深层地热能的开发和商业化，特别是通过水力压裂技术和增强型地热系统（EGS），尚未在全球范围内实现的一个重要障碍是诱发地震事件带来的风险。一些EGS项目甚至在建储期间引发了显著的诱发地震事件，导致灾害损失、引发法律纠纷甚至导致项目终止，例如瑞士的巴塞尔EGS项目、韩国的浦项EGS项目等。目前取得共识的是，在EGS项目实施过程中需要有效的地震灾害风险管理措施。水力压裂作业诱发的最大震级（Mmax）的前瞻性预测是EGS项目地震灾害风险管理的核心问题之一，但相应的Mmax预测模型的局限性和适用性仍需要系统性地验证。此外，关井后仍发生地震甚至发生更大地震的尾效现象，由于对其发生的物理机制理解不足，更是对Mmax预测模型的适用性提出了挑战。
中国地震局地球理研究所蒋长胜研究员团队，针对上述的诱发地震Mmax预测模型的适用性问题，以中国地质调查局在青海共和县恰卜恰盆地实施的我国首个EGS项目为例开展了系统性研究。研究中选择了四个目前可获取且可操作、具有数据和参数信息的Mmax预测模型，包括H14、NRBE、G17和V16模型，对共和EGS项目2019~2021年期间实施的9个水力压裂施工期、6个具有尾随效应的关井期以及完整时段（微震分布见图1），进行了系统性的统计检验和比较研究。在分析了不同预测模型和不同预测时期性能差异的原因后（见图2），提出了结合不同模型优势和不同预测时期特点的最优预测模型Y24（见图3和图4）。研究中还探讨了影响模型预测性能的因素、构建混合预测模型和“最优模型”选择、预测模型的不确定性分析等问题。
图1 共和EGS项目场地2019~2021年期间的微震事件空间分布
（a）微震事件的水平空间分布图；（b）微震事件的三维空间分布；（c）沿东西方向的深度剖面图；（d）沿南北方向的深度剖面图。图中圆圈和实心点代表不同震级的地震事件，颜色表示其发生时间。黑色实线表示地热井的轨迹，三角形表示地震台站，黄色方块标记出了井口的位置。
图2 影响关井后地震最大震级预测的潜在因素分析
（a）累积地震矩与累积注入体积的对比，其中累积地震矩包括水力压裂阶段和关井阶段，两条平行虚线表示曲线的波动范围；（b）水力压裂期间的地震效率（Seff）与关井前后累积地震矩释放的比率之间的关系；（c）水力压裂期间的最大注入速率与关井前后累积地震矩释放的比率之间的关系；（d）水力压裂期间的单次连续注入体积与关井前后累积地震矩释放的比率之间的关系；（e）水力压裂期间的最大井口压力与关井前后累积地震矩释放的比率之间的关系；（f）关井前井口压力与关井前后累积地震矩释放的比率之间的关系。
图3使用混合预测方法Y24和其他单一方法对水力压裂施工期的Mmax预测结果
图中圆圈的颜色表示预测震级被实际事件超过的方法数量，其中绿色表示没有方法被超过，黄色表示一种方法被超过，橙色表示两种方法被超过，红色表示三种或四种方法被超过。
图4使用混合预测方法Y24和其他单一方法对关井后期的Mmax预测结果
图中圆圈的颜色表示预测震级被实际事件超过的方法数量，其中绿色表示没有方法被超过，黄色表示一种方法被超过，橙色表示两种方法被超过，红色表示三种或四种方法被超过。
研究结果表明，（1）在水力压裂施工期间不同Mmax预测模型的预测性能存在显著差异，并且不存在完美的预测模型。其中NRBE和G17模型对Mmax预测结果提供较高的估计，但预测过高的震级可能导致EGS项目中地震风险防控的成本增加。H14和V16模型产生的预测结果相对更接近实际震级，但由于可能出现实际地震震级突破，在EGS项目建设中容易面临安全风险。（2）在水力压裂和关井期间，同一预测模型的预测性能也存在显著差异，并且将预测模型直接应用于关井期可以取得一定的预测性能。这可以归因于水力压裂期间和关井期间在诱发地震发生机制方面的部分共性，即累积注入量对水力压裂和关井期间的最大震级都有总体控制作用。（3）从可操作性的角度出发，提出了Y24模型用于EGS项目水力压裂和关井期间的Mmax预测。Y24模型以加法混合的方式整合了所有四个预测模型，在水力压裂期间和关井期间的预测结果中可以实现更高的覆盖率（CR）和更低的偏差（MAE、Var和EMax），并有潜力在其他EGS项目或基于水力压裂技术的页岩气开发项目的地震风险管理中得到广泛应用。
该项研究成果于2024年7月刊发在国际主流地学期刊《Tectonophysics》（Yin, X. X., Jiang, C. S.*, Yin, F. L., Zhai, H. Y., Zheng, Y., Wu, H. D., Niu, X., Zhang, Y., Jiang, C., Li, J. W., 2024. Assessment and optimization of maximum magnitude forecasting models for induced seismicity in enhanced geothermal systems: The Gonghe EGS project in Qinghai, China. Tectonophysics, 886: 230438, https://doi.org/10.1016/j.tecto.2024.230438.）。该项研究由国家自然科学基金联合基金项目（U2039204）和甘肃省重点研发计划项目（23YFPA0015）共同资助。
【作者简介】
第一作者：尹欣欣，博士，甘肃省地震局高级工程师，主要从事地震台网监测和诱发地震的研究。E-mail: yxx@gsdzj.gov.cn
通讯作者：蒋长胜，博士生导师，中国地震局地球物理研究所研究员。九三学社中央科技专门委员会委员、中国地球物理学会第十一届理事会理事、地震学专业委员会副主任委员、中国地震学会科普委员会副主任委员。主要从事地震监测技术和预测理论研究。Email: jiangcs@cea-igp.ac.cn
