邱宇 房立華 王蕊嘉 范莉蘋 蔣長勝

1)中國地震局地球物理研究所，北京 100081 2)中國地震局震源物理重點實驗室，北京 100081 3)新墨西哥大學(xué)，阿爾伯克基 87131

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，人類對能源需求日益增大，伴隨著技術(shù)進步，能源開發(fā)從傳統(tǒng)方法擴展到頁巖氣壓裂、地熱資源開發(fā)、天然氣儲氣庫調(diào)峰、水庫蓄水發(fā)電等，隨之而來的是誘發(fā)地震頻次的增加和災(zāi)害的日益嚴重，引起了社會公眾的廣泛關(guān)注(Healy et al，1968；Nicholson et al，1990；Giardini，2009，Suckale，2009、2010；Ellsworth，2013；Cesca et al，2014；Keranen et al，2014；Guglielmi et al，2015；Mignan et al，2015；Van Thienen-Visser et al，2015；Shirzaei et al，2016；White et al，2016；Yang et al，2017；Tang et al，2018；Porter et al，2019；Zhou et al，2019；Verdon et al，2021)。盡管目前對有些地震活動是否與工業(yè)開采存在直接聯(lián)系還存在較大爭議，但相比于歷史地震活動，這些工業(yè)活動區(qū)域的地震頻次逐漸呈增加趨勢(雷興林等，2020)，甚至在一些原本構(gòu)造地震很少或是幾乎沒有的地方，也發(fā)生了許多地震，例如美國俄克拉荷馬州和得克薩斯州、加拿大阿爾伯塔省、荷蘭格羅寧根、法國、英國、韓國浦項等國家和地區(qū)。

在各類工業(yè)開采活動中，以水力壓裂技術(shù)為主的頁巖氣和石油開采引起了更多的關(guān)注(Healy et al，1968；Nicholson et al，1990；Suckale，2009)。自1947年水力壓裂技術(shù)開始實踐，到2009年前后在水平井中大規(guī)模應(yīng)用(Dusseault et al，2011)，北美地區(qū)現(xiàn)已在180多萬口井中應(yīng)用此技術(shù)(Nicholson et al，1992)。在高壓下注入大量流體，通常能夠誘發(fā)地下深層的地震活動(Davis et al，1993；Majer et al，2007；Eaton，2018)。加拿大地質(zhì)調(diào)查局(GSC)認為頁巖氣水力壓裂與誘發(fā)地震存在一定的關(guān)聯(lián)性(Kao et al，2016)。美國地質(zhì)調(diào)查局USGS(Rubinstein et al，2015)和一些研究者(Keranen et al，2013；Rubinstein et al，2015；Walsh et al，2015)認為，油氣開采過程中產(chǎn)生的廢水增壓注入或直接注入廢水井，是產(chǎn)生大部分誘發(fā)地震的主要原因，如2011年俄克拉荷馬州MW5.7地震(Keranen et al，2013)和2016年俄克拉荷馬州ML5.8地震(Foulger et al，2018)。近年來，地熱資源作為新型能源得到不斷開發(fā)，與油氣開采的水力壓裂技術(shù)類似，地熱開采技術(shù)由于需要向地下注入大量流體，也會導(dǎo)致誘發(fā)地震的發(fā)生，如2006年瑞士巴塞爾ML3.4地震(Majer et al，2007)和2017年韓國浦項MW5.5地震(Lee et al，2019)。

在地震活動較弱的區(qū)域，由于發(fā)生中強地震的頻次較低，當?shù)乜拐鹪O(shè)防和應(yīng)急響應(yīng)能力一般較弱，誘發(fā)地震活動引起的危害可能會超過天然地震的危害(Atkinson et al，2020)。例如，歷史地震活動性較低的美國俄克拉荷馬州在進行水力壓裂生產(chǎn)后，于1979年首次報道了由工業(yè)注水引發(fā)的M1.9地震(Nicholson et al，1992)，之后隨著注水量的增加，地震活動不斷增強，僅2015年就發(fā)生了840次M≥3.0誘發(fā)地震(Burnett et al，2018)。另外，對于誘發(fā)事件，即使停止流體注入后的數(shù)天至數(shù)年內(nèi)仍可能發(fā)生地震(Healy et al，1968；Nicholson et al，1990；Suckale，2009；Ellsworth，2013)，因此對工業(yè)開采誘發(fā)地震進行監(jiān)測和防控極為必要。

我國油氣需求量大，但一直以來由于本土油氣產(chǎn)量較低而需要每年大量進口。為解決這一問題，頁巖氣等能源開采已上升為國家戰(zhàn)略(李建忠等，2009；唐海俠，2018)，形成了涪陵、長寧、威遠、邵通、富順-永川等5個勘探開發(fā)區(qū)(呂連宏等，2017)。我國自2005年開始在四川盆地西南部進行規(guī)模性的頁巖氣地質(zhì)評價與勘探開發(fā)實驗(王玉滿等，2016)，并于2008年開始進行頁巖氣開采實驗(鄒才能等，2011)。在進行大規(guī)模工業(yè)開采的同時，相關(guān)的地震風險問題也帶來了諸多挑戰(zhàn)。在四川盆地，由于廢水處理、井鹽生產(chǎn)和頁巖氣水力壓裂，誘發(fā)了大量的有感地震，甚至是破壞性地震(Lei et al，2008、2013、2017、2019a、2019b；張致偉等，2012；Meng et al，2019；易桂喜等，2019；雷興林等，2020；Liu et al，2020；Tan et al，2020)，例如，2018四川興文縣ML5.7、2019年四川珙縣ML5.3(Lei et al，2019a)和2019年四川威遠3次ML>4.0地震(Sheng et al，2020)。研究表明，2018年興文ML5.7地震是目前為止發(fā)生的最大的水力壓裂誘發(fā)地震(Atkinson et al，2020；Schultz et al，2020b)，地震造成大規(guī)?；?，致使17人受傷、390座房屋嚴重損壞、9座房屋倒塌(Lei et al，2019a)。為滿足天然氣隨季節(jié)變化的需求，我國于2011年在新疆呼圖壁建立了地下儲氣庫(Underground Gas Storage，UGS)，2013年開始注入天然氣后發(fā)生了一系列地震活動，其中最大震級達到ML3.5。研究發(fā)現(xiàn)，不僅是流體，注入或抽出氣體也可能引起孔隙彈性應(yīng)力擾動而產(chǎn)生誘發(fā)地震(Yang et al，2017；Tang et al，2018；Zhou et al，2019)。

因此，如何平衡地下能源的安全開采與地震活動之間的關(guān)系，已成為一個重要的研究課題。Shapiro等(2003、2010)和McGarr(2014)認為流體注入誘發(fā)地震的最大震級與注入流體量成正比，并且在某些情況下，開采操作與誘發(fā)地震活動之間存在一定的時空相關(guān)性。因此，可以根據(jù)上述特點選取特定的參數(shù)閾值對誘發(fā)地震危害進行描述，一旦檢測到超過閾值則立即控制流體注入，從而保證安全生產(chǎn)(Bommer et al，2006)。為此，加拿大、韓國、美國、英國、瑞士等國家探索使用“交通燈”系統(tǒng)(Traffic Light System，TLS)，對誘發(fā)地震活動進行監(jiān)測和管控。本文調(diào)研了全球工業(yè)開采區(qū)使用的“交通燈”系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的發(fā)展歷史、參數(shù)設(shè)置以及應(yīng)用案例，并對現(xiàn)有系統(tǒng)的經(jīng)驗不足和改進方向進行了總結(jié)，以期為我國新型能源的安全開采和誘發(fā)地震管控提供參考。

1 “交通燈”系統(tǒng)的發(fā)展歷史與設(shè)置原理

為了在保證安全開采的同時監(jiān)控誘發(fā)地震風險，地震學(xué)家提出了“交通燈”系統(tǒng)的概念，目前該系統(tǒng)已在許多地區(qū)投入使用。地震臺網(wǎng)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)是構(gòu)建“交通燈”系統(tǒng)的重要參考，為監(jiān)測工業(yè)開采誘發(fā)的地震活動，政府部門和許多企業(yè)采取了一系列應(yīng)對措施。荷蘭天然氣開發(fā)公司自1995年開始在荷蘭北部阿森(Assen)附近建設(shè)了一個井下地震觀測系統(tǒng)(Dost et al，2007)，當?shù)卣?003年立法要求天然氣開采區(qū)必須進行地震風險評估(Van Thienen-Visser et al，2018)。法國的EGS(Enhanced Geothermal System，增強型地熱系統(tǒng))項目于2012年建立專門的微震監(jiān)測臺網(wǎng)(Maurer et al，2015)。2012年5月20日和29日，艾米利亞油氣開采工業(yè)區(qū)發(fā)生了ML5.9和ML5.8地震，意大利政府、石油和天然氣安全局提出了監(jiān)測開采區(qū)及周邊地震活動的準則，并制定了與工業(yè)開采相關(guān)的法規(guī)(De Landro et al，2020；Braun et al，2020)。

“交通燈”系統(tǒng)通常根據(jù)不同警報級別，通過修改流體注入?yún)?shù)(Bommer et al，2006；H?ring et al，2008；Ellsworth，2013；Bosman et al，2016)，對可能發(fā)生的重大地震事件做出響應(yīng)(Bommer et al，2006；Majer et al，2012；Grigoli et al，2017)?！敖煌簟毕到y(tǒng)最初是為了控制由薩爾瓦多柏林(Berlín)地熱項目引起的地震活動災(zāi)害而開發(fā)的(Bommer et al，2006)，之后陸續(xù)應(yīng)用于瑞士巴塞爾(Basel)EGS項目(Worrall et al，2006；H?ring et al，2008)、法國蘇爾特蘇福雷特(Soultz-sous-Forêts)地熱項目(Baisch et al，2010)、英國布萊克浦(Blackpool)水力壓裂作業(yè)(Green et al，2012)、美國俄克拉荷馬州(Oklahoma)水力壓裂作業(yè)(Wong et al，2015)、加拿大阿爾伯塔省(Alberta)和不列顛哥倫比亞省(British Columbia)注水工作(Kao et al，2018)、韓國浦項(Pohang)EGS項目(Kim et al，2018；Lee et al，2019)、芬蘭赫爾辛基(Helsinki)地熱項目(Ader et al，2020)、意大利油氣開采和廢水注入活動(Braun et al，2020)等工業(yè)生產(chǎn)項目。

“交通燈”系統(tǒng)基于決策變量(地震震級、峰值地面速度等)閾值和在該閾值以上所采取的措施而設(shè)計，其主要工作流程如圖1 所示。目前閾值的設(shè)定主要基于當?shù)胤ㄒ?guī)(Bommer et al，2006；H?ring et al，2008；Bosman et al，2016)和專家判斷(Bachmann et al，2011)，而采取的措施通常是臨時降低流體注入量或注入速率，以此來降低地震風險。

圖 1 “交通燈”系統(tǒng)工作流程

1.1 閾值參數(shù)

隨著“交通燈”系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，根據(jù)當?shù)夭煌牡刭|(zhì)條件和開采需求，不同學(xué)者提出了不同的參數(shù)與閾值選取建議(表1)。

表1不同參數(shù)的“交通燈”系統(tǒng)

1.2 PGV

PGV(Peak Ground Velocity，峰值地面速度)是“交通燈”系統(tǒng)中最常見的一種閾值參數(shù)。Bommer等(2006)首次提出對中美洲薩爾瓦多柏林熱裂隙巖(Hot Fractured Rock，HFR)地熱項目應(yīng)用“交通燈”系統(tǒng)。柏林地熱田距薩爾瓦多首都圣薩爾瓦多以東100km(Fabriol et al，1998)，該地區(qū)地震活動非常活躍，且當?shù)亟ㄖ目拐鹪O(shè)防水平較低(Bommer et al，2002)，因此為確保HFR地熱項目的順利開展，需要一套有效的實時震動監(jiān)測管理系統(tǒng)。該“交通燈”系統(tǒng)選擇PGV(大致等同于地面震動的影響)作為系統(tǒng)設(shè)置的唯一參數(shù)。根據(jù)下式對PGV水平進行預(yù)測(Tromans et al，2002)

lg(PGV)=-0.527+0.521ML-1.058lg(R)

(1)

其中，PGV單位為cm/s； 震中距R單位為km。

對于HFR項目，并非所有的誘發(fā)地震都是有害的，需要區(qū)分有利于裂隙滲透達到增產(chǎn)的微震事件和可能引起災(zāi)害的地面震動，因此僅考慮是否超過某個單一閾值是不夠的。因為對于一些PGV較高的地震，公眾可能對其感知不明顯；而對于一些PGV較低的地震，公眾可能由于震感強烈而無法承受。Bommer等(1999)認為可以增加一個參數(shù)，例如超過加速度絕對閾值的阿里亞斯烈度或持續(xù)時間，測量可感知事件的數(shù)量。由于PGV閾值可以促進其他參數(shù)閾值的衰減，Bommer等(2006)提出使用PGV衰減方程定義等效震級的方法，來校正PGV閾值隨阿里亞斯烈度或持續(xù)時間的衰減。

為確定PGV的閾值，基于衰減方程式(1)，震源深度為h的事件的PGV等效震級計算如下

(2)

其中，以震源深度2km、震級M的事件產(chǎn)生的地表PGV為參考，Mequiv為某震源深度(h)的事件產(chǎn)生等同于參考PGV所需的震級。該等效震級考慮了可能會發(fā)生誘發(fā)地震的大概震源深度，再從之前確定的參考PGV中計算出等效震級的PGV閾值。

由于地震的震源淺、震級小，結(jié)合當?shù)嘏_網(wǎng)記錄的數(shù)據(jù)，Bommer等(2006)認為根據(jù)式(1)估計的PGV過高，因此將式(1)調(diào)整為

lg(PGV)=-2.701+1.022M-1.058lg(R)

(3)

在該系統(tǒng)監(jiān)測期間，存在實測的PGV超過閾值但未造成破壞的案例。但這并不意味著定義的閾值不準確，因為閾值是造成破壞的必要條件，不一定是充分條件，該系統(tǒng)的目的是提供安全余量，防止對當?shù)鼐用裨斐刹涣加绊?Bommer et al，2006)。

1.3 地方震級

除PGV外，“交通燈”系統(tǒng)最常見的另一個設(shè)置參數(shù)為地震震級。ML作為使用較多的震級標度，相比于MW等具有測定容易、求解較快的特點，因而廣泛應(yīng)用于“交通燈”系統(tǒng)中。

在加拿大阿爾伯塔省和不列顛哥倫比亞省等人口稀少的地區(qū)，“紅燈”閾值通常為ML4.0，而在某些人口較為密集、感知地震較為廣泛的區(qū)域則設(shè)定閾值為ML3.0；但在英國，一些區(qū)域的“紅燈”閾值僅為ML0.5(Clarke et al，2019)?！敖煌簟毕到y(tǒng)閾值如此巨大的差異反映出，與地震相關(guān)的災(zāi)害風險是隨人口密度等其他因素變化的(Atkinson et al，2020)。

在英國布萊克浦的普雷斯霍爾(Preese Hall)附近，2011年4月至5月的水力壓裂作業(yè)期間發(fā)生了一系列地震，其中最大地震的震級為ML2.3。Baisch等(2011)使用3D有限元模型數(shù)值模擬儲層中的力學(xué)過程，然后通過德國DIN4150標準估算了地面破壞運動的臨界強度，并根據(jù)震級和距離對地面運動的簡單關(guān)系進行了估算，認為造成破壞的最小地震震級約為ML2.6，建議部署實時“交通燈”系統(tǒng)進行地震監(jiān)測。而Green等(2012)認為其估計非常保守且最初由運營商建議的“交通燈”系統(tǒng)ML1.7閾值過高，認為閾值的選取應(yīng)以減少當?shù)鼐用駥κ录母兄约柏敭a(chǎn)損失為目的，建議將閾值下限設(shè)為ML0.5，并可根據(jù)經(jīng)驗隨時間調(diào)整。英國“交通燈”系統(tǒng)是根據(jù)事件的ML震級大小進行工作的，而現(xiàn)有的英國當?shù)卣鸺墭藴适腔谡鸺壌笥贛L2.0、震中距大于50km事件的觀測結(jié)果規(guī)定的(Ottem?ller等，2013)

ML=lg(A)+0.95lg(r)+0.001 83r-1.76

(4)

其中，A是仿真為伍德-安德森地震儀后的水平分量位移值(單位：nm)；r為震中距(單位：km)。由于現(xiàn)有的震級標準對震中距小于5km的事件觀測精度較低，Butcher等(2017)研究了當?shù)氐卣鹩涗?，并通過最小二乘法改變衰減項更新了震級標準

ML=lg(A)+1.17lg(r)+0.051 4r-3.0

(5)

盡管地震震級不能準確、完整地表征地震危險性，但由于其能夠簡單快速獲得，適用于需要具有時效性的“交通燈”系統(tǒng)。然而，由于誘發(fā)地震事件的震級具有不確定性，且震級標準測量方法因地不同，可能在建立“交通燈”系統(tǒng)時因無法統(tǒng)一而造成混亂。

1.4 b值

對于正在進行的地震序列，實時地震災(zāi)害評估中最大的難題之一為判斷最大事件(即主震)已經(jīng)發(fā)生還是即將發(fā)生，目前尚無科學(xué)的方法來對正在衰減的余震序列和即將發(fā)生較大事件的前兆序列進行可靠的區(qū)分(Jordan et al，2011；Lippiello et al，2017)。研究發(fā)現(xiàn)，b值對震后的應(yīng)力變化敏感，可用于識別余震和前震序列以及對未來的地震災(zāi)害進行預(yù)測。

在大多數(shù)余震序列中，b值在6級或更大的主震后通常會增加20%(Gulia et al，2018)，Gulia等(2019)在分析了2016年意大利阿馬特里切-諾爾恰和日本熊本地震序列余震的b值分布之后，進一步認證了這一觀點；如果b值保持不變或顯著減小，那么發(fā)生更大事件的可能性就會增加幾個數(shù)量級。由此，建議可以通過b值判斷正在發(fā)生的地震序列是余震序列還是前兆事件，并提出了一種前震“交通燈”系統(tǒng)(Foreshock Traffic Light System，F(xiàn)TLS)：“黃燈”表示b值相對于背景有±10%以內(nèi)的變化，此時不含有區(qū)分信息；“綠燈”表示b值增加10%以上，對應(yīng)于余震序列，此時對大震的不確定性將大大減少，生產(chǎn)工作可以逐漸恢復(fù)；“紅燈”表示b值降低10%以上，對應(yīng)于前兆事件，此時應(yīng)急部門應(yīng)特別關(guān)注并考慮采取防災(zāi)行動。

由此可得到啟發(fā)，在工業(yè)開采的誘發(fā)地震監(jiān)測中，除了PGV、震級等參數(shù)外，也可以考慮根據(jù)b值的時空變化指導(dǎo)生產(chǎn)。例如，當b值持續(xù)降低時，有可能表明地震危險增加，需要停止注水或壓裂。但目前若要獲得較為準確的b值，需要大量的地震事件數(shù)據(jù)、完備的地震目錄、密集且具有準確地震識別和定位能力的臺陣。

1.5 注入?yún)?shù)

大多數(shù)情況下，“交通燈”系統(tǒng)在達到預(yù)設(shè)閾值后，通過調(diào)整注入?yún)?shù)來降低誘發(fā)地震風險是最實用的方法(Kao et al，2016)，但一些學(xué)者認為將注入量或注入速率作為防控標準并不可靠。法國蘇爾特蘇福雷特地熱項目深層儲層的增產(chǎn)引發(fā)了地震事件，震級高達MW2.9(Dorbath et al，2009)，雖然在此之后降低了注水速率和流量，但較大事件通常發(fā)生在流體注入終止后的階段，此時“交通燈”系統(tǒng)根據(jù)地震震級來調(diào)整注入操作的設(shè)定(Bommer et al，2001)顯然并不合理(Baisch et al，2010)。韓國浦項(Pohang)EGS項目的最大誘發(fā)地震為2017年MW5.5地震，但其注入的流體量很小，甚至不到能夠產(chǎn)生如此大的事件所需注入量的1/500(Lee et al，2019)，與“最大地震震級受注入流體量控制”這一假設(shè)(McGarr，2014)明顯不符，表明誘發(fā)地震活動序列中的最大事件與注入量并非線性相關(guān)(Lee et al，2019)。

Mignan等(2017)通過控制壓力大小，而并非通過控制流體的注入量，來建立未來的“交通燈”系統(tǒng)，并提出了一種自適應(yīng)“交通燈”系統(tǒng)(Adaptive Traffic Light System，ATLS)。該系統(tǒng)的參數(shù)閾值基于定量風險評估以及當?shù)氐陌踩珮藴蕦崟r更新，從而可以在沒有人工干預(yù)的情況下進行決策，所有參數(shù)和風險估計均可在分級貝葉斯框架中即時估計(Broccardo et al，2017)，所預(yù)測的每日誘發(fā)地震發(fā)生率為

(6)

(7)

其中，Y為安全標準；msaf為達到安全標準臨界的閾值。為了避免超過Y，工業(yè)活動必須在達到閾值mth時停止注入

(8)

ATLS所用數(shù)據(jù)集相對較小，該系統(tǒng)還需要更多的事件進行統(tǒng)計分析(Braun et al，2020)。He等(2020)提出使用機器學(xué)習(xí)的方法來構(gòu)建模型，通過大量訓(xùn)練和樣本學(xué)習(xí)獲得反映參數(shù)和閾值取值之間復(fù)雜的非線性關(guān)系的模型，來解決ATLS的問題。但對于機器學(xué)習(xí)方法，收集、處理大量的相關(guān)數(shù)據(jù)是極大的挑戰(zhàn)。

1.6 其他參數(shù)

針對僅用PGV或震級作為“交通燈”系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù)，一些學(xué)者提出了不同的看法，并進行了使用其他參數(shù)閾值建立“交通燈”系統(tǒng)的嘗試。

H?ring等(2008)提出了考慮公眾反應(yīng)、震級和PGV三個參數(shù)的四階段“交通燈”系統(tǒng)，分別為：“綠燈”對應(yīng)于無公眾反應(yīng)、ML<2.3、PGV<0.5mm/s；“黃燈”對應(yīng)于少數(shù)人有震感、ML≥2.3、PGV≤2.0mm/s；“橙燈”對應(yīng)于多數(shù)人有震感、ML≤2.9、PGV≤5.0mm/s；“紅燈”對應(yīng)于廣泛區(qū)域內(nèi)有震感、ML>2.9、PGV>5.0mm/s。韓國浦項EGS項目的“交通燈”系統(tǒng)根據(jù)PGV和震級的相關(guān)方程，通過地震儀記錄的地震事件計算震級，快速對系統(tǒng)警報做出反應(yīng)(Kim et al，2018)。為提高“交通燈”系統(tǒng)的可靠性，芬蘭赫爾辛基地熱項目也選擇PGV和震級2個參數(shù)建立系統(tǒng)(Ader et al，2020)。

Bachmann等(2011)針對巴塞爾EGS項目“交通燈”系統(tǒng)的不足，提出一種包含注水流量的ETAS模型來預(yù)測潛在的較大破壞性事件隨時間變化的發(fā)生概率，再將其轉(zhuǎn)換成地震災(zāi)害的時變估計，旨在提出一種構(gòu)建“交通燈”系統(tǒng)的替代方案。

Baig等(2015)對加拿大不列顛哥倫比亞省東北部霍恩河盆地水力壓裂完成井的相關(guān)數(shù)據(jù)進行研究，建議對于潛在地震，不要根據(jù)震級來量化事件的破壞程度，而是根據(jù)能與建筑和構(gòu)造設(shè)計相關(guān)的震動來設(shè)定“交通燈”系統(tǒng)。為了量化地面運動，Baig等(2015)擬合了經(jīng)驗地面運動預(yù)測方程(EGMPE)相對標準的函數(shù)形式，可以在給定事件震級和震中距的情況下插值得到地面運動

ln(y)=a+bM+cln(R)+dR

(9)

其中，y為地面運動(峰值加速度或速度)，R為震中距，M為震級，a、b、c、d為通過擬合數(shù)據(jù)確定的常數(shù)。一旦獲得這一擬合關(guān)系，就可以評估在研究區(qū)域發(fā)生特定地面運動的可能性。與依賴于震級閾值設(shè)計的“交通燈”系統(tǒng)相比，這種EGMPE方法與地震活動的災(zāi)害和風險更加直接相關(guān)。

在研究了加拿大西部不列顛哥倫比亞省的“紅燈”事件后，Kao等(2018)認為“交通燈”系統(tǒng)的最終目標是有效降低誘發(fā)地震的風險，因此可能有必要考慮地震震級之外的其他因素，例如人口分布、社區(qū)位置、主要工業(yè)設(shè)施位置以及地質(zhì)斷層等。通過研究將其他風險指標加入“交通燈”系統(tǒng)的設(shè)計中，可以提高系統(tǒng)的有效性，使其更能適應(yīng)當?shù)氐那闆r。

2 “交通燈”系統(tǒng)的應(yīng)用

目前，“交通燈”系統(tǒng)已經(jīng)在薩爾瓦多、瑞士、法國、英國、美國、加拿大、韓國、芬蘭等國家投入使用(圖2)。

圖 2 “交通燈”系統(tǒng)在全球的應(yīng)用(1)http://inducedearthquakes.org/

薩爾瓦多東部的地熱項目建立了由6個檢波器和3個加速度計組成的強地面運動監(jiān)測臺網(wǎng)，該臺網(wǎng)為“交通燈”系統(tǒng)提供PGV值，并對該系統(tǒng)進行驗證(Bommer et al，2006)。其中，“綠燈”對應(yīng)低于一般可探測閾值或地震發(fā)生率的震動；“黃燈”對應(yīng)于人們能夠感知但破壞程度不大的震動，此時需要降低注水速率；“紅燈”對應(yīng)預(yù)計能夠?qū)υ搮^(qū)域的建筑物造成破壞的震動，此時需要停止注水。由于在運行期間觀測到的誘發(fā)地震較少，“交通燈”系統(tǒng)僅顯示了“綠燈”，該系統(tǒng)并未得到完整的測試。

瑞士巴塞爾EGS項目位于萊茵河最南端，該地具有較高的大地熱流，因此選擇在此處進行干熱巖的熱-電聯(lián)產(chǎn)。該項目在高壓下通過注水井將常溫流體注入目標區(qū)域深處，壓裂高溫巖體進行地熱開發(fā)(Smith，1983；Tenzer，2001)。作為瑞士第一個地熱開采地點，該項目在瑞士聯(lián)邦能源局的支持下于1996年正式開始，計劃使用一口注入井和兩口生產(chǎn)井在200℃的巖石中鉆探至5000m深度，來生產(chǎn)3MW的電力和20MW的熱力。生產(chǎn)區(qū)域設(shè)有“交通燈”系統(tǒng)，“綠燈”為按計劃進行，“黃燈”為持續(xù)注水但不增加流量，“橙燈”為停止注水并適當排水減少壓力，“紅燈”為停止注水并抽水排空使井口壓力恢復(fù)原始最低值(H?ring et al，2008；Bachmann et al，2011)。由于鉆井問題，直到2006年12月2日該項目才開始大規(guī)模增產(chǎn)，通過注入流體來人工產(chǎn)生裂縫有利于增加產(chǎn)量，但這個過程可能會產(chǎn)生中到大型的地震(Giardini，2009；Kraft et al，2009)。在增產(chǎn)期間持續(xù)觀察到微震事件且頻率較高，最終發(fā)生ML2.6地震，觸發(fā)了“橙燈”警報，因此注水壓力在2006年12月8日凌晨4時左右降低，并在同一天的上午11時33分壓力完全復(fù)原(H?ring et al，2008)。但在5h后又發(fā)生了ML3.4的事件，巴塞爾市內(nèi)有震感。地震發(fā)生約1h后排空注水井，地震活動性逐漸減弱，但在之后1～2個月又發(fā)生了3次ML>3地震。此后井下儀器仍能檢測到零星的地震活動，EGS項目被擱置。直到2009年11月，Baisch等(2009)完成的風險分析研究表明，其發(fā)生潛在破壞事件的風險較大，故政府決定停止該項目(Bachmann et al，2011；Majer et al，2012；Bethmann et al，2012；DiPippo，2012)。Bachmann等(2011)認為在巴塞爾EGS項目中的“交通燈”系統(tǒng)還不足以作為監(jiān)測和警報的手段。Lee(2013)在對該項目的“交通燈”系統(tǒng)進行研究后，建議實時“交通燈”系統(tǒng)應(yīng)考慮注水后的地震事件而建立一種新的微震安全管理系統(tǒng)。

美國俄克拉荷馬州公司委員會(Oklahoma Corporation Commission，OCC)要求俄克拉荷馬州的部分水力壓裂項目建立“交通燈”系統(tǒng)，根據(jù)在該州中南部測得的最小事件震級，允許閾值范圍設(shè)定在ML1.8～3.7之間(Wong et al，2015)。OCC還建立了非實時的微震監(jiān)測“交通燈”系統(tǒng)：如果該州發(fā)生M4.0以上的地震，則在震中周圍10km內(nèi)的區(qū)域內(nèi)啟動“黃燈”狀態(tài)，需每周報告日流量及壓力大??；若震級較大的地震事件被認為是由某生產(chǎn)井誘發(fā)的，則啟動“紅燈”(Wong et al，2015)。通過管控，近年來俄克拉荷馬州的誘發(fā)事件已有所減少。

加拿大阿爾伯塔省能源監(jiān)管局(Alberta Energy Regulator)和不列顛哥倫比亞省石油和天然氣委員會(BC Oil and Gas Commission)分別在加拿大西部阿爾伯塔省(AB)和不列顛哥倫比亞省(BC)的注水井周圍布設(shè)了“交通燈”系統(tǒng)，其中“紅燈”的震級閾值均設(shè)置為ML(MW)4.0。2014年8月4日，BC區(qū)域內(nèi)蒙特尼北部發(fā)生MW4.5地震，震中位于注水點東北1km附近，這是不列顛哥倫比亞省的第一個“紅燈”事件，最終使得注水井關(guān)閉。該處于2014年7月25日開始高頻注水工作，持續(xù)了約兩個星期，在10天后發(fā)生了MW4.5地震。該地區(qū)在2014年7月30日，即MW4.5地震發(fā)生5天前，發(fā)生了MW3.8的“黃燈”事件。值得注意的是，在“黃燈”事件發(fā)生之前該地區(qū)沒有地震活動歷史，因此MW3.8事件可被視為MW4.5地震的前兆信號。Kao等(2018)整理了AB區(qū)域和BC區(qū)域的所有“紅燈”事件，發(fā)現(xiàn)存在“紅燈”事件之前發(fā)生“黃燈”事件的現(xiàn)象，但并不是所有“紅燈”事件發(fā)生之前都有前兆事件發(fā)生。2016年1月12日在阿爾伯塔省?？怂箍死锟?Fox Creek)發(fā)生的ML4.1地震，是過去十年AB區(qū)發(fā)生的最大事件。Wang等(2017)通過矩張量反演確定了該地震的震源參數(shù)，認為該地震與附近的水力壓裂井有密切關(guān)系，地震的產(chǎn)生原因可能是水力壓裂作業(yè)使斷層重新活化。研究人員對該地震進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)注水壓力和注入速率等注入?yún)?shù)對地震活動的影響不明顯。ML4.1事件相比通過McGarr關(guān)系式(McGarr，2014)理論計算的結(jié)果要大得多，這與在美國中部發(fā)現(xiàn)的注水速率對誘發(fā)地震有重要影響的結(jié)論不同(Weingarten et al，2015)。

韓國浦項EGS項目于2016年1月29日至2月20日共進行了23天的增產(chǎn)工作。期間，最大井口壓力達到89.2MPa(井底壓力=131.8MPa)，最大流量記錄為46.8kg/s(=2.81m3/min)，在增產(chǎn)期間最大的地震事件發(fā)生在2月2日，震級約為MW1.4(Park et al，2017)，隨后在2017年發(fā)生MW5.5地震(Lee et al，2019)。該項目的“交通燈”系統(tǒng)是根據(jù)PGV與地震震級的相關(guān)方程設(shè)定的，PGV值為0.08cm/s、0.5cm/s、1.0cm/s和2.0cm/s對應(yīng)的震級大小分別為2.2、3.6、3.8和4.1，在具體實施中則將震級閾值降低為1.0、1.4、1.7和2.0。該項目“交通燈”系統(tǒng)的不同顏色對應(yīng)于不同的注水操作：“紅燈”表示地震活動可能會損壞建筑物，注水立即停止；“橙燈”表示民眾能夠感知到地震活動，但破壞可能性不大，注水應(yīng)謹慎進行或降低流量；“綠燈”表示地面振動或地震大小低于一般可檢測程度，注水作業(yè)按計劃進行。由于該系統(tǒng)檢測到的事件較少，Kim等(2018)建議在未來可以通過更多的誘發(fā)地震事件來驗證該系統(tǒng)的可靠性，并尋找震級和PGV之間新的聯(lián)系來更新“交通燈”系統(tǒng)。

赫爾辛基地區(qū)6.1km深地熱井為目前世界上最深的地熱開發(fā)項目，芬蘭埃斯波市建筑部門要求在其增產(chǎn)階段建立“交通燈”系統(tǒng)，其閾值為PGV和地震震級。Ader等(2020)認為其原始閾值非常保守，而對于運營者來說，過于保守的系統(tǒng)閾值可能會造成沉重的經(jīng)濟負擔(Mignan et al，2019)，需要設(shè)計新的“交通燈”系統(tǒng)閾值。Ader等(2020)使用經(jīng)驗地面運動預(yù)測方程(GMPE)，并在注水增產(chǎn)后更新調(diào)整了閾值：“綠燈”ML<1.6；“黃燈”1.6≤ML<2.5，PGV≥1mm/s；“紅燈”ML≥2.5，PGV≥7.5mm/s。投入生產(chǎn)后，特定地點的GMPE與初始設(shè)計相比，不確定性減少了3倍，因此認為采用新閾值的“交通燈”系統(tǒng)更加合理。

二氧化碳地質(zhì)封存(GCS)技術(shù)向深層地下注入大量CO2流體，這一過程可能會導(dǎo)致壓力累積并引起應(yīng)力變化，隨著時間的推移會重新激活先前存在的斷層(Mazzoldi et al，2012；Zoback et al，2012)，從而造成氣體泄漏和誘發(fā)地震危害(Lei et al，2008；Li et al，2013；Wei et al，2020)。Wei等(2020)認為可以通過建立“交通燈”系統(tǒng)，劃分斷層活化區(qū)域，之后再將CO2注入井，放置在最佳位置，這樣可以大大降低由流體注入引發(fā)的風險。該研究的“交通燈”系統(tǒng)以注入井到斷層之間的距離D、斷層傾角Φ和斷層埋藏深度H作為閾值參數(shù)，并在簡化為1500m×800m的矩形沉積盆地下進行了數(shù)值模擬。其中，“綠燈”區(qū)域(D>350m)： 在斷層埋藏深度和斷層傾角的全部范圍內(nèi)均不會發(fā)生誘發(fā)地震活動；“黃燈”區(qū)域(230m1196m)的斷層附近注入，僅可能出現(xiàn)小幅度的誘發(fā)斷層滑動，此時流體操作較為安全，除此之外斷層滑動強度會隨埋藏深度的增加而增加，需謹慎操作；“紅燈”區(qū)域(D<230m)：對于所有范圍的斷層傾角，在埋藏較淺(H<1196m)的斷層附近注入流體均有較高發(fā)生誘發(fā)地震活動的風險。

3 討論

工業(yè)開采區(qū)地震監(jiān)測的主要目的是區(qū)別天然地震和誘發(fā)地震，以便跟蹤誘發(fā)地震活動的時空演變過程，從而在必要時對工業(yè)活動進行調(diào)整(De Landro et al，2020)?！敖煌簟毕到y(tǒng)的主要目的是防止地面震動對當?shù)鼐用窈突A(chǔ)設(shè)施造成干擾和損壞。建立“交通燈”系統(tǒng)，可避免較大地震事件的發(fā)生，降低地震風險，并得到了一些政府和監(jiān)管部門的認可(Ellsworth，2013)。例如，意大利石油和天然氣安全局于2014年(Braun et al，2020)、英國石油和天然氣管理局于2015年(Department of Energy and Climate Change，2015)、加拿大阿爾伯塔省能源監(jiān)管局于2015年(Alberta Energy Regulator，2015)和2019年(Alberta Energy Regulator，2019)分別設(shè)立“交通燈”系統(tǒng)。在加拿大，“交通燈”系統(tǒng)取得了較好的成效。2015年建立“交通燈”系統(tǒng)后，通過對加拿大西部的?？怂箍死锟说貐^(qū)2013年后的誘發(fā)事件進行評定，發(fā)現(xiàn)“紅燈”事件頻發(fā)，經(jīng)過對注水活動的有效管控，該地2017年后再未發(fā)生“紅燈”事件。同樣，位于加拿大南部的紅鹿市在2019年建立“交通燈”系統(tǒng)之后，誘發(fā)地震事件也較為平靜。美國俄克拉荷馬州2015年的地震數(shù)量比2009年之前增加了900多倍。通過管控，自2016年以來，俄克拉荷馬州的誘發(fā)事件也大量減少。

盡管“交通燈”系統(tǒng)在一些地區(qū)取得了較好的應(yīng)用，但也存在一些應(yīng)用效果不佳的案例。例如，在瑞士巴塞爾EGS項目2006年增產(chǎn)期間，發(fā)生了ML2.6地震，并觸發(fā)了“橙燈”警報，但在注水壓力恢復(fù)到最低值后仍然發(fā)生了多次ML>3.0地震(H?ring et al，2008；Bachmann et al，2011；Majer et al，2012；Bethmann et al，2012；DiPippo，2012)。韓國浦項EGS項目2016年增產(chǎn)期間發(fā)生的最大地震事件僅為MW1.4(Park et al，2017)，但隨后卻在2017年發(fā)生了MW5.5地震(Lee et al，2019)。由此可見，現(xiàn)存的“交通燈”系統(tǒng)仍存在許多不足。目前，“交通燈”系統(tǒng)的建立主要基于3個假設(shè)(Kao et al，2018)：①大震之前會發(fā)生較小的前兆事件；②大地震會發(fā)生在注入點附近；③針對“交通燈”系統(tǒng)反饋所做出的響應(yīng)會立即對誘發(fā)事件產(chǎn)生影響。但在對誘發(fā)地震的研究中發(fā)現(xiàn)，這樣的假設(shè)在實際中并不完全成立。對于假設(shè)①，研究發(fā)現(xiàn)較大事件發(fā)生前兆事件的例子是存在的(Kao et al，2018)，隨后會及時激發(fā)“交通燈”系統(tǒng)的不同警報級別，然后采取相應(yīng)措施，但這個現(xiàn)象并不一定會發(fā)生。加拿大西部(Kao et al，2018；Schultz et al，2020)和美國中部(Van Der Elst et al，2016)的注水誘發(fā)事件表明，誘發(fā)地震的前震-余震序列往往與天然地震不同，地震序列中的最大地震是隨機出現(xiàn)的，是否發(fā)生前兆事件可能取決于地震的觸發(fā)性質(zhì)(Dieterich et al，2015)，所以難以從統(tǒng)計層面上進行風險管控。對于假設(shè)②，工業(yè)注水的影響范圍可能達到20km，誘發(fā)地震的發(fā)生可能不僅僅局限于注水點附近，而更多地取決于斷層尺度和位置，因此對于工業(yè)開采區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景研究至關(guān)重要(雷興林等，2020；Sheng et al，2020)。Sheng等(2020)在研究了四川威遠2019年發(fā)生的誘發(fā)地震的震源參數(shù)后，發(fā)現(xiàn)水力壓裂的應(yīng)力主方向與該區(qū)域地震震源機制解的P軸一致，表明在這種應(yīng)力狀態(tài)下，斷層極易被重新活化，因此更有可能發(fā)生破壞性的誘發(fā)地震；而對比斷層密度較高的焦石壩地區(qū)，水力壓裂產(chǎn)生的應(yīng)力不足以激活斷層，誘發(fā)地震數(shù)量較少。對于密集注水區(qū)(例如俄克拉荷馬)，4～5級誘發(fā)地震的發(fā)生往往是多口井長時間共同作用的結(jié)果，而已有的裂縫或斷層即使不孕育大地震，也可能作為流體通道使更遠的斷層發(fā)生錯動。對于假設(shè)③，流體注入和誘發(fā)地震的時間相關(guān)性因地而異(受工業(yè)活動性質(zhì)和地區(qū)的多方面影響)，在注水停止后仍可能發(fā)生地震事件(Healy et al，1968；Nicholson et al，1990；Suckale，2009；Ellsworth，2013；Kao et al，2018；Eyre et al，2020)。有學(xué)者認為，突然停止注水可能會誘發(fā)震級更大的破壞性事件(Segall et al，2015；Baisch et al，2019)。因此，理想的“交通燈”系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮(甚至預(yù)測)注水期之外的時段(Baig et al，2015)。但是，受限于以上諸多因素，目前還沒有一種可以解決此類事件的方法(Atkinson et al，2020)。

一套科學(xué)的“交通燈”系統(tǒng)需要綜合考慮多種因素，這對提升系統(tǒng)的有效性十分必要。目前許多“交通燈”系統(tǒng)主要考慮地震震級和PGV閾值，如Bommer等(2006)僅考慮了PGV，Green等(2012)、Ottem?ller等(2013)僅考慮了地震震級。工業(yè)開采能夠引發(fā)足夠大的誘發(fā)地震，其危害可能超過天然地震，而實際的破壞和影響不僅由震級和PGV決定，還取決于震動的強度、斷層位置、斷層粗糙程度、人口分布和附近基礎(chǔ)設(shè)施的脆弱性等因素(Kao et al，2018；Atkinson et al，2020；Maurer et al，2020)。例如，2019年2月四川威遠發(fā)生的ML4.9地震，雖然震級比之前的水力壓裂誘發(fā)地震低，但是由于震源淺，造成的危害較高(Yang et al，2020)。Shapiro等(2010)提出了以注水量評估誘發(fā)地震風險的地震發(fā)生指數(shù)的概念，并由Langenbruch等(2018)進行修正，其采用應(yīng)力變化而不是注水量來進行評估。Bachmann等(2011)還考慮了注入流量，Baig等(2015)提出用與建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)的地面震動來替代震級，Mignan等(2017)建議在得到警報后通過控制壓力大小而不是減少注入作為防控標準。Schultz等(2020b)利用概率最大震級、GMPE、人口密度、臺站統(tǒng)計分布以及群眾感知或發(fā)生破壞的地面震動閾值來計算破壞風險曲線，以選擇“紅燈”與“黃燈”的閾值。Wei等(2020)通過由注入井到斷層的距離、斷層傾角和斷層埋藏深度建立的“交通燈”系統(tǒng)來劃分斷層活化誘發(fā)地震危險區(qū)域。

關(guān)于“交通燈”系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，一些學(xué)者提出了不同的建議。Kao等(2016)建議開發(fā)用于計算地震震級的標準化方法，以解決由于使用不同震級標準導(dǎo)致誘發(fā)事件震級不確定而造成混亂的問題。Meier等(2019)根據(jù)EGS項目經(jīng)驗，提出一個多階段操作系統(tǒng)來最大限度地提高EGS項目的效率和安全性，認為每次注水增產(chǎn)后均應(yīng)排空以減輕發(fā)生地震的危險，并安裝井下測量系統(tǒng)以指示刺激發(fā)生的位置并反饋到微震監(jiān)測系統(tǒng)。Lee等(2019)認為目前大多數(shù)“交通燈”系統(tǒng)監(jiān)測的重點在于避免產(chǎn)生超過系統(tǒng)閾值的地震，而不是獲得準確的震源信息并記錄地震序列的演變，這使得不斷變化的風險未能被及時發(fā)現(xiàn)。Aczel等(2019)在研究了美國俄克拉荷馬州的誘發(fā)地震活動規(guī)律后，對頁巖氣開發(fā)項目提出了建議，即更多地了解地質(zhì)環(huán)境和流體注入風險，通過降低“交通燈”系統(tǒng)閾值來預(yù)防誘發(fā)地震風險，并開發(fā)替代方法來管理頁巖氣開采中產(chǎn)生的廢液。芬蘭赫爾辛基地熱開采項目的“交通燈”系統(tǒng)將醫(yī)院、學(xué)校等基礎(chǔ)設(shè)施場所設(shè)為敏感受體而建立特定的閾值，此外還會通過報紙、郵件、網(wǎng)站為公眾提供注水增產(chǎn)過程中的信息(Ader et al，2020)。Schultz等(2020a)建議謹慎選擇“紅燈”的閾值，并將“黃燈”的閾值設(shè)置成比“紅燈”少2個量級，以確保具有充足緩解風險的操作空間。

許多誘發(fā)地震發(fā)生在未知斷層上，即便在沒有歷史地震的地區(qū)，也有必要對地震危險性進行評估和預(yù)測(Schoenball等，2017)。Porter等(2019)建議在流體注入前均應(yīng)進行詳細的地震危險性評估，以便在操作之前對斷層進行成像和特征描述。震中和震源深度作為區(qū)分誘發(fā)地震與天然地震的關(guān)鍵參數(shù)，其測定誤差受臺站分布、臺站間距等因素的影響(Sheng et al，2020)。但由于工業(yè)開采區(qū)域的地震監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)一般較為稀疏，對微震事件的檢測能力較低，缺乏完備的地震目錄，因此“交通燈”系統(tǒng)的可靠性尚未得到充分的驗證(Bommer et al，2006；Atkinson et al，2020)，也難以根據(jù)當?shù)厍闆r進行適當?shù)恼{(diào)整和更新(Kim et al，2018)。微震活動的時空演變是“交通燈”系統(tǒng)最重要的數(shù)據(jù)來源和決策依據(jù)。目前依賴于稀疏監(jiān)測臺網(wǎng)獲得的震源位置測定精度不高，限制了誘發(fā)地震識別的準確性(Zhang et al，2016；Sheng et al，2020)。因此，在現(xiàn)有的國家和區(qū)域地震監(jiān)測臺網(wǎng)之外，還應(yīng)在工業(yè)活動區(qū)附近設(shè)置專用的微震監(jiān)測系統(tǒng)，建立具有高精度檢測和定位能力的微震監(jiān)測臺網(wǎng)(De Landro et al，2020)。由于工業(yè)活動現(xiàn)場通常噪聲較高，這對微震監(jiān)測是一個不利因素(Porter et al，2019)，需要發(fā)展如模板匹配和人工智能等新的微震檢測和自動處理方法。另一方面，為深入研究誘發(fā)地震機理，管控誘發(fā)地震風險，需要工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府監(jiān)管部門的通力合作(雷興林等，2020；Wang et al，2020)，共享注水位置、時間、速率、壓力等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并建立和完善相關(guān)的法律法規(guī)。

4 總結(jié)

針對近年來用于監(jiān)測和管控誘發(fā)地震建立的“交通燈”系統(tǒng)，本文總結(jié)了其發(fā)展歷史、基本原理和已經(jīng)投入使用的典型案例，對其存在的問題和改進方向進行了分析討論。“交通燈”系統(tǒng)曾成功地避免了一些破壞性地震的發(fā)生，降低了誘發(fā)地震的發(fā)生頻次，在加拿大西部、南部和美國俄克拉荷馬州以及英國取得了較好的應(yīng)用。

由于大震前發(fā)生前兆事件的隨機性、地震隨裂縫或斷層的可傳遞性以及注水結(jié)束后的延遲觸發(fā)現(xiàn)象，“交通燈”系統(tǒng)的可靠性還存在爭議，也存在未能避免破壞性地震發(fā)生的失敗案例。“交通燈”系統(tǒng)的完善和發(fā)展需要綜合考慮多種因素。單純地以PGV或震級作為閾值參數(shù)雖然容易操作，但存在一定的局限性，有必要考慮延遲觸發(fā)、b值等地震學(xué)參數(shù)和斷層分布，以及建筑結(jié)構(gòu)、城鎮(zhèn)距離、人口密度、居民感知等社會學(xué)因素，以提高系統(tǒng)的有效性。

由于工業(yè)開采區(qū)的地震監(jiān)測臺網(wǎng)較為稀疏，現(xiàn)有數(shù)據(jù)不足以驗證和更新“交通燈”系統(tǒng)。目前我國的地震臺網(wǎng)間距通常大于10km，難以對0級以下的微震進行有效監(jiān)測和定位。而這些為數(shù)較多的負震級事件，對于監(jiān)測流體運移、斷層活化等極為重要。建議圍繞可能發(fā)生誘發(fā)地震的區(qū)域，在國家和區(qū)域地震臺網(wǎng)的基礎(chǔ)上，建設(shè)千米至數(shù)千米間距的專用微震監(jiān)測系統(tǒng)，以提高強噪聲環(huán)境下的微震監(jiān)測能力，形成具有較高監(jiān)測能力和定位能力的微震臺網(wǎng)。同時，工業(yè)開采區(qū)的微震震級小、數(shù)量多，隨著臺站的加密，人工處理已無法滿足實時監(jiān)測的需求，迫切需要引入模板匹配和人工智能等新的微震檢測算法，發(fā)展地震數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)，及時產(chǎn)出完備性較高、定位精度較高的微震目錄，監(jiān)控微震的時空演化。

我國自2008年開始頁巖氣等新能源開采以來，開采區(qū)的地震活動顯著增加，誘發(fā)地震風險管控也隨之成為一個新的科學(xué)難題。目前，我國監(jiān)控誘發(fā)地震的“交通燈”系統(tǒng)還較為缺乏，對工業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)作用還較弱。加拿大、美國和英國等國家的“交通燈”系統(tǒng)為我國誘發(fā)地震的管控提供了經(jīng)驗。在我國的頁巖氣開采區(qū)、地熱開采區(qū)和誘發(fā)地震多發(fā)區(qū)域建立“交通燈”系統(tǒng)，對于降低誘發(fā)地震風險和保障工業(yè)安全生產(chǎn)具有重要意義。