随机孔隙—力学分析预测2017年韩国浦项5.5级地震具有显著的超越概率

人为地震为何重要

2017年，一场5.5级地震震动了韩国浦项市，造成建筑损毁并令科学家惊讶，因为这次地震与一个地热能源项目有关，而非天然断层的自发生位移。若要在不危及附近社区的情况下扩大低碳能源利用，就必须理解像深部流体注入这样的人工活动如何触发强震。本文采用基于物理且以概率为驱动的方法，提出一个简单但影响深远的问题：考虑到我们对地下岩石和应力了解的有限性，发生像浦项那样规模地震的可能性有多大？

能源工程如何唤醒隐蔽断层

增强型地热系统通过向地下深处注入高压水以打开已有裂隙并改善水流循环来产生热能。在浦项，注入发生在约4.2公里深的花岗岩中，靠近一条未穿出地表的既有断层。当加压的水进入岩体时，会提高矿粒间微小孔隙的孔隙压力，并微幅改变岩体承载应力的方式。这样细微的变化可以降低断层的摩擦阻力，使其发生滑动。浦项的多条证据表明，主震发生在注入井附近，沿着一条成熟的断层面，而该断层的精确方位和应力状态当时及现在仍然约束不严。

把不确定性转成概率预报

此前对浦项地震的大多数分析试图重建一个单一的“最佳”地下模型，假定断层已极其接近破裂，哪怕微小的应力变化也能引发它。但现场测量和地震资料表明，这条断层比这种简单假设所描述的更为稳定。作者没有押注于单一情形，而是将若干关键地下属性——例如应力的方向和大小、断层倾角，以及断层面的摩擦系数——视为不确定量。随后使用一种称为蒙特卡洛模拟的技术：生成数千个略有差别但物理上可行的地下“世界”，并对每一种情形计算流体压力如何扩散、岩石如何力学响应以及断层是否会滑动及其程度。

模拟断层对注入的响应

为使大量试验在计算上可行，团队使用解析公式而非繁重的数值模型来描述注入如何提高井周孔隙压力以及这种变化如何作用到周围的应力场。他们探讨了断层可能发生的两种现实滑动方式，均为垂直与水平位移的斜向混合。在基准情形下，采用平均的岩性和应力参数时，断层在注入下实际上仍然保持稳定——这明显与实际地震相矛盾。当他们允许不确定参数在测量和实验支持的范围内变化时，部分实例仅产生极小、难以检测的地震，而另一些则产生更大的事件。通过将每个实例中滑动断层区域的大小换算为地震震级，他们构建了可能结果的完整概率分布。

浦项地震有多大可能性发生？

模拟显示，在与浦项相关的条件下，理论上诱发的最大地震可接近7级，但此类事件的概率极低。更有意义的是超过特定震级的估计概率。对于与2017年实测事件相当（Mw 5.5）的地震，模型预报的超越概率大约在7%到15%之间，取决于假定的滑动模式。该范围与从现场观测到的小震序列独立推断出的概率相近。分析还揭示了断层注入前距失稳的远近与随后地震规模之间的明确关联。在浦项，一旦断层的初始“安全裕度”降到大约0.1–0.2兆帕以下，即使是适度的孔隙—力学扰动也能将其推向破坏性断裂。

这对未来地热与地下能源项目意味着什么

对非专业读者而言，关键结论是浦项地震既非偶然怪事，也非地热开发的必然结果，而是一种可量化的风险，取决于附近断层的临界应力状态以及我们对其了解程度。此研究表明，通过将基于物理的模型与系统性不确定性分析相结合，可以在事前估计注入触发特定规模地震的概率。研究警示，已接近失稳的断层在相对较小的压力变化下也能产生破坏性地震，并暗示仅依赖对小震的监测的传统“红黄绿灯”系统可能不足以应对风险。相反，仔细的场址表征与自适应、模型指导的风险评估——如本研究所示——将是安全且负责任利用深部地下资源的关键。

引用: Wu, H., Vilarrasa, V., Parisio, F. et al. Stochastic poromechanical analysis forecasts a notable exceedance probability for the 2017 Pohang, South Korea, M_w 5.5 earthquake. Commun Earth Environ 7, 236 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03268-7

关键词: 诱发地震, 地热能源, 断层稳定性, 流体注入, 地震风险