高（b）注液驱动下断层滑移特征曲线
2. 能量视角：水力能量如何分配？
研究系统量化了注入过程中的水力能量与地震能量：稳定滑动断层的总水力能量与剪切位移呈线性关系，能量释放平稳；高围压+高注水速率组合下，能量快速积累并集中释放，地震能量显著跃升，易于诱发高能级事件。
图4断层滑移过程能量变化示意图
3. 捕捉断层失稳前兆：应力降与孔隙压力转折点
研究在实验中识别出两类可观测的前兆信号。一是孔隙压力非线性增长转折点：在断层宏观滑动开始前，压力曲线出现明显转折，标志着局部弱化开始。二是宏观滑动至灾难性粘滑的前兆时间窗口：该窗口随注水速率升高而缩短，为现场预警提供了可能的时间尺度。
图5断层滑移前兆性间隔时间示意及统计
4. 现场验证：共和干热岩EGS现场结果的呼应
青海共和EGS注水诱发微震的时空分布特征，与本实验所揭示的机制吻合：高注水速率下，微震集中在井筒附近展布，水力扩散性较低，能量释放集中；而低注水速率下，微震范围更广，水力扩散性强，能量分散释放（图6）。实验室与现场的一致性表明：控制注水速率，是调控断层滑动模式与地震风险的关键。
图6共和干热岩井口压力和注入流速以及微地震事件震级(a)、压裂期间微地震事件与增产井GH-01的距离(b)。虚线代表水力扩散系数等值线。
主要结论
本研究揭示了注水速率调控下的能量分配机制，表明注水速率是控制断层滑动模式与地震能量释放的关键因素。高围压下，高注水速率易引发高能级、集中型地震事件。提出了基于压力曲线转折点的失稳前兆识别方法，注液过程中存在可识别的失稳前兆，包括压力转折点与“前兆性”的地质风险应力降窗口，为现场预警提供理论基础。实验室机制与现场观测一致，验证了注水速率调控在实际工程中的可行性。这项研究不仅揭示了断层滑动的基本规律，更为我们提供了调控地震风险的科学依据。
论文信息
该研究成果近期发表在岩石力学领域Top期刊International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences上（Zhang, L., Zhang, C*., Wu, Y., He, M., & Bu, M. (2026). Characteristics of fault slip, energy budget, and precursory stress drop revealed by fluid-induced fault instability experiments with varied injection rates. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 197, 106344.https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2025.106344）。张重远研究员为本文通讯作者，联合培养硕士生张立山为第一作者。本研究得到国家深部科技重大专项（2024ZD1000704）、国家自然科学基金项目（42477213、42177175）以及地质调查项目（DD20190138）等联合资助。
