《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Slip-tendency analysis of a potential CO2 storage site in the central German North Sea
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德国北海中部是CO2地质封存（CCS）的潜在目标区，然而，CO2注入可能诱发地震。为解决此问题，本文作者对研究区内汉尼盐丘附近的既有断层进行了三维建模，并基于现今三维地应力场，结合蒙特卡洛-拉丁超立方抽样（MCLH）模拟，对断层的滑移趋势性、可承受孔隙压力窗口和潜在矩震级进行了系统性分析。研究揭示了断层对CO2注入诱导再活化的敏感性，为未来CCS项目的安全规划和地震风险评估提供了关键依据。
随着全球对“碳中和”目标的追求，碳捕获与封存（CCS）技术被视为减缓气候变化的关键途径之一。其中，将二氧化碳（CO2）深埋于地下咸水层是一种极具前景的方案。然而，将大量流体注入地下并非没有风险，一个最令人担忧的副作用就是诱发地震。工业活动，如地热开发、废水处理，乃至地下核试验，都曾引发过地震。CO2封存操作会改变地下的孔隙压力和应力状态，可能“惊醒”沉睡的断层，从而引发地震。德国北海地区，特别是中下三叠统班砂岩（Buntsandstein）层，因其优良的地质特性被视为理想的CO2封存候选区。但该地区本身是一个地震活动平静区，这导致我们难以通过历史地震数据来直接识别潜在的震源机制和危险断层。在项目规划早期，如何评估和管控诱发地震风险，成为一个亟待解决的科学和工程难题。
为了回答这个难题，基尔大学的研究团队将目光投向了德国北海中部西石勒苏益格区块（West Schleswig Block）上的一个潜在构造——汉尼盐丘。他们想知道，如果未来在这里进行CO2注入，周围现有的断层“脾气”如何？哪些断层更容易滑动？需要多大的压力才会将它们“激活”？万一真的发生滑动，可能产生多大的地震？他们的研究以一篇题为“Slip-tendency analysis of a potential CO2storage site in the central German North Sea”的论文形式，发表在了专业期刊《International Journal of Greenhouse Gas Control》上。
关键方法
为了回答上述问题，研究人员综合运用了多种地质地球物理与数值模拟技术。首先，他们基于近80条二维地震测线，整合了跨越60年的勘探数据，重建了汉尼盐丘周围复杂的三维断层数据集，并对该区域的地质历史、构造格局和岩性特征进行了详细刻画。其次，他们利用先前发布的德国三维数值应力模型，获取了研究区的现今地应力方向和大小。核心的分析方法是“滑移趋势性分析”，这是一种基于库仑破裂准则评估断层在给定应力状态下滑动倾向的经典方法。他们不仅计算了断层的滑移趋势性（TS），还将此框架扩展到估算可承受的孔隙压力变化（ΔP）上限，以及断层再活化时潜在的矩震级（Mw）。为了处理地应力大小、摩擦系数、断层几何、动态弱化因子和断层聚类容差等诸多不确定性，研究采用了蒙特卡洛模拟结合拉丁超立方抽样（MCLH）的概率分析方法，进行了3000次随机模拟，并以百分位数（如P50、P95）来呈现结果的统计分布。
研究结果
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地质与断层模型：研究发现汉尼盐丘包含南北两个构造高点，其中南高点构造活动更强烈，断层网络更复杂，形成了一个树状网络，从班砂岩基底一直延伸到最新的新生代地层，且断层垂向位移更大。这些断层主要是正断层，在盐丘顶部形成了放射状和环状组合。相反，北高点的断层主要限于新生代盖层，且位移较小。研究还指出，南高点的断层网络可能构成潜在的流体迁移通道。
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滑移趋势性分析结果：研究考虑了正断层（Scenario 1）和走滑（Scenario 2）两种地应力状态。结果表明，在两种情景下，北西/南东（NW/SE）和北北西/南南东（NNW/SSE）走向的断层表现出更高的滑移趋势性，这与最大水平主应力（σHmax）的方位（约338°）一致。而北东/南西（NE/SW）走向的断层滑移趋势性较低。归一化的滑移趋势性（TS_norm）分析显示，在Scenario 1下，白垩纪、中班砂岩（页岩段）和下班砂岩中的一些断层已接近临界状态（TS_normP95 > 1）；在Scenario 2下，更多断层，包括储层所在的中班砂岩（砂岩段）和蔡希斯坦统（Zechstein）中的断层，也显示出临界或超临界倾向。高滑移趋势性的断层主要集中于汉尼南高点。
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可持续孔隙压力窗口：研究计算了触发断层滑动所需的额外孔隙压力ΔP。在Scenario 1下，ΔP（P50）的范围为3至227巴（bar），对应的压力梯度为15至125巴/千米；在Scenario 2下，ΔP（P50）范围更宽，为0至289巴。结果显示，ΔP对断层方位的依赖性远强于对深度的依赖性，这再次突出了断层几何和地应力相对方位的重要性。
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潜在矩震级估算：通过将具有相似走向、倾角和滑动角的断层段进行聚类，并假设动态摩擦弱化，研究估算了断层再活化可能释放的矩震级。结果显示，大多数潜在事件的矩震级小于1.5。然而，研究识别出少数具有较高滑移趋势性和较大潜在破裂面积的断层组合，其估算的矩震级（P95）可达到2.0至2.5。这些需要重点关注的高风险断层也主要位于汉尼南高点。
结论与意义
本研究通过整合多期地震数据构建了精细的三维断层模型，并结合三维地应力场，对德国北海一个潜在CO2封存场址的断层稳定性进行了系统的滑移趋势性概率分析。研究得出以下核心结论：1) 汉尼盐丘附近的断层，特别是南高点的断层，其再活化潜力存在空间异质性，NW/SE和NNW/SSE走向的断层风险最高；2) 在考虑的不确定性范围内，许多断层，尤其是南高点的断层，在现今应力状态下已接近临界，对孔隙压力升高非常敏感；3) 研究定量给出了避免断层再活化的“安全”孔隙压力增量窗口，为注入压力管理提供了直接参考；4) 尽管大多数潜在诱发地震的矩震级较低（Mw< 1.5），但仍存在个别断层组合可能引发矩震级达2.0-2.5事件的风险。
这项研究的重要意义在于，它为在地震平静区进行CCS项目的早期地震风险筛查提供了一套完整、可操作的方法框架。该方法不仅能够识别出“危险”的断层和潜在的震源机制，还能量化“安全”注入压力的阈值和潜在的地震强度。这些信息是后续进行更精细的储层-地质力学模拟、优化注入方案、设计监测网络（如微震监测）以及制定交通灯控制系统（Traffic Light System）不可或缺的基础输入。因此，该工作不仅是针对德国北海具体场址的一项重要评估，其方法学本身也对全球其他计划开展CCS项目的区域具有重要的借鉴价值，有助于在能源转型过程中，更安全、更负责任地实施碳封存技术。
