新聞科研進展
中國科學院武漢巖土力學研究所在CO?地質封存水力耦合及誘發地震評價領域取得重要突破，相關成果發表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》等權威期刊。研究團隊基于前期工作，創新性地構建了“兩相流—儲層—蓋層”滲流-力學全耦合瞬態解析模型，結合基于速率-狀態摩擦定律的地震震級評估新方法，建立了從地層流體運移、應力場演化到地震震級預測的全鏈條關聯，形成了CO?地質封存誘發地震風險預測的新框架。該成果為碳封存工程的安全評價與設計提供了重要的理論支撐與工程方法。
CO?地質封存是實現大規模碳減排的關鍵技術。然而，大規模注入CO?會改變地層應力狀態，可能激活斷層或誘發巖體破裂，進而誘發地震活動。因此，發展CO?注入誘發地震風險的快速預測方法具有重要意義。目前，相關風險預測評估多依賴歷史監測數據或精細數值模擬，缺乏適用于工程尺度的快速評估手段。
針對這一瓶頸問題，武漢巖土所白冰研究員帶領團隊采用解析建模與理論推導相結合的研究思路，旨在建立注入工藝參數、斷層應力狀態與地震震級概率分布之間的定量關系。研究基于CO?羽流在咸水層中的運移規律，提出了儲層孔隙超壓分布的“三區域模型”，引入儲層變形的孔彈效應以及蓋層變形的文克爾效應，建立了兩相流—儲層—蓋層的滲流—力學全耦合方程并推導了其流體壓力與巖體應力的解析解，經過與精細化數值模擬的對比驗證了其準確性。
圖1 滲流—力學全耦合瞬態一維徑向解析解與數值解對比
進一步，通過速率-狀態摩擦定律建立了場地地震活動率與庫侖應力變化之間的關聯，提出了CO?注入應力擾動范圍的新估算公式，并結合隨機斷層分布模型與古登堡—里克特定律，實現了震級—超越概率曲線的高效計算，最終構建了一套CO?封存誘發地震風險預測新框架。該框架兼具物理機制清晰與計算高效的雙重優勢，并已形成工業級風險評估程序，支持以地震安全為目標的注入工藝參數快速優化。
圖2 場地內相對地震活動率分布的演化以及二氧化碳注入應力擾動范圍的估算
圖3 最終得到的二氧化碳注入誘發地震震級—超越概率曲線
論文第一作者為鄒炎副研究員，通訊作者為白冰研究員，共同作者包括來自美國、西班牙的大學和研究機構的合作伙伴。研究獲國家自然科學基金（編號：U2344226）和國家重點研發計劃（編號：2022YFE0128300、2023YFB4104100）資助。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674775526000260
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0309170817305092
https://link.springer.com/article/10.1007/s11771-023-5399-0
（撰稿人：鄒炎、白冰）