Contents
Committee on Induced Seismicity Potential in Energy Technologies, Committee on Earth Resources, Committee on Geological and Geotechnical Engineering, Committee on Seismology and Geodynamics, Board on
地質・地盤工学委員会地震学・地盤力学委員会
地球科学・資源委員会地球・生命研究部門
米国アカデミー出版会
ワシントンD.C.
ナショナル・アカデミー・プレス – 500 Fifth Street, NW – Washington, DC 20001
注意：本報告書の主題であるプロジェクトは、全米科学アカデミー、全米工学アカデミー、および全米医学研究所の評議会から選出されたメンバーで構成される全米研究評議会運営委員会によって承認された。この報告書を担当した委員会のメンバーは、それぞれの特別な能力と適切なバランスを考慮して選ばれた。
本研究は、米国科学アカデミーとエネルギー省間のDE-PI0000010, TO# 10/DE-DT0001995の支援を受けた。本書で表明された意見、発見、結論、提言はすべて著者のものであり、プロジェクトに支援を提供した組織や機関の見解を必ずしも反映するものではない。
米国科学アカデミーは、科学と工学の研究に従事する著名な学者からなる、私的な非営利の自己永続的学会であり、科学と技術の向上と一般福祉のためにその利用を目的としている。1863年に連邦議会から授与された憲章に基づき、同アカデミーは連邦政府に科学技術に関する助言を行うことを義務付けられている。ラルフ・J・シセロン博士が全米科学アカデミーの会長である。
全米工学アカデミーは、1964年に全米科学アカデミーの憲章の下、優れたエンジニアの並列組織として設立された。その運営とメンバーの選出は全米科学アカデミーと自治的に行われているが、連邦政府への助言という責任は全米科学アカデミーと共有している。全米工学アカデミーはまた、国家のニーズを満たすことを目的とした工学プログラムを後援し、教育と研究を奨励し、技術者の優れた業績を表彰している。C.D.モート・ジュニア博士が全米工学アカデミーの会長を務めている。
医学研究所は、1970年に全米科学アカデミーによって設立され、国民の健康に関わる政策事項の検討において、適切な専門職の著名なメンバーのサービスを確保することを目的としている。米国科学アカデミーの議会憲章により、連邦政府へのアドバイザーとして、また、自らのイニシアティブにより、医療、研究、教育に関する問題を特定する責任を与えられている。ハーベイ・V・ファインバーグ博士は医学研究所の会長である。
全米研究会議は1916年、全米科学アカデミーによって組織された。科学と技術の幅広いコミュニティと、知識を深め連邦政府に助言を与えるというアカデミーの目的を結びつけるためである。同アカデミーが決定した一般方針に従って機能する同評議会は、全米科学アカデミーと全米工学アカデミーの主要な運営機関として、政府、一般市民、科学技術界にサービスを提供している。評議会は両アカデミーと医学研究所が共同で運営している。ラルフ・J・シセロン博士とC・D・モート・ジュニア博士がそれぞれ全米研究会議の議長と副議長を務めている。
エネルギー技術における誘発地震ポテンシャル委員会
- MURRAY W. HITZMAN 議長、コロラド鉱山学校（ゴールデン） DONALD D. CLARKE 地質コンサルタント、カリフォルニア州ロングビーチ
- EMMANUEL DETOURNAY、ミネソタ大学（ミネアポリス）、CSIRO（地球科学・資源工学）（オーストラリア）
- JAMES H. DIETERICH、カリフォルニア大学リバーサイド校
- DAVID K. DILLON, David K. Dillon PE, LLC. ntennial, Colorado SIDNEY J. GREEN, ユタ大学, Salt Lake City
- ROBERT M. HABIGER, Spectraseis, コロラド州デンバー
- ROBIN K. MCGUIRE, Lettis Consultants International, Inc. JAMES K. MITCHELL, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg JULIE E. SHEMETA, MEQ Geo, Inc.
- JOHN L. (BILL) SMITH、カリフォルニア州サンタローザ、地熱コンサルタント
全米研究評議会スタッフ
- ELIZABETH A. EIDE, 研究ディレクター COURTNEY GIBBS, プログラム・アソシエイト JASON R. ORTEGO, リサーチ・アソシエイト
NICHOLAS D. ROGERS、財務・調査アソシエイト
地球科学・資源委員会
- コラール・L. BRIERLEY (委員長)、Brierley Consultancy LLC、コロラド州デンバー SUSAN L. CUTTER、サウスカロライナ大学 CUTTER, サウスカロライナ大学、コロンビア
- WILLIAM L. GRAF、サウスカロライナ大学、コロンビア EDWARD KAVAZANJIAN, JR、アリゾナ州立大学、テンピ ANN S. ANN S. MAEST, Buka Environmental, Boulder, Colorado DAVID R. MAIDMENT, University of Texas, Austin
- ROBERT MCMASTER、ミネソタ大学、ミネアポリス M. MEGHAN MILLER、UNAVCO社、コロラド州ボルダー ISABEL P. MONTAÑEZ、カリフォルニア大学デービス校
- CLAUDIA MORA、ロスアラモス国立研究所、ニューメキシコ州ロスアラモス BRIJ M. MOUDGIL、フロリダ大学、ゲインズビル
- CLAYTON R. NICHOLS、アイダホ作戦事務所（退官）、オーシャンパーク、ワシントン州 HENRY N. POLLACK、ミシガン大学、アナーバー
- DAVID T. SANDWELL, カリフォルニア大学サンディエゴ校 PETER M. SHEARER, カリフォルニア大学サンディエゴ校 REGINAL SPILLER, Azimuth Investments, LLC, ヒューストン, テキサス州 GENE WHITNEY, 独立コンサルタント, ワシントンD.C.
全米研究評議会スタッフ
- ELIZABETH A. EIDE, ディレクター
- ANNE M. LINN シニア・プログラム・オフィサー SAMMANTHA L. MAGSINO シニア・プログラム・オフィサー MARK D. LANGE プログラム・オフィサー
- NICHOLAS D. ROGERS、財務およびリサーチ・アソシエイト COURTNEY R. GIBBS、プログラム・アソシエイト
- ERIC J. EDKIN、シニア・プログラム・アシスタント CHANDA T. IJAMES、シニア・プログラム・アシスタント
序文
1920年代以来、地球への流体の注入や排出が、体感できる地震現象を引き起こす可能性があることは認識されてきた。2006年から2008年にかけてスイスのバーゼルで発生した地震は、地熱エネルギー開発に関連しており、地元住民によって感じられた。アーカンソー州、オハイオ州、オクラホマ州、テキサス州では、ここ数年、石油・ガス生産に伴う廃水処理に関連した小規模な地震が相次いで発生している。これらの地震現象は、誘発地震（人為的な地震）の問題を世間に広く知らしめた。
米国にとって21世紀の信頼できるエネルギー供給を確保することは、経済的、環境的、社会的に重大な課題である。シェールガス生産や地熱エネルギーに関連する新技術を含め、さまざまな従来型・非従来型のエネルギー技術が、こうした課題に対応するために開発されている。エネルギー技術もまた、廃棄物を生み出す可能性がある。「廃水」は、石油やガスの掘削中に発生することが多く、一般的には、流体を地下に汲み上げることによって処分するか、貯蔵、処理、再利用のいずれかによって管理される。二酸化炭素もエネルギー生産の副産物として発生することがあり、回収され、同様に地下に汲み上げられ貯蔵されることがある。
ビンガマン上院議員は、エネルギー開発に関連する誘発地震の可能性に関する国民の懸念を見越して、エネルギー省に対し、国家研究会議を通じてこの問題の研究を行うよう要請した。この研究は、エネルギー生産に関連する流体の注入時に誘発される地震性の規模、範囲、影響を調査し、誘発地震性の理解を進めるために必要な知識のギャップと研究を特定し、誘発地震ハザード評価手法のギャップとそのギャップを埋めるために必要な研究を特定し、エネルギー開発と誘発地震性の可能性に関するベストプラクティスに向けた暫定的なステップの選択肢を評価することを目的としたものであった。
委員会（付録：A）は、地熱エネルギー開発、増進回収法とシェールガスを含む石油・ガス生産、炭素回収・貯留（CCS）に関連する誘発地震の歴史と可能性について調査した。委員会は、専門家の査読を経た文献、連邦・州政府機関が作成した文書、オンラインデータベースや資料、外部情報源からの要請や提出された情報を調査した。また、テキサス州ダラスとカリフォルニア州アーバインで開催された会議では、シェールガス開発、石油増進回収法、廃水処理、CCSに詳しい人々から話を聞いた（付録B）。また、ワシントンD.C.とコロラド州デンバーでも会議が開催され、理論と実践における誘発地震を探求した。
北カリフォルニアでの会議の中で、委員会は、地熱エネルギー生産によって継続的に発生する誘発地震に囲まれて暮らしている、カリフォルニア州アンダーソンスプリングスやコブの人々と話すことができた。彼らの関心事や、連邦政府の技術専門家とともに、産業界や自治体の人々とどのように協力し、誘発地震という非常に具体的な問題に対処してきたかという歴史を理解することは、委員会の審議に臨場感をもたらした。この知識は、委員会が地熱エネルギー開発によって引き起こされた、あるいはそれに関連すると思われる。誘導地震に対応するためのプロトコルシステムのコンセプトを、提案されたプロトコルシステムの考案に貢献した人々とともに検討する際に、非常に貴重なものとなった。
この研究は、エネルギー開発のための流体圧入に起因する、あるいは関連する可能性の高い、小規模なフェルト地震が多発していた時期に行われた。発生が最近であったため、これらの事象のほとんどについて、専門家の査読を経た出版物は一般的に入手できなかった。しかし、これらの事象やそれらに関する情報が本報告書において予想されることを知っていた委員会は、各事例に関連する共通の事実的ポイントや、これらの事例について残された未解決の疑問点を把握するために、可能な限り多くの情報源を特定し、そこから情報を得ようと試みた。このプロセスを通じて、委員会は学術界、産業界、政府機関の科学者や技術者を関与させた。なぜなら、それぞれが誘発地震に対する理解を深めるために追加すべき、信頼できる有効な情報を持っているからである。
本報告書では、エネルギー開発に関連する誘発地震の可能性について、われわれが知っていることを説明する。また、われわれの知識が不十分な分野に焦点を当て、明確に定義された規制の「本拠地」を持たない問題に対処する際の本質的な難しさについて論じている。委員会は、この報告書が、新たな誘発地震が発生するにつれて間違いなく広く認識されるようになるであろう重要な問題について、一般市民と意思決定プロセスの双方に情報を提供することを願っている。
委員長として、委員の献身的な努力に感謝したい。委員会は、このプロジェクト研究の責任者であるエリザベス・エイデ博士が、私たち全員にとってエキサイティングな学習体験となるよう支援してくれたことを称賛する。委員会はまた、ジェイソン・オルテゴ研究アソシエイトとコートニー・ギブスプログラムアソシエイトの献身と卓越性からも恩恵を受けた。
マレー・W・ヒッツマン委員長
2012年6月
謝辞
調査委員会は、自らの専門知識に加えて、誘発地震に関連する様々な問題への対応に豊富な経験を持つ多数の外部専門家および一般市民の意見を参考にした。これらの方々は、研究室や現場での研究知識、産業界や民間企業、政府におけるエネルギー開発での直接的な経験、誘発地震事象への対処に関する個人的な経験などを惜しみなく提供してくださった。われわれは、この作業を支援してくれた彼らの貢献に感謝する。特に以下の方々に感謝したい： Scott Ausbrooks, Joe Beall, Lisa Block, Jay Braitsch, Mike Bruno, Linda Christian, David Coleman, Tim Conant, Kevin Cunningham, Mark Dellinger, Philip Dellinger, Nancy Dorsey, Ola Eiken, Leo Eisner, Bill Ellsworth, Cheryl Engels, Rob Finley, Cliff Frohlich, Julio Garcia, Domenico Giardini, Jeffrey Gospe, George Guthrie, Craig Hartline, Werner Heigl, Hamilton Hess, Austin Holland, Steve Horton, Ernst Huenges、 John Jeffers、Doug Johnson、Don Juckett、Bill Leith、Ernie Majer、Shawn Maxwell、Steve Melzer、Meriel Medrano、Alexander Nagelhout、Jay Nathwani、David Oppenheimer、Susan Petty、Bruce Presgrave、Philip Ringrose、Jim Rutledge、Jean Savy、Alexander Schriener、Serge Shapiro、Karl Urbank、Mark Walters、Charlene Wardlow、Norm Warpinski、Stefan Wiemer、Colin Williams、Melinda Wright、Bob Young、Mark Zoback。
また、北カリフォルニアで開催された委員会のフィールドトリップとワークショップの企画・実施に関して、有益な支援をいただいたことも非常に重要であった。カルパイン社、北カリフォルニア電力公社、ローレンス・バークレー国立研究所、アンダーソンスプリングスおよびコブ（カリフォルニア州）の地域社会からの多大なご協力とご尽力により、必要な情報や地域の情報を入手することができ、委員会の作業に大いに役立った。
委員会は、地球資源委員会、地質・地盤工学委員会、地震学・地質力学委員会という、地球科学・資源委員会傘下の3つの常設委員会の、調査過程における指導と監督に対する支援に感謝する（付録M）。本報告書は、米国学術会議（NRC）の報告書審査委員会（Report Review Committee）によって承認された手順に従って、多様な視点と技術的専門知識を持つ個人によって草稿の形で審査された。この独立したレビューの目的は、公表される報告書が可能な限り健全なものとなるよう機関を支援する率直かつ批判的なコメントを提供すること、および報告書が客観性、証拠、調査担当者への対応に関する機関の基準を満たしていることを確認することである。審議プロセスの完全性を守るため、審査コメントと原稿の秘密は保持される。本報告書のレビューに参加していただいた以下の方々に感謝する：
Jon Ake（原子力規制委員会、メリーランド州ロックビル） Dan Arthur（ALLコンサルティング、オクラホマ州タルサ
ジョン・ブレデホフト（カリフォルニア州サウサリート、ハイドロダイナミクス・グループ） ブライアン・クラーク（テキサス州シュガーランド、シュルンベルジェ・カンパニーズ
Peter Malin, University of Auckland, New Zealand W. Allen Marr, Jr., Geocomp Corporation, Acton, Massachusetts Shawn Maxwell, Schlumberger Canada, Calgary J. R. Anthony Pearson, Schlumberger Cambridge Research, United Kingdom Ed Przybylowicz, Eastman Kodak Company (retired), Webster, New York Carlos Santamarina, Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia
マーク・ゾバック、スタンフォード大学、カリフォルニア州スタンフォード
上記のレビュアーは、多くの建設的なコメントや提案を提供したが、結論や勧告を支持するよう求められたわけではなく、また報告書の発表前に最終稿を見たわけでもない。本報告書のレビューは、テキサス大学オースティン校のウィリアム・L・フィッシャーとイリノイ州シカゴ大学のR・スティーブン・ベリーが監督した。NRCによって任命された両名は、本報告書の独立した審査が機関の手順に従って実施され、すべての審査コメントが慎重に検討されたことを確認する責任を負っていた。本報告書の最終的な内容に関する責任は、すべて執筆委員会および機関にある。
目次
- 要旨 1
- 要旨 5
- 1 誘導地震とエネルギー技術, 23
- 誘発地震と研究の背景, 23
- 地震とその測定, 27
- エネルギー技術と誘発地震、32
- エネルギー活動に関連する歴史的な誘発地震、34
- おわりに, 35
- 参考文献、35
- 2 誘導地震の種類と原因
- はじめに、37
- 地震現象の発生と規模に影響する要因、37
- 流体圧入による地震活動、46
- 流体引き抜きによる地震活動、51
- まとめ、56
- 参考文献、57
- 3 エネルギー技術： エネルギー技術：その仕組みと
- 誘発地震の可能性
- 地熱エネルギー
- 増進回収法を含む在来型石油・ガス生産、 75
- シェール貯留層を含む非在来型石油・ガス生産、 83
- エネルギー採掘に伴う水の処理に使用される注入井戸、 88
- エネルギー採掘に伴う水の処理に使用される注入井戸、 88
- エネルギー採掘に伴う水の処理に使用される注入井戸、 88
- エネルギー採掘に伴う水の処理に使用される注入井戸
- エネルギー採掘に関連する水の廃棄に使用される注入井戸, 88
- 炭素回収と貯留、94 考察、103
- 参考文献、111
- 4 地下圧入と誘発地震に関する政府の役割と責任
- 地下圧入と誘発地震に関する政府の役割と責任
- 連邦当局、118
- 州の取り組み、129
- 流体取水に関する既存の規制枠組み、135
- まとめ、136
- 参考文献、136
- 5 エネルギー技術開発における誘導地震を理解し管理するための道筋
- 開発 139
- 誘導地震に関連する危険とリスク、139
- ハザードとリスクの定量化, 146
- 参考文献、150
- 6 「ベストプラクティス」プロトコルに向けたステップ 151
- ベストプラクティスの採用を検討することの重要性 151
- 既存の誘発地震チェックリストとプロトコル、 152
- 交通信号制御システムの使用、157
- 公共施設および民間施設に対する誘発地震の影響の軽減、 162 参考文献、164
- 7 誘導地震への対応：調査結果、結論、研究、および提案されている対策 165
- 誘発地震の種類と原因、166
- エネルギー技術： エネルギー技術：どのように機能するか、168
- 誘発地震を緩和するための坑内掘削活動の監視、モニタリング、調整、 174
- 危険性とリスク評価、175
- ベストプラクティス、176
付録
- A 委員会とスタッフの経歴
- B 会議日程
- C 誘導地震の観測結果
- D ビンガマン上院議員とチュー長官との書簡
- E 地震規模の推定と負のマグニチュード
- F ボールドウィンヒルズ貯水池ダムの決壊
- G 流体の注入または取水による地震現象
- H 流体圧入による間隙水圧
- I 水圧破砕の微小地震モニタリング
- J オクラホマ州ガービン郡エオラ鉱区における水圧破砕と誘発地震との関連性
- K パラドックス・バレー・ユニット塩水圧入プロジェクト
- L 注入された流体の推定量
- M 謝辞
要旨
人間活動に起因する地震は誘発地震または誘導地震と呼ばれる。ここ数年、エネルギー開発プロジェクトに関連した誘発地震が社会的関心を集めている。米国内の何十万というエネルギー開発現場における圧入・採掘活動のごく一部でしか、一般市民が認識できるレベルの地震活動は誘発されていないが、アラバマ州、アーカンソー州、カリフォルニア州、コロラド州、イリノイ州、ルイジアナ州、ミシシッピ州、ネブラスカ州、ネバダ州、ニューメキシコ州、オハイオ州、オクラホマ州、テキサス州では、エネルギー開発によって引き起こされた、あるいはエネルギー開発に関連していると思われる地震現象が測定され、感じられた。
米国議会は、エネルギー開発プロジェクトが地震を誘発する可能性についての社会的関心を予期し、米国エネルギー省に対し、地熱エネルギー開発、シェールガス回収を含む石油・ガス開発、炭素回収・貯留（CCS）に関連する流体注入・引抜き活動中に誘発される地震性の規模、範囲、結果を調査するよう、国家研究会議（National Research Council）に要請するよう指示した。この研究はまた、誘発地震に対する理解を深めるために必要な知識と研究のギャップを特定すること、誘発地震ハザード評価手法とそのギャップを埋めるための研究のギャップを特定すること、エネルギー開発と誘発地震の可能性に関するベストプラクティスへのステップの選択肢を評価することであった。
この調査から3つの主要な知見が得られた：
- 1. シェールガス回収のために現在実施されている坑井の水圧破砕プロセスは、有感地震を誘発する危険性は高くない。
- 2. エネルギー技術に由来する廃水を地下に処分するための圧入は、誘発地震を引き起こす若干のリスクをもたらすが、過去数十年間、多数の処分井が稼動しているのに比べ、記録された事象はごくわずかである。
- 3. CCSは、注入される流体の正味量が多いため、より大きな地震を誘発する可能性がある
流体の注入や引き抜きに伴う誘発地震は、ほとんどの場合、特定の性質や方向性を持つ断層や、岩石の応力の臨界状態が存在する地下の間隙流体圧の変化や応力の変化によって引き起こされる。誘発地震に関して最も直接的な影響を及ぼすと思われる要因は、正味の流体バランス（地下に導入される流体、または地下から除去される流体の総バランス）であるが、流体が地下に影響を及ぼす方法には、さらなる要因が影響する可能性がある。誘導地震を発生させる一般的なメカニズムはよく理解されているが、複雑な自然の岩石システムに関する包括的なデータが不足しており、有効な予測モデルがないため、現在のところ、このような現象の規模や発生を正確に予測することはできない。
ほとんどの石油・ガス開発プロジェクトのように、注入される流体の量と引き抜かれる流体の量のバランスを維持するように設計されたエネルギー技術プロジェクトは、流体のバランスを維持しないプロジェクトよりも地震事象の発生が少ないと思われる。シェールガス開発のための坑井での水圧破砕は、流体を注入して頁岩を破砕し、坑井からガスを放出させるが、世界のある場所で小規模な有感地震が発生した原因であることが確認されている。
シェールガス回収を含む石油・ガス生産からの廃水処分は、通常、大量の流体を収容するよう特別に設計された大規模な多孔質帯水層に、比較的低い圧力で注入される。廃水処分井の大部分は、誘発地震の危険性をもたらさないが、ごく限られた数の井戸で誘発地震が発生している。誘導地震に対する廃水処分井の数が大幅に増加した場合の長期的影響は不明である。
CCSのような、長期間にわたって大量の流体を注入または抽出するプロジェクトは、より大きな誘発地震を引き起こす可能性があるが、大規模なCCSプロジェクトがまだ稼働していないため、この可能性を理解するには十分な情報がない。大規模CCSプロジェクトにおける誘発地震の可能性については、継続的な研究が必要である。
地熱事業における誘発地震は、正味の流体バランスと地下の温度変化の両方に関係しているようである。地熱資源開発の形態によって、誘発地震を起こす可能性は異なるようである。いくつかの地熱事業で行われている高圧水圧破砕は、体感できるほど大きな地震を引き起こしている。熱水資源の地熱開発に伴う温度変化も、有感地震を引き起こしている。
誘発地震に対する政府の対応は、多くの連邦政府機関や州政府機関によって、様々な方法で行われてきた。しかし、エネルギー開発の拡大により誘発地震が増加する可能性があるため、政府機関や研究機関は、予期せぬ事象に対処するための十分な資源を有していない可能性がある。潜在的な誘発地震に対処するために、将来を見据えた省庁間の協力が必要である。
誘発地震リスクの定量的、確率論的ハザード評価のための手法を開発することができる。このような評価は、有感地震の既知の履歴がある地域で操業が開始される前に実施されるべきであり、観測された潜在的な誘発地震に対応して更新されるべきである。エネルギープロジェクトの操業前と操業中の両方において、誘発地震を考慮した対策は、各エネルギー技術と立地場所に特有の「ベストプラクティス」プロトコルの開発に採用することができる。
誘発地震による人命の損失や大きな被害は米国では発生していないが、その影響は地元で感じられており、エネルギー開発が進行中あるいは計画中の地域における、さらなる地震活動とその影響に対する懸念が生じている。誘発地震に関連する潜在的リスクをよりよく理解し、対処するためには、さらなる研究が必要である。
概要
世界で毎年発生する地震の大部分は自然的な原因によるものであるが、これらの地震の一部やそれ以下の規模の地震現象の多くは人間活動に関連しており、誘発地震または誘導地震と呼ばれている。誘発地震活動は、少なくとも1920年代から記録されており、ダムの背後にある大きな貯水池の貯水、採掘や建設に関連した制御爆発、地下核実験など、さまざまな人間活動に起因している。加えて、地下への流体の注入や引き抜きを伴うエネルギー技術も、測定や体感が可能な誘発地震現象を引き起こす可能性がある。歴史的に知られている誘発地震は、一般に地盤の揺れの大きさも強さも小さかった。
最近、米国でエネルギー技術開発プロジェクトに関連したいくつかの誘発地震が発生し、社会的関心が高まっている。いずれも人命の損失や構造物の大きな損傷には至らなかったが、その影響は地域住民におよび、中には軽微な物的損害を被った住民もいた。特に、地殻変動（自然）地震活動が珍しく、エネルギー開発が進行中の地域では、このような誘発地震現象は、規模が小さいとはいえ、一般住民の不安を煽り、地震活動の活発化とその潜在的な影響に対する懸念を引き起こす可能性がある。
本報告書では、地熱エネルギー、増進回収法（EOR）を含む在来型石油・ガス開発、シェールガス回収、炭素回収・貯留（CCS）という、流体の注入や引き抜きを伴う4つのエネルギー開発技術に関連すると考えられる誘発地震を取り上げる。地下廃水処分を含むこれらの広範なエネルギー技術は、誘発地震に関連して詳細に議論されている。この研究は、ニューメキシコ州のビンガマン上院議員がエネルギー省（DOE）のスティーブン・チュー長官に要請したことから始まった。DOEは、エネルギー生産に関連する流体の注入時に誘発される地震現象の規模、範囲、影響を調査すること、誘発地震現象の理解を進めるために必要な知識のギャップと研究を特定すること、誘発地震ハザード評価手法のギャップとそのギャップを埋めるために必要な研究を特定すること、エネルギー開発と誘発地震現象の可能性に関するベストプラクティスに向けた暫定的なステップの選択肢を評価することを、全米研究会議に依頼した。本報告書はこの要請に応えるものであり、エネルギー開発に起因する、あるいは関連する可能性の高い誘発地震の性質と規模を理解し、一般市民が感じる可能性のある地震を誘発する可能性を最小限に抑えながら、これらの技術の安全な開発を進めるための最善の方法に関する指針を提供することを目的としている。
流体の注入・引抜きに関連する誘発地震とその原因メカニズム
地震現象は、米国内の限られた数のエネルギー開発現場で測定され、感じられている。アラバマ州、アーカンソー州、カリフォルニア州、コロラド州、イリノイ州、ルイジアナ州、ミシシッピ州、ネブラスカ州、ネバダ州、ニューメキシコ州、オハイオ州、オクラホマ州、テキサス州で、エネルギー開発に起因する、あるいは関連すると思われる地震現象が記録されている（図S.1）。特定の地震現象が人間活動によって引き起こされたことを証明することは、しばしば困難である。というのも、因果関係に関する結論は、現地のデータ、過去の地震発生状況、および科学的研究の優越性に依存するからである。本報告書では、人間活動によって引き起こされたと普遍的に信じられている地震事象と、因果関係を示す証拠は信頼できるがそれほど確固としたものではない地震事象の例を示す。
図S.1 米国とカナダで、様々なエネルギー技術によるエネルギー開発に起因する、あるいは関連すると思われる地震発生の報告が文書化されているサイト。小規模な誘発地震イベントの発生報告は、地域の地表地震モニタリングネットワークの検出と位置の閾値によって制限されている。
これらの地震のいくつかについて行われた研究により、地震を誘発する物理的なメカニズムがよりよく理解され、将来誘発地震が発生するかどうかを予測するための基準を特定することができた。最も重要な基準には、流体の注入・引抜領域近傍の地殻の応力状態の振幅と方向、近傍の断層の存在、方向、物理的性質、間隙流体圧（深部の岩石の間隙にある流体の圧力、以下単に間隙水圧と呼ぶ）、間隙水圧の変化、注入・引抜される流体の速度と量、地下の岩石の性質などが含まれる。
エネルギー技術に関連する人間活動によって誘発される地震活動は、(1)特定の性質と方位を持つ断層、(2)岩石中の応力の臨界状態、の存在下で起こる間隙水圧の変化や応力の変化によって引き起こされる。一般に、既存の断層や割れ目は、地下の岩石に作用する自然の水平・垂直応力の下では安定している（あるいは滑らない）。しかし、任意の地域の地殻応力は、例えば、坑井からの流体の注入や抜き出しによる地下間隙水圧の変化によって、近くの断層に作用する応力が変化する可能性がある、恒常的な状態にある。この応力の変化は、その断層に沿ってすべりや移動を引き起こし、地震現象を引き起こす可能性がある。断層に沿った突然の、またはほぼ瞬時のすべりは、地球を伝わるエネルギー波（「地震波」）の形でエネルギーを放出し、記録され、断層でのエネルギー放出の特徴を推測するために使用することができる。マグニチュード「M」は、地震発生源で放出されたエネルギーの総量を測定するのに対し、地震現象の「震度」は、任意の場所における地面の揺れのレベルを測定するものである。地震イベントのマグニチュードと最大震度の両方は、運動を受けた断層の総面積に直接関係している。
誘発地震現象を発生させる一般的なメカニズムはよく理解されているが、現在のコンピュータモデリング技術では、天然岩石系の複雑さを十分に扱うことができない。その理由の大部分は、モデルには一般的に、局所的な地殻応力、岩石の特性、断層の位置と特性、流体が注入または引き抜かれる貯留層の形状と大きさに関する情報が欠けているからである。これらの情報について十分な知識があれば、地震発生の正確な予測を行う可能性がある。このような詳細な情報がなければ、ハザードやリスクの評価は、類似地域のデータの統計的分析に基づいて行わなければならない。特定のエネルギー開発地点における誘発地震を予測する能力は、理論的モデリングと、現地測定を含む利用可能なデータ、および統計的手法の両方に依存し続けるだろう。
エネルギー技術とその誘発地震ポテンシャル
地熱エネルギー、石油・ガス生産（シェールガス生産のための水圧破砕を含む）、そして、CCS 技術は、それぞれ流体の注入や引き抜きを伴う。従って、それぞれの技術は、体感できる地震を誘発する可能性がある。Mが2.0を超える地震現象は、特に浅い深度で発生した場合、感じられる可能性があるが、より小さな地震現象（M<2.0）は一般に感じられない。注入速度と圧力、流体量、注入時間は、技術によって異なり、地震現象の潜在的な大きさや、誘発されうる。リスクと危険性も異なる(表 S.1)。
地熱エネルギー
(3)「増進型地熱システム」(EGS)は、高温で乾燥した岩石からなる地熱資源で、商業開発のために流体の移動を可能にする。人工的な刺激を必要とするものである。この流体バランスは、貯留層の圧力を生産前の初期値に近い、かなり一定の圧力に維持するのに役立ち、誘発地震の可能性を減らすのに役立つ。米国西部の液体を主体とする地熱フィールドの地震モニタリングでは、フェルトによる誘発地震は比較的少ないことが示されている。しかし、カリフォルニア州北部のガイザース地熱蒸気フィールドでは、注入された流体と地熱貯留層との間に大きな温度差があるため、地下の高温の貯留層の岩石が著しく冷却され、岩石が収縮し、拘束圧が低下し、局所的な応力の解放が可能になり、その結果、かなりの量の誘発地震が観測された。EGS技術は開発の初期段階にあり、米国を含む多くの国が、商業生産の可能性をテストするパイロット・プロジェクトを実施している。活発なEGS開発の各ケースにおいて、少なくともいくつかの、一般的には軽微なレベルの有感誘発地震が記録されている。
EORとシェールガスを含む在来型と非在来型の石油・ガス開発
在来型の石油・ガス貯留層では、岩石の間隙に存在する炭化水素流体および関連する水性流体は、通常、かなりの自然圧力下にある。油層またはガス層内の流体は、坑井によって貫入されると地表に流れ出る。石油・ガス貯留層は、圧送があったとしても、十分な炭化水素の回収を可能にするには圧力が不十分な地点に達することが多い。二次回収や三次回収を含む様々な技術（後者はしばしば増進回収法（EOR）と呼ばれる。二次回収と EOR 技術はともに、貯留層の間隙から閉じ込められた炭化水素を押し出し、貯留層の間隙圧を維持するために、地下に流体を注入することを伴う。二次回収では多くの場合、水注入または「ウォーターフラッディング」が使用され、EOR技術では多くの場合、二酸化炭素（CO2）が注入される。現在、米国では、二次回収、EOR、廃水処分の組み合わせのために、約151,000の圧入井戸が許可されているが、圧入が地震を引き起こした、あるいは地震に関連していると思われる事故は、ごくわずかしか記録されていない（表S.1）。二次回収-湛水-は、ほとんど有感地震と関連していない（表S.1）。米国で、EORに使用されている何万もの坑井の中で、委員会は公表された文献で有感地震を示す。文書を見つけられなかったし、調査中に委員会が連絡を取ったこの分野の専門家からも、有感地震の事例は提起されなかった。油層からの石油・ガス採掘（流体引抜き）は、誘発地震を引き起こす可能性がある。このような現象は、世界中の多くの油田やガス田の中ではまれであり、流体が引き抜かれる際の間隙圧力の低下に関係しているようである(表 S.1)。
地熱システムと同様に、従来の石油・ガスプロジェクトは、貯留層のある部分から流体が引き抜かれ、 別の部分に流体が注入されるというバランスを保つことによって、油田内の間隙水圧を生産前のレベルに維持するように設計されている。坑井の数の多さに比して、これらの技術によって発生する誘発地震イベントの数が非常に少ないのは、貯留層本来の間隙水圧を維持するためのこの努力によるところもある。
頁岩層は、炭化水素（ガスや石油）を含むこともある。これらの岩石の透水性が極めて低いため、炭化水素が岩石内で発生する際に捕捉され、地質学的な時間をかけて岩石から移動するのをほとんど防いできた。また、浸透性が低いため、オペレーターによる生産刺激なしに炭化水素が坑井に容易に流れ込むこともない。このような「非在来型」貯留層は、貯留層の岩盤に水平に坑井を掘削し、水圧破砕技術を用いて貯留層内に新たな亀裂を生じさせ、炭化水素が坑井内を移動できるようにすることで開発される。米国では約35,000の水圧破砕されたシェールガス井が存在する（表S.1）が、シェールガス開発のための水圧破砕が原因として疑われているが、確認はされていないフェルト地震（M～2.8）が1件だけ報告されている（表S.1）。世界的に見ても、シェールガス開発のための水圧破砕が原因であると確認された有感地震は、イングランドで発生した1件（M 2.3）のみである。シェールガスのために水圧破砕された坑井の数が多いにもかかわらず、有感地震が非常に少ないのは、流体の注入期間が短いことと、狭い空間領域で使用される流体量が限られていることによると考えられる。
エネルギー採掘に伴う廃水処理井戸
エネルギー開発に直接関連する流体圧入に加えて、石油・ガス生産中に発生する廃水を処理するために掘削される圧入井戸は、米国では非常に一般的である。現在、何万もの廃水処分井が全米で活動している。これらの処分井に関連した誘発地震は数件に過ぎないが（表S.1）、これらの事象の発生は大きな社会的関心を呼んでいる。これらの事例を調査した結果、注入ゾーンと地下のこれまで認識されていなかった断層との因果関係が示唆されている。
EOR用の井戸は、十分に特性化された石油・ガス貯留層に正確に圧入するために設置され、掘削されるのとは対照的に、廃水処理のみを目的とする圧入井戸では、通常、圧入前に詳細な地質調査が行われることはなく、そのような詳細な調査を行うためのデータも入手できないことが多い。そのため、このような処分井の設置や掘削では、近傍に存在する可能性のある断層の位置は、標準的な部分ではないことが多い。さらに、断層があるからといって、誘発地震の可能性が高まるとは限らないため、誘発地震の可能性を最小化するような処分井の候補地の評価には課題がある。
炭素の回収と貯蔵
数年来、研究者たちは、CO2を回収し、それを地下に永久に貯留（または隔離）する手段を開発するなど、大気中への炭素排出を削減するためのさまざまな方法を模索してきた。技術的に成功し、経済的であれば、CCSは大気中へのCO2排出を削減するための重要な技術になる可能性がある。CCSによる誘発地震のリスクを正確に評価することは、現在のところ困難である。海外では小規模な商業プロジェクトが数件、米国では小規模な実証プロジェクトが数件進行中であるだけで、この技術の誘発地震の可能性を評価できるデータはほとんどない（表S.1）。CCSが他のエネルギー技術と異なる点は、長期間にわたって高圧で連続的にCO2を圧入すること、そして意図的に永続的な貯留を目的としていることである（流体は引き抜かれない）。誘発地震イベントの潜在的な大きさは断層破壊領域と強い相関があり、それが間隙水圧変化の大きさとそれが存在する岩石体積と関連していることを考えると、大規模CCSは大きな誘発地震を引き起こす可能性がある。間隙水圧を元の値よりも大幅に上昇させないCCSプロジェクトは、地震を誘発する可能性を最小化する可能性が高い。
エネルギー技術の概要
流体の注入と引き抜きのバランスは、エネルギー技術開発プロジェクトに関する誘発地震の可能性を理解する上で極めて重要である。有感地震を発生させる可能性を理解するために重要な要素は複雑で相互に関連しており、注入または抽出の速度、注入または抽出された流体の量と温度、間隙水圧、関連する地質層の浸透率、断層と断層特性、地殻応力状態、注入地点からの距離、注入または抽出が行われる時間の長さなどが含まれる。しかし、正味の流体バランス（導入された流体と除去された流体の合計バランス）が、地下の間隙水圧の経時的変化に最も直接的な影響を及ぼすようである。地熱やほとんどの石油・ガス開発のように、注入される流体の量と引き抜かれる流体の量のバランスを維持するように設計されたエネルギー技術プロジェクトは、流体のバランスを維持しない技術よりも、誘発地震発生を少なくすることができる。
流体圧入に関連した誘発地震のよく知られたケースのうち、多くは、かなりの期間にわたる大量の流体圧入を伴う操業に関連したものである。廃水処分井のほとんどは、通常、自然浸透率が高く、大量の流体を受け入れるよう特別に設計された、大きな多孔質帯水層に、比較的低い圧力で注入する。そのため、誘発地震活動の発生がいくつか記録されているが、有害および非有害廃水処分井の大部分は、誘発地震による危険性をもたらさない。しかし、廃水処分井の数が大幅に増加した場合の、誘発地震に対する長期的な影響は不明である。
技術文献に報告されている最大規模の誘発地震は、貯留層内の地中に注入または地中から抽出された大量の流体のバランスがとれていないプロジェクトに関連したものである。これは統計的な観察であり、注入・抽出された流体の正味量は、地下の応力状態や間隙水圧、注入・抽出速度、その他の要因の変化の代理として機能する可能性がある。熱力学的および化学力学的効果もまた、地下の応力状態を変化させる役割を果たす可能性がある。長期廃水処分井やCCSのように、長期間にわたって注入または抽出される流体の正味量が多いプロジェクトは、より大きな誘発事象の可能性が高いと思われる。想定される誘発地震の規模と強度は、地下の物理的条件（岩石の応力状態、既存の断層の存在、断層の特性、間隙水圧）に依存する。大規模なCCSプロジェクトのような、大量かつ長期的な圧入を伴うプロジェクトと誘発地震との関係は、大規模なプロジェクトがまだ存在していないため、検証されていない。
エネルギー開発による誘発地震に関連するハザードとリスクを理解し、管理する。
誘導地震ハザードとは、地下でのエネルギー生産やCCSに関連する人間活動によって、どのような物理的影響が発生するかを説明し、定量化することである。誘発地震性のリスクとは、誘発地震事象が構造物への損傷を含む損失や、負傷や死亡を含む人体への影響をどのように引き起こす可能性があるかを記述し、可能な限り定量化することである。構造物も人間も存在しない地域で地震が発生した場合、リスクはない。リスクの概念は、人間にとって迷惑な地盤の揺れが頻繁に発生することにも拡張できる。
エネルギー技術に伴う誘発地震に関連するハザードとリスクを理解し、場合によっては定量化するために、いくつかの質問に取り組むことができる。ハザードの理解に関連する質問には、エネルギー技術が見かけの地震現象を発生させるかどうか、そのような地震現象がM＞2.0であるかどうか、地震現象が地盤の揺れを発生させるかどうか（浅い地震は深い地震よりも体感地盤の揺れを引き起こす可能性が高い）、揺れの影響などが含まれる。構造物へのリスクは、揺れが軽微、中程度、またはそれ以上の場合にのみ発生する。構造物へのリスクは、揺れを人間が感じても構造物が損傷するほど強くない場合には発生しない。
ハザードとリスクを定量化するには、統計的（データに基づく）または解析的（科学的・工学的モデルに基づく）な確率評価が必要である。これらの評価は、エネルギープロジェクト開発のための「ベストプラクティス」や特定のプロトコルを確立するために用いることができる。産業プロジェクト全体のリスク分析には、事業の空間的分布の範囲と、誘発地震事象が影響を及ぼす可能性のある地域の複数の構造物が含まれる。誘発地震の揺れによる軽、中、大被害のリスクは、個々の坑井からは小さいかもしれないが、空間的に分散した多数の坑井があれば、そのような被害が発生する確率は高くなるかもしれない。
過去のデータによると、誘発地震事象は一般的にそれほど大規模ではなく、また、大きな構造的損害をもたらしたこともないが、誘発地震事象は影響を受ける地域社会にとって懸念事項である。エネルギープロジェクトの操業前と操業中の両方において、誘発地震を考慮した対策は、各エネルギー技術に特化した「ベストプラクティス」プロトコルの開発に採用することができる。このようなプロトコルの目的は、有感地震が発生する可能性を減少させ、万が一発生した場合の影響を緩和することである。プロトコルの中の「信号機」制御システムは、誘発地震に対応するために確立することができ、低レベルの地震は許容するが、公衆衛生と安全に対する重大な懸念につながるような十分な強度の地震事象が発生した場合には、運転を変更、あるいは停止するという要件を含む、監視と緩和の要件を追加することができる。このようなプロトコルの最終的な成功は、基本的に、事業者、規制当局、研究コミュニティ、および一般市民の間の協力関係と対話の強さに結びついている。
政府の役割と責任
4つの連邦政府機関（環境保護庁（EPA）、土地管理局、米国森林局、米国地質調査所（USGS）、およびさまざまな州機関は、エネルギー技術に関連する地下圧入活動のさまざまな側面に関連して、規制監督、研究の役割、および／または責任を担っている。今日まで、これらの様々な機関は、それぞれ異なる局所的な対応で誘発地震に対処してきた。潜在的な誘発地震事象に対応するためのこれらの努力は成功を収めてきたが、その場限りのものであった。科学者が誘発地震と疑っている事象の多くは、それらの事象が実際に人間活動によって誘発されたという確認や証拠がないため、そのように表示されていない。歴史的に地震が少ない地域では、全国的な地震観測網のカバー範囲は、地震活動が活発な地域よりも狭い傾向があり、小規模なイベントを検出したり、その場所を正確に特定したりすることを難しくしている。
誘発地震への対応
エネルギー技術における誘発地震の可能性に対処するための主な発見、知識や情報のギャップ、提案されている対策、研究勧告を以下に示す。各エネルギー技術に特化した詳細は第 7 章で詳述する。
包括的課題
所見
- 1. エネルギー関連の圧入・採掘活動に関連する地震現象を誘発しうる基本的なメカニズムは不思議なものではなく、現在のところよく理解されている。
- 2. 米国における数十万のエネルギー開発坑井のうち、一般市民が認識できるレベルの地震を誘発したのは、注入・採掘活動のごく一部である。
- 3. 正味の流体の注入や取出しに反応する地震の規模と位置を予測するモデルは、フィールドデータからのキャリブレーションを必要とする。これらのモデルの成功は、複雑なシステムとしての岩石、断層、流体間の相互作用に関する基本的なデータの不足のために大きく損なわれている。
- 4. 流体の注入による周囲値以上の間隙水圧の上昇と、流体の抽出による周囲値以下の間隙水圧の低下は、地震現象を引き起こす可能性がある。このような活動が地震を引き起こすためには、ある条件が同時に存在しなければならない：
a. b. 地殻応力と割れ目または断層の方向によって決まる、割れ目または断層に沿った既存の臨界に近い応力状態 c. 脆性破壊を支持する断層岩の特性
- 5. 注入や抽出によって誘発される間隙水圧、温度、岩石応力変化のジオメカニカルモデリングや、応力変化、間隙水圧変化、断層特性の知識があれば地震シーケンスのモデリングが可能である。
- 6. 誘発される地震現象に関して地球で重要な応答が生じるスケールの範囲は非常に広く、現場からの観測をシミュレートし、最終的に予測するモデルの能力に課題がある。
BOX S.1
研究の推奨事項
データ収集-フィールドと実験室
- 1. 潜在的な誘発地震現象に関するデータを現場で収集し、分類し、評価する。高品質の地震データはこの取り組みの中心である。研究は、収集すべき主要なデータの種類とデータ収集プロトコルを特定すべきである。
- 2. 非破壊で原位置応力測定を行う手段を確立するための研究を実施する。
- 3. 自然亀裂系における微小地震に関する追加的な現地調査を実施し、非常に小規模な事象とその固有亀裂の現地スケールの観測を含む。
- 4. 応力を受けた接合岩石系に対する温度変化の影響について重点的に研究を行う。この結果は、地熱エネルギー事業に直ちに関連するものであるが、他のエネルギー技術における誘発地震を理解する上でも有益である。
- 5. 注入率、圧力、地震規模のその場での関連性を明らかにする研究を行う。
計測
- 1. 現在の知識と利用可能な計測機器のギャップを解決するための研究を行う： このような研究によって、例えば地熱産業は、この国内の再生可能な資源を、発電のためにより効果的に開発することができるようになる。
ハザードとリスク評価
- 1. 第 5 章の表52に記述されているように）単一のエネルギー開発プロジェクトに対す。るハザードとリスクアセスメントのステップを開発するための研究を指示する。
GAPS
- 1. 断層の位置と特性、原位置の応力、流体圧力、岩石の特性に関する基本データは、既存のモデルをサイトごとに正確に実施するには不十分である。
- 2. 地質力学的変形はモデル化できるが、これを地震イベントの回数や規模に関連付けることは困難である。
提案アクション
誘発地震の種類と原因に関する理解を深めるために提案された対策は、ボックス S.1に概説されている研究勧告を含んでいる。これらの提言は、特定のエネルギー技術にも関連し、誘導地震に関する現在の理解におけるギャップに対処するものである。
モデリング
- 1. 報告された現地観測の必要な予測を行うために、シミュレーションモデルを適切にスケー ルアップする方法を特定する。
- 2. 潜在的な誘発地震をよりよく理解し、これを地震発生回数や規模に関連付けるために利用できる、地盤力学と地震シミュレーションを連動させたモデルの開発を進めるための重点的な研究を実施する。
- 3. 現在利用可能な、あるいは新しい地質力学・地震シミュレーションモデルを用いて、 誘導地震を制御する最も重要な地質学的特性、流体注入・引抜きパラメータ、岩石・断層特性を特定する。
- 4. ハザードとリスク評価のために、既存の貯留層モデリング能力と地震シミュレーションモデリングを統合するシミュレーション能力を開発する。これらのモデルは、より多くのデータと観測が収集され分析されるにつれて、確率論的ベースで改良することができる。
- 5. 地熱坑井がシャットダウンされた後の地震発生の基礎となるプロセスを理解するために、貯留層の流体流体と地盤力学の連成シミュレーションコードの開発を続ける。
a微小地震とは、一般的に人間が感じない地震現象を指し、本報告書では M < 2とする。
エネルギー技術
調査結果
- 1. 地熱エネルギーや石油・ガス生産のようなエネルギー技術における注入圧力と正味の流体量は、一般に、貯留層内の間隙圧を初期の貯留層間隙圧以上に上昇させないように制御されている。従って、これらの技術は、正味流体量の大幅な増減をもたらす技術に比べ、有感地震を誘発するという点では問題が少ないと思われる。
- 2. 注入や抽出に対する誘発地震反応は、その原因も大きさも、3 つの異なる地熱資源によって異なる。地熱フィールドに冷水を注入することによって起こる地下の岩石の温度の低下は、地震を発生させる可能性がある。
- 3. 二次回収と EORによる誘発地震の可能性は低い
- 4. シェールガス回収のために現在実施されている坑井の水圧破砕は、フェルト地震を誘発する高いリスクはない。
- 5. 米国には現在、合計151,000のクラスⅡ圧入井戸（二次回収とEORの両方のための圧入井戸を含む）のうち、約30,000のクラスⅡ1廃水処分井戸がある。廃水処分井に起因する、あるいは廃水処分井と一時的に関連する有感地震はほとんど報告されていない。これらの有感地震は、通常M4.0未満である。圧入量、圧入速度、圧力の低減は、廃水圧入に関連する地震発生率を減少させることに成功している。
- 6. 大規模隔離プロジェクトで提案されている液体CO2の圧入量は、他のエネルギー技術に関連するものよりはるかに大きい。このような大規模での流体圧入の経験はなく、CO2パイロットプロジェクトに関連した地震に関するデータもほとんどない。もし貯留層が油田やガス田と同じような挙動を示すのであれば、これらの大量の正味量は、広大な地域の間隙水圧に影響を与える可能性がある。他のエネルギー技術と比較して、このような広大な空間領域は、地震事象の数と規模の両方を増加させる可能性がある。
提案措置
CCSのための大規模な流体圧入の経験が不足しているため、大規模CCSプロジェクトにおける誘発地震発生の可能性について、連邦政府の支援による継続的な研究が必要である。（ボックスS.1参照）。継続的な研究努力の一環として、誘発地震事象とCCS事業への影響を理解するためには、連邦機関とCCSサイトの海外事業者との協力が重要である。
1 クラスII坑井とは、具体的には、石油・ガス生産に関連するブラインやその他の流体、および貯蔵用炭化水素の注入を扱う坑井である。
危険性とリスク評価
所見
リスク評価は、ハザードの評価を実施する方法に依存するが、そのような方法は現在存在しない。確実なハザード評価を行うために必要な情報とデータの種類には、以下が含まれる。
- 正味間隙水圧、原位置応力、断層に関する情報;
- バックグラウンドの地震活動
- 誘発地震と流体の注入または抽出の総統計。
提案アクション
- 1. 定量的、確率論的な誘発地震リスク評価のための詳細な手法を開発すべきである。この方法論の開発目標は以下の通りである。
フェルト地震の既知の履歴がある地域における操業開始前に評価を行う。
観測された誘発地震に対応して評価を更新する。
- 2. 流体圧入に関連するデータ（坑井の位置座標、圧入深度、圧入量と圧力、時間枠）は、州および連邦規制当局によって共通のフォーマットで収集され、（USGSのような調整機関を通じて）一般にアクセス可能にされるべきである。
- 3. 構造物や人口が密集している地域では、規制当局は、ハザードやリスク分析のための断層識別を容易にするためのデータを、エネルギー事業が開始される前に収集し、分析することを義務付けることを検討すべきである。
ベストプラクティス
所見
EGSに関するDOEのプロトコルは、他のエネルギー技術に関するプロトコル開発のテンプレートとなりうる、誘発地震に対処するための合理的なモデルである。
ギャップ
誘発地震に対処するためのベストプラクティスプロトコルは、一般的に各エネルギー技術について整備されていない。委員会は、継続的なエネルギー技術開発を可能にするため、ベストプラクティスのプロトコルを各技術に適合させ、調整することを提案する。
提案措置
各エネルギー技術（在来型石油・ガス生産における二次回収と EOR、シェールガス生産、 CCS）ごとに、各分野の専門家が許認可機関と連携して、DOE. S プロトコルをモデルとする可能性のあるベストプラクティスのプロトコルを作成すべきである。すべての技術について、将来の操業のための「交通信号」システムが採用されるべきである。プロトコルは、以下に適用されるべきである。
- 州当局が誘発地震の可能性が高い地域を特定した場合の操業許可。
- 公衆の健康と安全にとって重大な懸念となるような誘発地震事象を引き起こしたと疑われる既存の操業。
産業界や研究コミュニティと協力して、連邦政府または州政府機関による公衆意識向上プログラムを同時に開発することは、小規模の誘発地震に関連するリスクを理解し対処する上で、公衆や地方当局を支援することができる。
政府の役割と責任
所見
- 1. 誘導地震は、多くの異なるエネルギー技術によって発生し、流体の注入または抽出のいずれかを伴う可能性がある。しかし、誘発地震の監督責任は、多くの連邦・州機関に分散している。
- 2. エネルギー開発に関連した地震現象への対応は、地方、州、連邦政府機関、研究機関が関与するさまざまな方法で行われてきた。これらの機関や研究機関は、予期せぬ出来事に対処するためのリソースを持っていない可能性があり、より多くの出来事がこの場当たり的なシステムにストレスを与える可能性がある。
- 3. 現在、EPA は、安全飲料水法のもとで、流体圧入に関する主要な規制責任を有しているが、同法は、 誘導地震性について明確に対処していない。
EPA は、他の連邦および州機関と協議しながら、現在の研究を通じて誘発地震性の問題に取り組んでいる。
- 4. USGS は、誘発地震に関連するモニタリングと研究に取り組む能力と専門知識を有している。しかし、地震ハザード評価プログラムにおけるUSGSの任務の範囲は、影響の大きい自然地震に焦点を当てている。USGSの任務が、誘発地震に関する包括的なモニタリングと研究を含むように拡大された場合、多大な新しい資源が必要となるであろう。
GAP
現在、誘発された可能性のある地震事象に対する政府機関の対応を効率的に調整する仕組みがない。
提案アクション
- 1. EPA、USGS、土地管理機関、場合によっては DOEを含む関連機関、および権限と関連専門知識を有する州機関 （例：石油ガス委員会、州地質調査、州環境機関）は、誘発地震事象に対処するための調整メカニズムを構築すべきである。
- 2. 誘発地震に潜在的な責任を有する機関の予算当局は、将来発生する誘発地震に対応するための資源配分を検討すべきである。
5. エネルギー技術開発における誘発地震の理解と管理への道筋
誘導地震には、概念的には定量化可能なハザードとリスクがある。誘発地震に関連する「ハザード」と「リスク」が意味するものを理解することは、誘発地震の可能性とエネルギー技術開発による潜在的な影響を軽減するために採用できる選択肢を議論する上で極めて重要である。ハザードとリスクの理解を深めるために、まずこれらの用語を正確に定義し、それらに影響を与える要因を特定する。本章の残りの部分では、誘発地震に関連するハザードとリスク、および誘発地震に関連するハザードとリスクを定量化するために取り得るステップについて議論する。委員会は、産業界、政府、一般市民の協力による「ベストプラクティス」プロトコルを含む、 誘導地震に関連するあらゆる危険の軽減に向けた将来のアプローチを想定している（第6章）。
誘導地震に関連する危険とリスク
定義
誘導地震ハザードとは、地下エネルギー生産または炭素回収貯留（CCS）に関連する人間活動によって、どのような物理的影響が発生しうるかを説明し、定量化することである。この議論では、物理的影響には、地下と地表の両方における微小地震、地震、および関連する地盤の揺れを含む。概念的には、微小地震や地震の発生確率を計算することは可能であり、これらの事象が発生した場合、起こりうる地盤変動を予測することも可能である。しかし、このような計算を行うには、深さの異なる坑井の総数、地質環境（断層やプレート運動を含む）、坑井からの生産特性、さまざまな大きさの微小地震や地震を発生させる坑井のサブセットなど、容易に入手できない統計データを組み立てる必要がある。誘発地震のリスクとは、誘発地震がどのような損失（構造物への損害、負傷や死亡を含む人体への影響）を引き起こすかを説明し、定量化することである。損失は一般的に地表で発生するが、地下での損失、例えば近くの石油井戸への被害なども分析される可能性がある。リスクの概念には、誘発される地震動や、おそらく断層すべりが構造物や人間に及ぼす影響を予測することが含まれる。構造物が中程度または大きな被害を受ける可能性がある場合、リスクはその被害（例えば構造物の崩壊）が周辺の人間に及ぼす影響を予測することになる。
リスクには、人間への影響も含め、構造物の損傷による損失が含まれることに注意する。原因となる地震が無人の地域で発生した場合など、構造物やその他の建設施設が存在しない場合は、リスクはない。(これらの一般的な記述には常に例外が存在する。たとえば、国立公園内で岩が滑り、ハイカーが怪我をするような地震が発生した場合である） リスクの概念は、(法的な意味ではなく、一般的な意味で)人間にとって迷惑となるような頻繁に発生する地盤の揺れにも拡張することができる。
ハザードに影響する要因
エネルギー技術に関連する誘発地震に関連するハザードとリスクを理解し、場合によっては定量化するために、一連の質問に取り組むことができる（図51）。各質問の説明は以下の通り：
- 1. 特定の場所でのエネルギー技術は、見かけの地震現象（地表で感じられる地震現象）を発生させるか？炭化水素生産に関連する活動の大部分は、見かけ上の地震現象を引き起こさない。地震事象が記録されない場合、これは地震事象が小さすぎて（例えば、M< 0.0）地域の地震計で記録されないからかもしれないが、効果は同じである。
- 2. 特定の場所でのエネルギー技術は、微小地震だけを発生させるのか、それとも微小地震と地震を発生させるのか？この質問は、エネルギー技術に関連する地震イベントの規模に関係する。微小地震（定義によれば、M＜2.0の地震現象）は一般に、構造物に影響を与えるほど強い地震動を発生させないが、近接した場合には地表の人間に感じられることがある。例えば、イギリスのブラックプールでは、2011年4月と5月にM1.5とM2.3の2つの浅い（深さ約2km[1.2マイル]）地震動が発生し、多くの人が感じたと報告している（BGS, 2011）。
- 3. 地震の揺れは地表で感じられるのか？すべての地震が地表で感じられるわけではない。地表での地震動は、地震の規模（マグニチュード）や深さなどに左右される。地震が深ければ深いほど、人間が感じることができる地表での地震動を引き起こすには、地震が大きくなければならない。非常に浅い地震活動（例えば2km）は、より深い地震活動よりも、感じられる地盤変動を引き起こす危険性が高い。
図51 一つの坑井の誘導地震に関連するハザード分析とリスク分析に必要な評価
- 4. 揺れの影響はどのようなものか？地震動が感じられるほど強い場合、揺れの最大強度によって3つのカテゴリーに分類される。地震動は以下のカテゴリーに分類される：
- a. ごくわずかな揺れ。これらは体感地震動であり、一般的にピーク加速度が4%g未満であり、構造物に損傷を与えない。しっくい壁の孤立したひび割れが観察されたり、家屋の物品が倒されたりすることがあるが、これらの運動は結果的に被害をもたらさない。このような運動が頻繁に発生すると、人々に迷惑をかける可能性がある。
- b. 軽微な揺れ。これらは、人々を怖がらせたり、眠りから覚ましたりする地盤運動であり、通常、ピーク加速度は約4%gから18%gである。構造物が存在する場合、これらの地震動は軽微な物的損害（コンクリートのひび割れ、窓ガラスの破損、化粧品の損傷）を引き起こすかもしれないが、建物の倒壊を引き起こすことはない。
- c. 中強度の揺れ。これらは、中程度または重い損害を引き起こす可能性のある中程度、強い、または激しい地震動であり、典型的にはピーク加速度が約18%gを超える。構造物が存在する場合、構造物または構造要素（基礎、壁、屋根）の部分的または完全な崩壊を含む、中程度から大きな被害が発生する可能性がある。構造物へのこうした影響は、人的被害（ひどい場合には負傷者や死者）を引き起こす可能性がある。
浅い深度で発生する誘発地震動は、深い深度で発生する誘発地震動に比べて厄介である（図52、図53）。深さ10kmの深発地震（自然地震）が発生した場合の地球断面図（図52）において、地震Mが3,4、5の場合に小刻みな揺れ（またはそれ以上）が発生する距離を半円で示している。地震の深さが深いため、M 3や4では通常、軽微な（またはそれ以上の）揺れは地表に到達しない。M 5の場合、震源から約15km（9マイル）以内の地表で軽微な（またはそれ以上の）揺れが発生することがある（図52）。
図53は、深さ2km（深さ1.2マイル）の井戸の底で浅い地震が発生した場合の、同様の地球の断面を示している。この浅い深さのため、M4の地震は井戸から約8kmの範囲内で軽微な（またはそれ以上の）揺れを引き起こし、M3の地震は井戸のごく近くで軽微な（またはそれ以上の）揺れを引き起こす可能性がある。
リスクに影響する要因
誘発地震によるリスクは、損傷を受ける可能性のある構造物が存在する場合にのみ発生する。それらの構造物に対するリスクは、揺れが軽微、中程度、または大きい場合にのみ存在する。リスクについて考慮されるべき要因には、断層の位置、被害を受ける可能性のあるインフラの位置、エネルギープロジェクトによって引き起こされる地下間隙水圧の正味の変化が含まれる。これらの正味の変化には、注入または抽出される流体の量と圧力、注入と抽出の期間、プロジェクトに関係する坑井の数が含まれる。これらの変数は関連している可能性があることに注意されたい。つまり、流体の総量は、注入または抽出の期間と関係する坑井の数に依存する。
リスク解析の2つの空間的側面は、誘発地震の文脈で考慮することが重要：
- 1. 被害を受ける可能性のある複数の構造物。地表で損傷を引き起こすのに十分な大きさの地震を誘発する1本の坑井は、地表の複数の構造物に損傷を与える可能性がある。坑井の操業中に地震が移動する場合（処分井では一般的）、地震は多くの構造物に影響を与える複数の機会を持つ。一つの井戸の近くに位置する小さなコミュニティでさえ、地盤の揺れに対して様々な脆弱性を持つ複数の構造物を持つことになる。複数の構造物があると、地盤の揺れに対する抵抗力が非常に弱い構造物が1つまたはいくつか存在する可能性が高くなる。スイスのバーゼルの地熱発電事業のように、多くの構造物がある地域に立地する事業は、無人地域に立地する同様の事業よりも明らかにリスクが高い。同様に、都市部やその近郊にある発電所に設置され、長期間にわたって大量の CO2を注入することで、地表開発が行われる可能性のある広大な地域の貯留層圧力を上昇させる可能性のある。CCS 事業は、リスクが高くなる可能性がある。
- 2. 複数の坑井がある。誘発地震に関連するリスクは、人間活動の発生源という観点から評価されなければならない。例えば、地熱発電には複数の圧入井があり、それぞれが地震を発生させ、異なる地域社会に影響を与える可能性がある。大規模な石油採掘場では、二次回収のために複数の井戸が使われ、それぞれの井戸が地震を発生させ、別々の地域社会に影響を与える可能性がある。産業プロジェクト全体（例えば、CO2の地下圧入）の空間分布は非常に大きくなる可能性があり、プロジェクト全体のリスク分析は、必然的にその大きな空間分布と、誘発地震事象が影響を及ぼす可能性のあるその空間領域内の複数の構造物を含むことになる。
少数の坑井（例えば10本）が稼動する場合、その10本の坑井によって誘発される地震に関連する最大の揺れを記述することができる（図54）。この例では、大多数の井戸（10本中9本）が有感地震動のみを発生させ、10本中1本だけが軽微な被害をもたらす可能性のある地盤変動を発生させる。この例では、中程度以上（以下、「中程度以上」と略す）の被害が観測されることはない。多くの坑井（例えば1,000本）が稼動した場合、その1,000本の坑井によって誘発される最大揺れのヒストグラムを見ると、250本の坑井が構造物に軽微な損傷を与える可能性のある地盤変動を生じると予想される。10本の坑井は、構造物に中程度以上の損傷を与える可能性のある地震動を発生させると予想される。
図54 1本の坑井による誘発地震動による地表面の最大揺れの相対確率分布の例
相対確率は縦軸の上方に向かって増加する。横軸は、地盤の揺れに関するいくつかの種類の測定値や影響を示している： 上の目盛りは揺れの大きさ（軽微から中程度以上）、2番目の目盛りは地盤の加速度を示し、左から右に向かって大きくなる、次の目盛りはMMI（修正メルカリ震度階級）を示し、これは特定の場所での地盤の揺れのレベルを示し、単位はローマ数字で指定され、同じく地盤の揺れのレベルが左から右に向かって大きくなる（第1章も参照）、そして下の目盛りは「感じられる」影響であり、左の「感じられるだけ」から軽微な被害から中程度以上の被害（「中程度以上」）まである。ごく軽微な揺れが発生する確率は、中程度以上の揺れ（または被害）が発生する確率よりも、1本の坑井がどのような大きさの誘発地震を引き起こす場合よりもはるかに高い。
発生した最大の水平加速度1によって定量化された、様々な地震による地震動のより一般的な分布は、揺れの大半が「体感のみ」のカテゴリーに入ることを示している（図54）。ごく一部（～25%）は軽微な被害をもたらす可能性があり、ごく一部（～1%）は中程度以上の被害をもたらす可能性がある（図54）。重要な結論は、個々の坑井では地震の揺れによる軽微な被害、中程度の被害、あるいは大きな被害のリスクは小さいかもしれないが、大規模で空間的に分散した操業では、そのような被害が発生する確率が高くなるということである。PMを、1つの井戸からの地表地震動が中程度以上の被害をもたらす確率と定義すると、N本の井戸が稼動している場合に、中程度以上の被害が少なくとも1回観測される確率は、以下のように計算できる2。
[PM]N坑=N坑の中等度以上の被害が1回以上発生する確率
= 1 – (1 – pm)n
この確率は、表51に示されるように、坑井の数 N（PM = 1%の場合）に応じて増加する。
この例は、ある産業が数本の坑井で操業を開始した場合、誘発地震による明らかな問題がない可能性があることを示している。産業が100本、1,000本、あるいはそれ以上の坑井に拡大するにつれて、1本の坑井がそのような地震動を発生させる確率は小さくても、誘発される多数の地震と地盤震動の結果、誘発地震動がどこかの構造物に損害を与える可能性がかなり高くなる。
地殻変動による地震は、主にカリフォルニアのように比較的頻繁に発生する地域において、建物にある程度の地震リスクをもたらす。耐震建築基準法はある程度の保護を提供するが、地震被害に対する保証にはならない。他の地域では、建築基準法はより低いレベルの地震対策を提供しており、地震（地殻変動であれ誘発地震であれ）は、それに関連する地震動のレベルによっては被害を引き起こす可能性がある。
ハザードとリスクの定量化
ハザードとリスクを定量化するには、いくつかのステップを踏むことができる。前節で述べたように、ハザードとリスクの定量化には、統計的（データに基づく）または解析的（科学的・工学的モデルに基づく）な確率評価が必要である。したがって、実施にあたっては、いくつかのステップで統計的データの収集が必要となる。他のステップでは、地殻変動地震のハザードとリスク解析のために開発された解析モデルを修正し、使用することができる。表52は、単一のプロジェクト（単一の廃水処分井、石油またはガス採掘井など）に対する誘発地震のハザードとリスクを定量化するために実施できるステップをまとめたものである。
表52のステップ1では、M 2.0の地震を発生させる確率を推定する。これは統計的な問題であり、各技術で掘削された坑井の数、その特性（深さ、流体の量、圧力、圧入または抽出の速度）、および地震発生の有無に関する観測に関する統計データを収集することによってのみ対処できる。浸透率、汲み上げ速度と汲み上げ量対時間、地質単位（岩石の年代を含む）、およびその他の要因のような特性から地殻内の流体の流れを予測するシミュレーションモデルは、予測モデルの基礎とすることができ、これらのモデルは、より多くのデータと観測が収集され分析されるにつれて、確率論に基づいて改良することができる。表52の「1C」と表示されたセルは、これらの統計が技術に依存することを示している。なぜなら、あるプロジェクトにおける典型的な流体量、注入される圧力、およびその他の要因は、エネルギー技術に依存するからである。セル 1D は、地殻変動が活発な地域でのエネルギープロジェクトは、地殻変動が安定した地域でのエネルギープロジェクトよりも、M 2.0の地震を発生させる確率が高いと予想されることを示している。最後に、セル1Eは、統計による確率評価が深度依存性を持つことを示している：大きな地震は浅い井戸によって誘発される可能性が低い。
ステップ 2 では、地表で揺れを感じる確率を推定する（表52のセル 2Aを参照）。これは、いくつかの統計的入力を伴う解析的問題である（セル2B）。具体的には、異なる地震マグニチュードの発生頻度に関するデータが必要である。セル2Cが示すように、これらの頻度は技術に依存すると予想される。なぜなら、エネルギー技術によって地震発生メカニズムが異なり（第2章）、正味の注入・抽出流体量が異なるからである（第3章）。マグニチュード分布に関するこれらのデータが得られれば、揺れを推定する解析的手法が利用できる（例えば、Boore, 2003を参照）。安定した地殻領域で発生する地震は、活発な地殻領域で発生する同程度のマグニチュードの地震よりも高いレベルの地殻応力を放出する可能性があるため、この確率は地域に依存する可能性がある（セル2D）。最後に、有感地震の発生確率は誘発地震の深さに依存する（セル2E）（図52および5.3参照）。
ステップ3では、地震の揺れの強さが異なる確率を推定する（セル3A）。これは、地殻変動地震の地震ハザード解析においてよく研究されている問題であり、解析技術が利用可能である（セル3B）。地震のマグニチュード分布の観測結果、特に最大マグニチュードはエネルギー技術に依存する（図315参照）ので、結果はエネルギー技術に依存する（セル3C）。また、地震のマグニチュード分布は地域（セル3D）と深さ（セル3E）に依存するため、結果は地域（セル3D）と深さ（セル3E）に依存する。
注：灰色の網掛けセルは、緑色の網掛けセルに示された誘発地震イベントの様々な側面に対する確率（”P”）を推定するために開発されなければならない方法を示す。これらの4つの側面には、M>2.0の地震が発生する確率、揺れが地表で感じられる確率、地震による揺れの強さが異なる確率、地震の揺れが構造物や人に影響を与える確率が含まれる。
最後に、ステップ4では、構造物や人が影響を受ける確率を推定する（セル4A）。地震リスク分析（セル4B）のための分析手法は、地殻変動地震については十分に確立されており、誘発地震にも適用できるはずである。構造物の応答は揺れの発生方法に依存しないため、手法は技術に依存しない（セル4C）。カリフォルニア州とアラスカ州以外の構造物は、一般的に高レベルの揺れに耐えるようには設計されておらず、また、無震地域の人々は、以前に自然地震を感じたことのある人々よりも、低レベルの揺れに対する耐性が低いかもしれない。深発地震は、関連する地震の揺れが広い地域をカバーし、より多くの構造物や人々に影響を与える場合、影響を受ける構造物や人々の数（セル4E）に影響を与える。
表52は、個々のエネルギープロジェクトのハザードとリスクを推定するために取り得るステップをまとめたものである。収集する必要がある具体的な統計データ、および他の分野から修正する必要がある分析手法は、B列にまとめられている。B列の統計的または分析的手法のそれぞれは、A列の対応するセルに示された確率を計算し、これらの計算はC列、D列、E列の対応するセルに依存する。例えば、M 2地震発生（セル1B）に関する統計データは、エネルギー技術、流体量、注入圧力、注入率などによって収集され、分析される必要がある。表52には、既存のプロジェクトだけでなく、誘発地震の履歴があることが知られている地域での新しいエネルギープロジェクトについてもデータを収集するという、明文化されていない前提がある。その理由は、今後、エネルギー生産のさらなる拡大によって引き起こされる誘発地震によるハザードとリスクを推定することに関心があるのであって、既存のエネルギー生産に関心があるわけではないからである。しかし、既設プロジェクトのデータによって、産業全体の誘発地震を予測することができる。この区別は重要である。新しい圧入井や処分井によって誘発される地震動は、地殻応力が平衡化している可能性のある、何年も生産が続いている井戸によって誘発される地震動とは異なる。
ステップ1からステップ3は、潜在的な誘発地震が人口の多い地域で発生するか、人口の少ない地域で発生するかに関係なく適用されることに留意されたい。ステップ4は、構造物や人への影響を決定するもので、この影響はもちろん、リスクのある構造物や人に対する位置に依存する。誘発地震は、人口がまばらな地域で発生し、ほとんど人に影響を与えないが、ダム、橋、または発電所に影響を与え、同時に大きなコストを伴う可能性がある。
これらのステップが開発されれば、3つの重要な方法で利用することができる：
第一に、技術や特性別の地震発生に関する統計をまとめることによって（セル1C）、どのような容積、圧力、注入／抽出速度などの組み合わせが誘発地震の確率を高くするかについての洞察を得ることができる。この洞察は、ベストプラクティス・プロトコル（第6章も参照）への、十分に文書化されたデータベースのインプットを作成するために利用することができる。
第二に、エネルギー技術開発は、官民を問わず、人や構造物への誘発地震の影響を最小化するための決定を下すためのデータを得ることができる。例えば、特定のプロジェクトがM 2の地震を発生させることが観測された場合（すなわち、そのプロジェクトではセル1Aの確率が1になる）、地表で感じる揺れ（セル2A）と強い揺れ（セル3A）の確率を最小化するための揚水特性について決定を下すことができる。
第三に、計算された地表で感じる揺れの確率（セル2A）、強い揺れの確率（セル3A）、構造物や人が影響を受ける確率（セル4A）は、表52に描かれているように、1つのプロジェクトのものから一般化され、発生する誘発地震のケースの総数と影響を受ける構造物や人の数を予測することができる。セル1Bと2Bの詳細な統計データが得られれば、この一般化によって、プロジェクトの予測位置、揚水量やその他の特性、居住地域への近接性などの詳細を考慮することができる。そして、影響を受ける人々や構造物の推定数が、誘発地震の影響を最小化するかどうか、また最小化する方法についての決定の基礎となる。
誘導地震とその結果を予測する能力を向上させるために、これらのステップを統合することを全体的な目標とし、ハザードとリスクを定量化するためのこれらのステップの開発を支援するための研究を行うことができる。第 6 章では、エネルギー開発プロジェクト中に誘発地震の影響を回避・軽減する。ためのベストプラクティスやプロトコルを議論することで、これらの考えをさらに発展させる。