人為的な地震に関するグローバルレビュー
Global Review of Human Induced Earthquake

地震気候改変・ケムトレイル

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Gillian R. Foulgera,⁎、Miles P. Wilsona、Jon G. Gluyasa、Bruce R. Juliana、Richard J. Daviesb

Global Review of Human Induced Earthquake

March 2018,

www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001282521730003X

a ダラム大学地球科学部,ダラムDH1 3LE,UK

b ニューカッスル大学土木工学・地球科学部、ニューカッスル・アポン・タイン NE1 7RU、イギリス

概要

人為的な地震データベースHiQuakeは、人為的な活動によって引き起こされたと推測される地震シーケンスを包括的に記録したものである。1868年から2016年にかけての700件以上の事例を収録している。

地震を誘発するとされる活動には、貯水池の建設、高層ビルの建設、海岸工学、採石、地下水、石炭、鉱物、ガス、石油、地熱流体の採取、トンネルの掘削、廃坑の浸水による地下への物質の追加、廃棄物処理、石油増進回収、水圧破砕、ガス貯蔵、炭素隔離のための流体注入が含まれる。

核爆発は地震を誘発するが、化学爆発が誘発するという証拠は乏しい。現在のところ、どの地震が誘発され、どの地震が誘発されないかを100%確実に判断することは不可能であるため、HiQuakeは、信憑性にかかわらず、科学的根拠に基づいて人為的に誘発されたと主張するすべての地震シーケンスを含んでいる。

HiQuakeを構築する上での課題として、M~4事象の30%、M~3事象の60%、M~2事象の90%が過小報告であることが挙げられる。また、既存の地殻変動による応力も解放されるため、誘発地震で解放される応力は、必ずしも人為的に加えられた応力と同じとは限らない。従って、産業活動に比べて不釣り合いな大きさの地震が誘発される可能性がある。

プロジェクトによって誘発される可能性のある最大の地震の規模(MMAX)を知ることは、ハザードを軽減するために重要である。MMAXの観測値は、 関連する産業プロジェクトの規模、流体圧入の圧力と速度、核物質の収量と正相関がある。これは、おそらく後者がプロジェクトの規模と逆相関するためであろう。

現在までに報告されている流体圧入による最大の地震は2016年オクラホマ州ポーニー地震(M5.8)、貯水池の貯水による地震は2008年中国汶川地震( M~8)、塊の除去による地震は1976年ウズベキスタン・ガズリ地震(M7.3)となっている。

地震は産業活動がなくても発生するため、地震を誘発するために必要な最小限の人為的応力は健全ではない概念である。

地震活動に影響を与える応力の最小値は、 メガパスカルの数百分の一、場合によっては数千分の一で、これは水位深度の数十センチに相当する。大陸地殻には破壊寸前の断層が多く存在し、地震はどこででも発生する可能性がある。そのため、プレート内では、インフラも住民も地震に備えることができない。

厄介な人為的地震は稀だが、場合によっては、米国オクラホマ州の炭化水素生産地域のように、重大な問題となることもある。プロジェクトの規模や人口密度の増加に伴い、誘発地震による潜在的な迷惑行為も増加しており、効果的な管理戦略が必要である。

1.はじめに

地震の空間的・時間的発生を調節する自然プロセスには、地殻応力変化、地殻内流体の移動、地球潮汐、地表氷雪負荷、大量降水、大気圧変化、土砂搬出、地下水損失などがある(例えば、Kundu et al.)このようなプロセスは断層上の応力をほんの少し擾乱するだけだが、地震における岩石破壊は重要なプロセスであるため、各イベントの核生成は最終的に応力の漸進的な変化によってもたらされる。したがって、地殻の応力をわずかでも変化させるような人為的な活動が、地震活動を変化させることは当然である。ほとんどの場合、そのような影響は気づかれないと思われるが(7.1 節)、産業プロジェクトが多発し、規模が大きくなるにつれて、関連性が明らかなケースが増加している。

鉱業やダムに起因する地震は数十年前から認識されていた。最近では、シェールガス採掘のための水圧破砕や、ボーリング孔への注入による廃水処理によって引き起こされる地震への懸念が高まっている。また、炭化水素貯留層では、 生産の後期段階に入ると地震が増加する可能性がある。 しかし、地震を誘発する可能性のある人間活動の範囲は、一般に考えられているよりも広いと思われる。そこで、これまでに報告された誘導性地震の事例を可能な限り網羅的に調査し、そのカタログを作成した。このデータベースは、McGarr ら (2002)による概説,Nicol ら (2011)Suckale (2009)によるリスト,Davies ら (2013)による198 M ≥ 1 イベントのレビューなど、 過去のレビューを拡張するものである。私たちの新しい人為的地震データベースHiQuakeは、地震活動を誘発すると仮定された人為的なプロジェクトの700以上の事例を含んでいる。これは、www.inducedearthquakes.org(Wilson et al., 2017)で一般公開\n

HiQuakeは、 論文、学会要旨、書籍、報告書、Webなどでの事例検索と、個人的なコミュニケーションを通じて構築した。 個々の事例の信憑性は、極端に低いものから圧倒的なものまで様々であり、ほとんどの事例はその中間である。人為起源の 特定の主張が正しい可能性を定量化する厳密な方法はなく、人為起源の多くの主張は、例えば1983年のカリフォルニア州コアリンガのMW6.2事象のように、 著者によって暫定的なものとして示され、他の研究者によって挑戦されている(セクション3.3.2)。このように、ある事例をデータベースから除外するための「信頼性カットオフ」を定義する厳密な方法は存在しない。このため、信頼できる唯一の方法として、信憑性に関係なくすべての事例をデータベースに含めるという方針を採用した。したがって、HiQuakeは、科学的な根拠(宗教的、道徳的な根拠ではない)に基づき、地震を誘発したと提案されたすべてのプロジェクトをリストアップし、個々のケースの信憑性に関する判断は、ユーザーの責任になる。従って、HiQuakeには、注意事項がある。人為的な地震誘発の論拠の強さを判断するのは、データベースの利用者次第なのである。便宜上、情報源の詳細はデータベース内に記載している。

この論文では、関連する基本的な、しかし時に誤解されがちな背景問題について基本的なことを紹介する。続いて、以下のような関連性が想定される地震活動の例を挙げる。

  • a)地表活動
  • b)地下からの物質抽出。
  • c)地下に質量を導入すること。
  • d)爆発

各カテゴリーを細分化した。例えば、炭化水素貯留層では、流体の抽出と注入が同時に行われることが多いため、いくつかのケースでは、地震発生時に複数の人為的プロセスが先行または進行していたため、分類は暫定的なものとなっている。最後に、このデータベースの特徴をまとめ、科学者が現在取り組んでいる関連する問題についてコメントする。

1.1.プレート内地震

プレートテクトニック 理論では、プレートは剛体であると考え、ほとんどの大地震はプレート境界域で発生すると考えられている。 しかし、プレート内地震が発生すること、そしてその規模が大きいことは、プレートが剛体でなく、その内部でも変形していることの一応の証拠である。プレート 内応力は、地質学者が滑らかなプレート運動としてモデル化しているものを実現するために、大地震や火山 現象に続いてプレート内を拡散することで周期的に変化する(Foulgerら、1992,Hekiら, 1993)。プレート境界の構成は幾何学的に不安定であり、進化している。例えば、ヨーロッパでは、ライン砂州(ドイツ)のような伸長地形の形成は、アフリカとヨーロッパの間の衝突帯の南方への移動(「スラブのロールバック」)の結果であると考えられる。また、ヨーロッパのプレート内地震も同様のプロセスによるものと考えられる(図1)(Nielsen et al., 2007)。

図 1:

図1 800 CEからの震源強度の異なる歴史的地震を示す中央ヨーロッパ地図(Stein et al.,2015より)。黄色い星:スイスのバーゼル市。

一般に、プレート内地震は空間的に安定していると考えられており、過去に地震が発生した場所で将来の地震が発生すると考えられている。この仮定は、最近、米国のニューマドリッド地震帯で行われた測地作業の結果、再検討されている(例えば、Newmanら、1999Steinら 2009)。そこでは、一般に、将来の大地震は、4つのM≥7地震(例えば、JohnstonとSchweig、1996)の被害を受けた1811年から1812年の一連の地震に続くと予想されている。そのため、地震災害の軽減のために多大な資源が投入されていた。しかし、最近のGPS測量では、現在進行中のひずみの蓄積を検出することができなかった(Stein et al.,2009)。このことから、一般にプレート内地震の空間分布は定常的ではなく、過去の大地震の発生位置は将来の地震の予測にはならないとの提案がなされた(Liu and Stein, 2016)。将来の大地震の発生位置の誤った予測は、ハザード低減資源の非効率的な配備につながり、その結果、公共の安全に大きな影響を与える可能性がある。

地震活動の非定常的な空間パターンは、ほとんどのプレート内領域で地殻が危機的なストレスを受けているという証拠と一致する。ボーリング孔での応力測定では、一般に、実験室で推定された地殻の深度依存性強度に近い応力が得られている(例えば、Brudy et al.、1997Zoback and Healy、1984)。周囲の間隙水圧は一般に静水圧に近く、地殻には断層が広く存在し、周囲の応力場で滑るように配置された断層は、一般に破壊に近い状態にある。このことは、歴史的に無震であった地域でも、人為的な地震が発生し、その規模が大きくなることがあるという観測と一致している。

1.2.誘導地震、誘発地震、有感地震、迷惑地震について

人間活動によって誘発された地震の多くは、人為的に地殻に加わった応力よりも大きな応力を放出している。McGarr ら(2002)は、人為的な応力変化が断層すべりを引き起こすせん断応力に匹敵する地震を「誘導/誘発型」(induced)、人為的な応力変化がはるかに小さいものを「誘発型」(triggered)、区別するためのデータが十分でないものを「刺激型」(stimulated)と呼ぶことを提案している。

多くの場合、地震で放出される地震歪エネルギーは、産業活動によって地殻に導入されるエネルギーよりも何桁も大きいことは議論の余地がない。しかし、この論文では、人間活動に関連するすべての地震を「誘発地震」と呼んでいるのは、以下の理由による。

  • a)すべての地震は、おそらく何らかの既存の歪エネルギーを解放しており、したがって「誘発」される可能性が高い。岩石が最初に全く応力を受けていない場合のみ、そうならない可能性があるが、不均質で引力のある半宇宙では不可能である。純粋な爆発物である核実験でさえ、その焦点メカニズムにおけるせん断成分によって示されるように、ある地域的なテクトニック応力の解放を引き起こす(例えば、ToksözとKehrer, 1972)。
  • b)地殻に負荷された地殻歪エネルギーが、どの程度の時間スケールで地震的に解放されるのか、また、どの程度の量が地震的に解放されるのかについては、十分な理解が得られていない。急速に変形している地域では、地震による変形を地質学的に測定することができ(例えば、Heki et al.、1997)、地表沈下は生産中の貯留層の上で一般的に観察される(例えば、カリフォルニア州のWilmington Oilfield;Kovach, 1974,Nagel, 2001)。地震によって緩和されるのは全ひずみエネルギーのごく一部だが、その割合を決定することは困難である。地表の測地データは深部の断層運動に対する感度が低い。地震的に消散するひずみエネルギーの割合の推定値は、地震的に放出されるひずみエネルギーの20%から1000%まで様々である(Villegas-Lanza et al.,2016)。18,000人以上の死者と計り知れない経済的損害を出した2011年MW9の東北沖地震のマグニチュードの過小予測は、「地震サイクル」の長さに関する私たちの仮定が正しくない可能性があることを示した。大きな地震でも断層の応力をすべて取り除くことはできないので、地殻に蓄積される長期的な応力を推定する能力は限られている。同じことが産業プロジェクトにも当てはまる。もし、エネルギー放出のタイムスケールが過小評価され、それに伴って予想される最大地震の規模(地震規模のフラクタル性のためにエネルギー収支を支配する)が過小評価されれば、最大予想地震規模(MMAX)は過小評価されるかもしれない。
  • c)地震発生時に放出されるひずみエネルギーのうち、どの程度が事前に存在していたかを判断することは、良く言っても非現実的であり、悪く言えば根本的に不可能である。放出されたエネルギーが工業的に付加されたものと同程度の場合(例えばMcGarr, 1991)でも、後者の多くは地盤沈下や深部への水の流入のような地震による変形で緩和されている可能性がある。これらのプロセスは、それ自体が地震を誘発したり、隣接する地域に地震破壊の負荷を与える可能性がある(例えば、Guglielmi et al.、2015)。

誘導地震ポテンシャル委員会(Hitzman, 2013)の使用法に従い、全地震応力変化の起源を示唆することなく、中立的に「誘導」の用語を使用する。同委員会では、「誘発」という用語を「人間活動に関連した地震」という意味で使用している2

私たちは、社会的な不便をもたらす地震を「迷惑地震」と呼んでいる。この不都合は物理的なものだろうか、心理的なものだろうかは問わない。インフラや環境に対する好ましくない損害、地盤の揺れや騒音、水文変化などの環境影響に対する国民の関心、迷惑、苦痛が含まれる。地震学的なパラメータ、例えば地盤の揺れの大きさや強さは、影響を受ける人々の文化に依存するため、明らかに迷惑を定量化することはできない。迷惑な地震とは、安全衛生管理が必要な地震である。そのためには、今回のレビューが貢献できるようなエビデンスベースが必要である。

1.3.地震の核発生に関与する要因

断層面上でのせん断すべりは、亀裂の開閉を伴うか否かにかかわらず、最も一般的な地震発生プロセスである。核生成、すなわち運動の開始に関与する要因は以下の通りである。

  • 断層面上の摩擦係数
  • 断層面の摩擦係数 – 断層面の圧縮法線応力
  • 断層帯の間隙水圧
  • 断層上の剪断応力

広く用いられているクーロン理論によれば、破壊に必要なせん断応力τは(1) τ=τ0+μσn-pここで、τ0は凝集力、μは摩擦係数、σnは断層を横切る垂直応力、pは断層帯の間隙水圧(例えば、McGarrら 2002)である。したがって、地震の発生は、断層面上の凝集力や法線応力の低下、あるいはせん断応力や間隙水圧の上昇によってもたらされる可能性がある。

断層を覆う物質の損失や増加、断層帯への流体の導入、または他の手段(例えば、近隣の地震からの応力伝達)による垂直および水平応力の付与は、断層をより破壊に近づける可能性がある。また、地熱地帯に冷水が注入されるような急激な温度変化がある場合、熱の影響も重要である。

工業的な物質の添加と除去の両方が地震に関連している。帯水層からの水の除去(3.1 節)や鉱山からの岩石の除去(3.2節)は、断層面上の拘束応力を減少させる可能性がある。貯水池の貯留(セクション 2.1.1)または注入(セクション 4.1)による水の導入は、断層帯の流体圧を変化させる可能性がある。鉱山からの地下水の汲み上げを停止すると、地下水が流入し、間隙水圧が上昇することがある(セクション 4.1.7)。また、地表に固形物が堆積すると、水文条件が変化することがある(セクション 2.1.2)。

地震発生メカニズムについては、Penningtonら(1986)によるアスペリティモデルがあり、流体の抽出により差圧や無震断層運動が起こり、ロックされた断層上の応力が増加すると考えられている。この応力は、最終的にアスペリティが破壊されることで緩和される。Segall, 1985,Segall, 1992の間隙弾性モデルは、流体抽出による間隙水圧の低下が貯留岩の収縮と応力蓄積を引き起こすとするもので、このモデルは、流体抽出による間隙水圧の低下が貯留岩の収縮と応力蓄積を引き起こすとするものである。個々の地震に対するアドホックな理論は、事後的に説明の候補を提供することができる。しかし、どの産業プロジェクトが地震を誘発し、どのプロジェクトが誘発しないかを事前に確実に予測できる手法の開発は、まだこれからだ。

1.4.地震発生場所

HiQuakeデータベースに登録されている地震は、1868年から2017年にかけてのものである。この間に地震学技術は大きく進歩したが、現在でもモニタリングの水準は一様ではない。多くのプロジェクトは、迷惑な地震活動が始まるまで全く監視されないかもしれない。一方、操業前のベースラインを得るために、かなり前に設置された高密度の地震ネットワークによってモニターされているものもある(例えば、Cladouhos et al.、2013)。その結果、HiQuakeにおける位置、マグニチュード、震源メカニズムなどのデータは、質が不均一になる。

震源位置が不正確な場合、特にボーリング孔や生産層の間隔よりも誤差が大きい場合、地震と事業を関連付ける努力を妨げることになる。例としては、シェールガスの水圧破砕(セクション4.1.6)によって誘発されたと考えられるアルバータ州Crooked Lakeの地震列のケースがある(Schultz et al.、2015)。操業前の地震ベースラインは中規模地震では利用できず、地元の地殻構造に関する情報はほとんどなく、地震データのほとんどは100km以上離れた観測点からのものであった。その結果、いくつかの事象と運用との空間的な相関がないことが本当なのか、あるいは不正確な位置の結果なのかは不明である。

震源の不確実性の最大の要因は、地殻構造の不完全な知識である。この要因は、一般的に使用される地殻モデルに誤差がないと仮定して、二乗平均平方根の到着時間残差に基づいて不確実性を推定する多くの一般的な爆心地標定プログラムで計算される誤差に含まれていない。このような残差は、体系的に誤った位置にある爆心地では非現実的なほど小さくなる可能性がある。相対的な位置決め(「二重差分」;Waldhauser and Ellsworth, 2000)や波形の相互相関(Got et al, 1994)を用いた高度な地震位置決定法は、互いに対する位置の精度を高めることができるが、絶対位置における系統誤差を減らすことはできない。幾何学的に強いデータが利用できない場合、正確な深度に到達できないことがある。震源深度の誤差は、通常、水平方向(震源)の位置の誤差の2~3倍である。また、観測点の不足やネットワークの疎密も障害となる(4.2.1 節)。

小規模な産業プロジェクトの近隣で正確なローカル地殻速度モデルを入手することは、困難な場合がある。情報は、坑井記録、グローバルまたは国の地殻モデル、または類似の地質領域からのモデル(例えば、Schultzら、2015)に限定される場合がある。このようなモデルは、位置の不確実性をヘクトメートル(100m)以下のレベルにまで低減するためには適切ではない。理想的には、活断層地震調査および/または現地の地震データの1次元および3次元インバースに基づく高品質の地殻モデルが利用できるようになることである。プロジェクトは、1~2km2ごとに設置された地震観測所の密集したネットワークによってモニターされる。この種の実験デザインは、約1ヘクトメートルの正確な位置を返すことができる。誤差をさらに減らすには、校正ショットが必要である(Foulger and Julian, 2014)。

地震が誘発されたものなのか、それとも自然なものなのか、といった議論をするためには、操業前のベースラインが必要である。この目的のためには、操業開始前に地震計ネットワークを配備する必要がある。シェールガスハイドロフラクチャリングの可能な拡張に先立ち、英国全体のこのようなベースラインを確立する努力が、最近Wilsonら(2015)によって行われた。

1.5.地震マグニチュード

地震のマグニチュードは、最大で1桁違うことがよくある。

  • ローカルマグニチュード(ML)のような従来の尺度は、地震観測点で記録された特定の地震位相の振幅の測定値を使用している。振幅は、滑った断層の向きや震源から観測点までの地殻構造などの影響を受けるため、地震の大きさを測るには適していない。このような要因から、異なる観測点での測定では、同じ地震でも異なるマグニチュードが得られることがある。
  • MLや表面波マグニチュード(Ms)など、異なるマグニチュードスケールでは、使用する地震波の種類が異なるため、計算されるマグニチュードに系統的な違いやランダムな違いが生じる。例えば、浅い地震は深い地震より強い表面波を励起するので、MSはML よりも深い地震の大きさを過小評価する。
  • 地震学では、マグニチュードに関して非標準的であることが知られており、地域のマグニチュードスケールや慣行は、本来定義されたものから大きく外れている場合が多い。多くの地震観測所やネットワークは、独自のマグニチュードスケールを使用しており、多くの場合、最も近い常設観測所または校正された観測所で共通に測定されたいくつかの地震を使用して校正することによって構築されている。また、その観測所も同じように校正されている可能性がある。MLは、 正確にはウッド・アンダーソン地震計で記録されたものを指すが、そのような地震計は現在ではほとんどありません。 そのため、ある地震観測網から報告されたマグニチュードは、理論的には同じマグニチュードが使われていたとしても、別の地震観測網から報告されたマグニチュードと比較できない場合がある。

このため、マグニチュードの区別はしていない。例えば、ML(ローカルマグニチュード)、mb(ボディウェーブマグニチュード)、MS(表面波マグニチュード)、Md(継続時間マグニチュード)、MW(モーメントマグニチュード)など、HiQuakeデータベースで現在利用できる情報を記録している。マグニチュードの種類が特定されていない場合は、Mという表記を使用する。複数の異なる推定値が発表されている場合は、MWを優先的に引用する。MWがなく、他のマグニチュードが複数発表されている場合は、最大のものを引用している。すべての等級をMWにすることは将来の課題である。

1.6.地震発生回数

あるシーケンスについて検出された地震の総数は、地震監視の密度に依存する。これは、例えば、迷惑地震が始まった後に追加の地震観測所が設置された場合など、時間の経過とともに変化することがある。地震はフラクタル現象であり、マグニチュードの単位が小さくなるごとに、その数は一桁程度増加する。このため、地震数の比較には、共通の低マグニチュードのカットオフ閾値が必要である。

地震発生数は、ひずみゲージとして利用できるため、観測網が安定しているところでは重要な指標となる。その結果、地震数は活火山のモニタリングに特に有効である。また、注入された流体を追跡する場合などには、多くの地震が利用できることが利点となる。潜在的な被害の観点から、最も関連性の高い地震は、比較的少数の大きなマグニチュードイベントであり、おそらく最大規模のもの(MMAX)だけであろう。

1.7.データベース

データベースの構築に用いたアプローチは、Wilson et al.(2017)に詳しく述べられている。このタスクに内在する課題は以下の通りである。

  • 不完全な報告(セクション 7.1)。
  • 曖昧な報告(例:「地震活動は報告されていない」)。
  • 報告データの欠如、例えば、運用パラメータが与えられていない。
  • 地震が誘発されたかどうかに関する不確実性、例えば、いくつかの想定される関連は、単に短期間の時間的相関や統計的に裏付けされていない弱い空間的相関に基づいており、偶然の一致の可能性もある。すべてのケースを含めることで対処した(第1節)。
  • 炭化水素の抽出と廃水注入など、複数の誘発プロセスが同時に進行している可能性がある。
  • マグニチュード報告の非一様性(セクション 1.5)。MWがある場合は MWを、ない場合は他の最大のマグニチュードを報告する。
  • 地震を検知するための適切なネットワークの欠如。地震を検知する適切なネットワークの欠如。いくつかの研究では、地震発生後に観測機器が設置された(1.4 節)。
  • 位置精度の低さ(1.4 節)。

データベースのカラムの見出しのリストを表1に示す。HiQuakeデータベースの全容は、ExcelのスプレッドシートとEndNoteのライブラリとして、www.inducedearthquakes.org

表1.データベースに記録されたデータ
コラム内容
国名
プロジェクト名
プロジェクトタイプ(サブクラス)
経度
ラティチュード
プロジェクト終了日
プロジェクト開始日
地震発生またはモニタリングの終了日
地震発生日または監視開始日
マグニチュードタイプ
遅延時間
最大地震発生日
最大地震の深さ
誘導活動から最大地震までの距離
最大地震発生年
岩石学/資源
誘導活動から最も遠い地震の距離
誘導活動の深さ
典型的な地震の深さ
過去の地震発生状況
テクトニックセッティング
注入・排出速度
ダム高さ
注入/抽出された総量または質量
射出・押出速度の単位
注入時の最大坑口圧力
注入/抽出された総量または質量の単位
地震を誘発したとされる応力変化
リザーバー圧力の変化
ボトムホール温度
プロジェクト対象地域
参考文献
備考
Daviesら(2013)が使用した参考文献
プロジェクトタイプ

1.8.地震と信念体系

誘導地震に対する人々の態度は、産業プロジェクトに大きな影響を与える可能性があるが、地震に対する人間の反応は科学に基づくものではないかもしれない。地震は明らかに無秩序で自然発生的なものであり、明らかな直接的原因がないため、何千年もの間、民間伝承、宗教、その他の信念体系の観点から説明されてきた(例えば、Harris, 2012)。これには、中国、ロシア、日本の民間伝承や古代ギリシャやポリネシアの宗教が含まれる。3大アブラハム宗教(キリスト教、イスラム教、ユダヤ教)はすべて、地震を人間の道徳的行動の欠落に起因するとする古代の文書に基づいている。

地震に関する信念体系に基づく説明が社会に大きな影響を与えた最近の事例としては、以下のようなものがある。

  • 2015年、マレーシア政府は、18人が死亡したMW6.0の地震を、同国の聖なる山の一つであるキナバル山で観光客がヌードを披露したためとした。
  • 2014年、シベリア・アルタイ山脈の地元住民は、地震を紀元前5世紀の貴婦人のミイラ化した遺骨を考古学研究のために持ち出したことに起因するとした。
  • 2010年、アメリカの伝道師パット・ロバートソンは、MW7.0の壊滅的なハイチ地震を、1791年から1804年にかけて島で成功した反奴隷暴動の成功を確実にするために、逃亡奴隷が交わした「悪魔との契約」であると主張した。

これらの例は、地震を誘発する可能性のある産業プロジェクトを計画する際の、情報公開とアウトリーチの重要性を示している。

2.表面処理

2.1.質量の追加

地震は、3種類の地盤沈下によって誘発されたと考えられている。 ダムによる貯水 (168件)、重い建物の建設(1件)、海岸堆積物( 1件)である。

貯水池に起因する地震の最も古い報告は、米国ネバダ州およびアリゾナ州のミード貯水池からのものである(Carder, 1945)。貯水池に起因すると思われるいくつかの地震は、死者や甚大な物的損害をもたらした。この方法で誘発されたと主張する最大の地震は、Zipingpuダムの背後にある貯水池のimpoundmentと関連している2008年M〜8汶川、中国、地震である。それに比べ、重い建物の建設や海岸の堆積物の処理によって地震が誘発されたという報告はまれである。

2.1.1.ダム背後の貯水池

よく研究されている例として、インドのKoynaダム(図2)がある。この事例の詳細な概要と貯水池誘発地震に関するレビューはGupta (2002)による。高さ103mのKoynaダムは1962年に建設され、深さ75m、長さ52kmの貯水池を有している。完成から5年後、最大マグニチュード6.3の地震が連続して発生し、約200人が死亡、ダムに軽微な損傷を受けた。最大の地震は深さ5km以下の浅い場所で発生し、震源はダムから10kmほど下流であったと考えられている。地震活動はその後も続いており、貯水池の水位とある程度相関している(図3(Talwani, 1995)。M>5の地震が約4年おきに発生している。

図 2:

図2 上: インドのコイナ地域の地図。ダム、貯水池、地震観測点 (三角形)、ボーリング孔 (点)を示す。下図:1993年10月から1994年12月までのM2-2.9の地震を示した同地域の地図。

(Gupta(2002)より)。

図 3:

図3 インドのコイナダム周辺における1963年から1986年までの地震発生回数(左軸)と貯水池水位(右軸、単位:m)。

(Talwani(1995)より)。

第二の注目すべき例は、タジキスタンのヌレックダムである(Keith et al., 1982,Leith et al., 1981,Simpson and Soboleva, 1977,Simpson and Negmatullaev, 1981)。このダムの建設は1961年に始まり、標高317mは現在世界で最も高い。このダムには、体積10km3の貯水池がある(図4)。現在までに発生した最大の地震は、1972年のMS4.6(Simpson and Negmatullaev, 1981)である。地震活動は現在も続いており、水深が増加する時期と相関があることを示す証拠がある(図5)。

図 4:

図4 タジキスタンのヌレックダムと貯水池の地図。1955年から1979年のM4.0以上の地震を示す。

(Simpson and Negmatullaev (1981)より).

図 5:

図5 タジキスタン、ヌレックダム周辺における1969-1979年の水深と地震発生量。

(Simpson and Negmatullaev (1981)より).

世界最大の貯水量は1.64×1011m3で、高さ111mのエジプトのアスワンダムがその中にある。このダムで発生する地震は、深さ0〜10kmと15〜25kmの2つの区間で発生すると考えられている(図6図7)。この上下分離は、2つの異なる誘発プロセス・環境を示していると推測される(Awad and Mizoue, 1995)。現在までに観測された最大の地震は1981年のM5.7で、深部で発生したと考えられている。

図 6:

図6 エジプト・アスワン湖と誘発地震の震源地を示した地図。

(AwadとMizoue(1995)より)。

図 7:

図7 アスワン湖の氾濫によって引き起こされたと推定される地震の震源分布を示す断面図。

(AwadとMizoue(1995)より)。

誘導地震によってダムそのものが被害を受けた珍しいケースとして、中国の新豊田貯水池(高さ105m)がある。1959年に1.39×1010m3の貯水池の湛水を開始し、その1カ月後に地震活動が始まった。1962年にMS6.1の地震が発生し、ダムに軽微な亀裂が生じた。

特に興味深いのは 2008年5月に発生した中国・汶川地震(MW〜8)である(図8)。この地震は、近くのZipingpuダムの高さ(156m)と貯水池の容積(〜109m3)に対して非常に大きく、誘発されたかどうかは議論の余地がある。地震はダムから約20kmの地点で、貯水池が満杯になってから数ヶ月以内に発生した。この地震により、約90,000人が死亡し、道路や橋が崩壊し、100以上の町が深刻な被害を受けた。

図 8:

図8 上図:2008年MW〜8年の中国汶川地震の発生地域。星印:本震の核心位置、線:龍門山断層帯の主断層、黄丸:過去の地震、白丸:主要都市、ライラック色の長方形:滑った断層面の投影、ビーチボール:本震の焦点 メカニズムの下半球投影。下:地域的なテクトニックセッティング (Zhangら(2008)より)。

この活性化地帯は、低ひずみ速度(< 10-10/年)で安定した四川盆地と、ひずみ速度が> 10-8/年のテクトニックに活発なチベット高原の間の移行部に位置している。この遷移は、スラストおよび横ずれ運動に対応するマルチストランド龍門山断層帯によって特徴付けられる。古地震学的研究は、M7-8の地震の再現期間が約7000年であることを示唆している(Klose, 2012)。

貯水池の建設以前は、ダム付近で毎月約40回の地震が記録されていた。2005年10月、貯水開始とともに地震が増加し、水位が約80m急速に上昇した。2006年10月に水位がピークに達し、湛水前の水位から約120m上昇した。地震活動は月90回程度まで急増し、その後減少した(図9)。

図 9:

図9 上:2008年5月MW〜8汶川地震前の中国Zipingpuの貯水池の水位変化と付近の地震発生率(Klose, 2012より)。下図2008年中国汶川大地震の震源時間関数(Zhang et al., 2008より)。

2008年のMW〜8の本震は深さ約16kmで発生し、スラスト運動が貯水池の下の地表に向かって伝播した。破断は横ずれ運動に移行し、断層に沿って横方向に両方向に伝播し、龍門山スラストベルトの300km以上を平均2.4m、ピークで7.3mのすべりで破断させた。90秒間の震源時間関数によると、破壊は5つのサブイベントで発生し、順次,全モーメントの9%,60%,8%,17%,6%が解放された(図9(Zhang et al., 2008, Yong Zhang, personal communication).地震時の平均応力低下は18MPaで、ピークは53MPaであった。他の大地震と同様に、この地震も隣接する断層が連鎖的に活動したために、大きな規模になった。

貯水池に起因する、断層の滑りを促進する方向に働くせん断応力と法線応力の増加は、数kPa以下であった(Klose, 2012)。これは、地球の潮汐に伴う応力変化(7.3節)と比べても、小さなものである。Klose (2012)は、この応力変化によって地震発生のタイムスケールが変化し、地震発生時期が約60年早まったことを示唆している。このような小さな応力変動が大地震を引き起こすのに十分であったかどうかについては、これまで多くの議論がなされてきた。というのも、このサブイベントは、地震をMW〜8まで成長させたセグメントの破壊のカスケードを開始させたからだ。

アルジェリアのコンスタンティン市から西に30kmのミラ地域にあるBeni Haroun水力発電所に関連して、珍しいダム関連地震が発生した(Semmane et al., 2012).この複合施設は、高さ120mのメインダムと容量〜109m3の貯水池から構成されている。メインダムの南15kmにある第二貯水池Oued Athmaniaとパイプラインで結ばれている(図10)。パイプラインの6kmの区間は、直径1.4-3.6mの裏打ちされたトンネルとして山を貫通している。パイプラインのこの部分に到達するために、水はBeni Haroun貯水池より600mほど高い位置まで汲み上げられる。パイプラインの容量は600,000m3/日である。

図 10:

図10 アルジェリア、ミラ地域の水力システムの地図。上図:Beni HarounダムからOued Athmania貯水池までの水輸送システム(破線)、下図:Beni HarounダムからOued Athmania貯水池までの水輸送システム(破線)。赤破線:Jebel Akhal山を貫くトンネル、黒丸:2006-2007年の地震活動、三角形:地震観測点、黄丸: 誘発地震と推定される震源地。中:水力発電システムの地形図。下段。地震発生期間中の地震発生回数、Beni Harounダムの水位、揚水量と時間との関係。黒のヒストグラム:記録された事象、灰色のヒストグラム:群発地震時に震源域に17日間設置された臨時観測局を除いたネットワークによって記録された事象。地震観測点の数を変化させた場合の効果を例示している。

(Semmane et al. (2012)より)。

2007年、最大Md 3.9の地震が相次いで発生した。貯水池間の揚水時に 約40万m3の水が 地表に漏れたことが原因と考えられている。約2カ月の間に7200回以上の地震が記録された。トンネルから漏れた水は、継ぎ目の不具合により、亀裂や断層、カルスト地形の空洞を通って地中深くまで入り込んだ。地震は、漏水から数日以内に発生している(図10)。この地域では、これまでこのような群発地震の記録はなく 2000年のコンビナート建設に伴う地震活動の活発化もなかった。被害はなかったが、大きな音がしたので、地震に不慣れな地元の人たちは心配した(Semmane et al.2012)。

アメリカのコロラド川には、数多くのダムがある。高さ220mのコンクリートアーチのグレンキャニオンダムはアリゾナ州のパウエル貯水池に、フーバーダムはさらに600km下流のネバダ州のミード貯水池に、それぞれ貯水している。グレンキャニオンダムは中生代の堆積岩、フーバーダムは第三紀の火山岩でできており、テクトニックな盆地-山脈の一部である。予想通り、後者は地震性だが、前者は地震性でない(図11)。

図 11:

図11 フーバーダムの背後に貯水されているアリゾナ州ミード貯水池の地震と水位。

(Gupta(2002)より)。

今、注目されているのは、高さ181mの中国・三峡ダムだ。2010年に4×1010m3の貯水池が完成し、2012年に発電が開始された。総発電容量は22,500MW。この地域は、2つの大きな断層を含む地震多発地帯にある。貯水量は世界最大ではないが、2014年にはML4.6の地震が発生し、すでに地震が報告されている3

2.1.2.高層建築物の建立

Lin (2005)は,台湾の高さ約500mの台北101ビルの建設が、ビル近傍の地震発生パターンに影響を与えたと示唆した。この7 ×108 kgのビルは、底面の地盤にかかる応力を0.47 MPa 程度増加させた。建設前の8年間にはML2.0以下の地震が9回発生したが、建設とその後の8年間にはM3.8までの地震が20回発生した。建設期間中の地震が異常に多いことがわかる(図12)。

図 12:

図12 台湾の台北101ビル上:台湾の台北101ビル(inhabitat.com/taipei-101-worlds-tallest-green-building/green-taipei-101-1)。下.ビルの建設から16年間の地震履歴。(林(2005)より)

重い建物を建てることによって地震が誘発されたとする事例は、これまで発表されているものでは唯一である。台湾は、マニラ海溝でフィリピン海プレートがユーラシアプレートの下に沈み込むプレート境界収束帯に位置している。そのため、地震活動が活発である。

この事例は、日本などにもあるのではないかという疑問が湧いてくる。現在世界一高いビルであるドバイのブルジュ・ハリファ(高さ825m)の重量は、台北101ビルよりも軽く、わずか4.5×108kgである。大型ビルの多いニューヨークや東京の地域から地震活動が変化したという報告はないが、私たちの知る限り、この問題は詳しく研究されていない。

2.1.3.沿岸部の土地の獲得

Klose(2007b)は,2007年のML4.2地震が1806年以降の港湾における礫の堆積のジオエンジニアリングによって引き起こされたことを示唆した。フォークストンの南西と北東には浸食の結果、かなりの海岸の土地が失われているが、フォークストン港の礫の人工的な堆積による土地の増加は、約200年前から続いている。2007年までに推定で、2.8 ×109 kgが堆積し、これは台北 101 ビルの質量の4 倍にあたる。このため、深さ 2 km で、0.001 〜 0.03 MPaの応力が変化したと推定される。震源は砂州から 1 km (震源域の誤差は 5 km) ほど離れており、浅いところで核が形成された。

2.2.表面処理:塊の除去

地表から質量を除去する作業で、地震を誘発すると報告されているのは、採石作業に限られる。HiQuakeには、 そのような事例が16件含まれている。採石と 関連した最大の地震は、2013年のシベリア,クズバスでのM6.1である(Emanovら、2014Yakovlevら、2013)。この地震は、長さ10km,幅2.2km,深さ320mまで掘削され、年間9×106t以上の石炭を生産するBachatsky露天掘り炭鉱で発生した。この地震により、地元では建物が倒壊し、近隣の州でも感じられた。

2012年初めにML4.3とそれに伴う余震が発生し、中程度の地震活動が鉱山で検知されていた。その後、時間と共にマグニチュードが上昇し、15カ月後にML3.9が発生し、その1カ月後にM6.1の本震が発生した。

2.3.表面処理:概要

ダムの背後にある貯水池に水が貯まることで地震が多発し、HiQuakeでは168件(24%)を占めている。ダムによる水位変動が小さい自然湖を除くと、貯水池の面積は最大8502km2(ガーナ共和国アコソンボダム裏のボルタ湖)にも及ぶ。このように、比較的広い範囲で地震が誘発される可能性がある。

M6以上の誘導地震は、Zipingpu(中国)、Lake Hebgen(米国)(Klose, 2013)、Polyphyto(ギリシャ)、Koyna(インド)、Kariba(ザンビア/ジンバブエ)、Kremasta(ギリシャ)、Hsingfengkiang(中国)とKillari(インド)の8例が提案され、これらのダムでは、M6以上の地震は発生していない。中国には、容量が0.1km3を超える貯水池が348カ所ある。このうち、22ヶ所(6.3%)が地震発生源であると報告されている。

Gupta (2002)はトリガーのメカニズムに関する理論をレビューしている。地震が発生する深さで貯水池が引き起こす応力は小さく、おそらく 0.1MPaのオーダーであろう。これは、地震で典型的に見られる1〜10MPaの応力低下に比べるとはるかに小さい。しかし、地震発生時の地球潮汐応力(7.3節)よりは大きい.地震発生のメカニズムは、地表の荷重が深部の水理条件を変化させ、流体が断層帯に移動して間隙水圧を上昇させるためと考えられる。これは、台湾の台北101ビル(2.1.2節)や英国のフォークストン(2.1.3節)の砂岩堆積物によって誘発されたとされる地震活動も説明できるかもしれない。

3.地下からの抽出

3.1.地下水抽出

人工的な水位低下に関連した地震は5例想定されている。2011年のMW5.1ロルカ(スペイン)は、地下水のくみ上げに起因すると示唆され(図13(González et al.、2012)、ロルカの町に大きな被害をもたらし、現代的な建物と歴史的な建物の両方に深刻な損傷を与え、9人が死亡、数百人が負傷した(図14)。

図 13:

図13 Gonzálezら(2012)が提案した2011年MW5.1スペイン・ロルカ地震の誘発メカニズムを示す模式図。

(Avouac(2012)より)。

図 14:

図14 2011年MW5.1スペイン・ロルカ地震によるサンティアゴ教会の破壊状況(https://en.wikipedia.org/wiki/2011_Lorca_earthquake)。

この地域は、ヌビア-ユーラシアプレート境界の、スラストおよび横ずれ断層を含む横ずれ剪断帯に位置している。MW5.1の本震は、深さ3km程度のAlhama de Murcia断層を震源とするものである。この断層は過去数世紀にわたっていくつかの大地震を発生させている。また、レーダー干渉計とGPSによる測地データから,深さ 1〜4 kmの10 × 10 kmの断層で最大 15 cmのすべりを示す共地震変形が確認された(図 15).

図 15:

図15 (a-d):2011年MW 5.1スペイン・ロルカ地震の地盤変動データおよびモデル。 (a,c)。(a,c):視線下降変位マップとGPS水平ベクトル,(b,d):分散型すべりモデルによる予測値.(b)と(c)はLOS角度を示しており、衛星から離れるほど正の値になる。青色矩形:断層面投影図,破線:プロファイル位置,(e, f): 2つのプロファイルに沿った観測データとシミュレーションデータ,および局所的な地形.

(González et al. (2012)より).

南東部では、1960年から2010年にかけての地下水の汲み上げにより、水位が250 m以上低下していた。同時に地表は年間10cm以上、合計2m以上沈下していた。その結果、重大な環境影響が発生した(図16)。

図 16:

図16 a: スペイン南西部の地震活動 (2000-2010)、焦点メカニズム(1970-2010)、長期GPS速度 (2006-2011、灰色)、共地震ベクトル (赤)。ロルカ市とAlto Guadalentin盆地.本震の震源機構(黒)、前震(薄い灰色)、最大余震(濃い灰色)、移設された地震列。黒星は被害位置、赤線は断層。等高線は地下水汲み上げによるInSARの沈下量2cm/aを示す。青い矩形:断層面投影図。AMF, Alhama de Murcia断層. c, 地下水の深さ. d, InSAR(三角形)とLOS-GPS地盤沈下(LORC局).(González et al. (2012)より).

Alhama de Murcia断層では、約200年前に発生した大地震以来、最大12cmのすべり欠損が蓄積していたと考えられる。また、水分の除去によって生じたクーロン応力の変化は、2011年の地震でテクトニックに蓄積された応力が解放された地殻のアンローディングプロセスと整合的であった。González et al. (2012)は、長期にわたる累積的な水力学的アンロードと、枯渇した帯水層に対する断層の位置とタイプが、地震を誘発する応力状態に寄与したと結論づけた。

この種の誘発地震の他の事例としては、南のインド・ガンジス平野の地下水の枯渇と関連している2015年MW7.8のネパール、ゴルカ地震がある(Kundu et al.、2015)。この突き上げ地震は、死者約8000人、経済損失約100億ドル(ネパールの国内総生産の約50%)をもたらした。

インド・ガンジス平原は、東南アジアで最も灌漑が盛んな地域であり、人口密度も最も高い。面積は約2.5×106km2で、約5億人が住んでいる。地下水は、23×1012m3/年の割合で取水されており、地球上で最大の地下水喪失量となっている(図17)。この負荷は、ロルカのケースと同様に、メインヒマラヤスラストのフットウォールから除去され、断層帯のすべりを促している(図18(Kundu et al., 2012)。

図 17:

図17 ネパール地震2015年MW 7.8ネパール・ゴルカ地震の地震学的背景。黒星:本震の震源地、赤丸:余震、黒矢印:収束率、灰色点:1995-2008年の地殻中部の地震活動量、青色コンター。青い等高線: 標高3500m、楕円:1505年以降の歴史的な地震のおおよその破壊位置、オレンジ色の等高線:2002-2008年の人為的な地下水損失(水深cm/a)(水位低下には5を掛ける)、黒い菱形:採取地点、左側の挿入図:地点の枯渇傾向、左上の挿入図:人口密度(人/ km2)。(Kunduら(2015)より)。

図 18:

図18 ヒマラヤスラストの人為的な地下水喪失によるアンローディングの効果を示す模式図。脱水は水平圧縮の成分(赤矢印)を誘発し、地震発生深度での世俗的な地震間収縮(黒矢印)に追加する。赤星:2015年ネパール・ゴルカ地震、ピンク線:関連する破断。

(Kunduら(2015)より)。

クーロン破壊応力の変化は、1960年以降、約0.003-0.008MPaである(Kundu et al.、2012)。これは、地球潮汐(7.3節)により引き起こされる応力の下限だが、ヒマラヤスラストにおける応力蓄積の自然速度(~0.001~0.002MPa/)と同程度である。インド・ガンジス平野の脱水はヒマラヤスラストへの応力蓄積を4.5-20%加速していることになる。

カリフォルニア州サンホアキン・バレーの地下では、過去150年間に約1.6×1011m3の地下水が枯渇した(Amos et al, 2014,McGarr, 1991)。最も急速に枯渇するのは夏の農業生育期で、最も急速に自然涵養が行われるのは冬から春にかけてである。このソースからのSan Andreas断層帯の年間断層常時応力変動は〜0.001MPaであり、夏と秋に地震を奨励している。この応力率はインド・ガンジス平野の脱水からMain Himalayan Thrustについて計算されたものと同様であり、予測された地震活動の季節性はM>1.25の地震に見られる。

同様のプロセスは、イタリアのアペニン山脈中央部にあるグランサッソ連峰の地震活動を変調させることが示唆されている(Bella et al., 1998)。そこでは、1970-1986年の高速道路建設のためのトンネル工事が、自然泉の水文学を大きく変化させた。この水理学的変化には、地震活動の空間的パターンの変化、地震発生率の増加、3回のM > 3イベントの発生が関連していると推測された。Klose (2007a) は、1989年のML5.6 Newcastle, New South Wales, Australiaの事象を深部炭鉱の脱水が原因であるとした。

3.2.鉱業

鉱山の掘削は、周辺岩盤の応力を変化させ、ある成分は当初100MPa程度であったものが、大気圧(0.1MPa)にまで低下することがある。その結果、応力差が岩盤の強度を超え、地震が発生することがある。これは、従来から「ロックバースト」や「コールバンプ」と呼ばれているものである。

最近、災害軽減を目的として設置された高密度な多成分アレーで優れた地震データが記録されている。伝搬経路が短く、均質な岩盤を通過することが多く、地表の観測を劣化させる風化層の影響を受けずにデータを取得することができる。これらのデータを用いることで、震源物理の理解に大きな進展があった。多くの採掘誘発地震が正味の爆裂性震源メカニズムを持っており、質量の除去によって生じた人工空隙の部分的閉鎖と一致することが示されている(例えば、Feignier and Young, 1992,Kusznir et al, 1982,Rudajev and Sileny, 1985,Wong and McGarr, 1990,Wong et al, 1989)。Millerら(1998a, Section 3.4)は、これに関する詳細なレビューを述べている。

3.2.1.従来の採掘

鉱業地震は、人命や資源の損失が大きいため、不釣り合いに深刻である可能性がある。これには、建物の修復が不可能になるような地盤沈下のような環境被害も含まれる。鉱業に起因する地震を軽減することは大きな技術的課題であり、鉱業の制限要因になるかもしれない(例えば、Tangら、2010)。

1949年から1997年の約50年間に、中国の33の炭鉱で2000件以上の石炭破裂が発生し、数百人が死亡、1300日以上の生産損失が生じた(Tang et al.、2010)。2007年には、102の炭鉱と20の他の炭鉱で地震が報告された(図19)。そのうち7つはM > 4.0,27つはM ≥ 3.0の地震であった(Li et al., 2007)。地震は浅く、深さ0~7kmで発生している。中国で発生した最大の炭鉱イベントは、1977年の遼寧省北坝市の太極鉱山で発生したML4.3である(Li et al., 2007)。

図 19:

図19 中国の地図。緑色の四角形。中小・大規模の国有炭鉱。ピンクの点。採掘による地震が発生した炭鉱。(Li et al.(2007)より)。

中国における石炭採掘は、採掘深度、採掘量ともに増加傾向にあり、採掘に起因する地震問題も増加傾向にある(図20図21)。石炭をはじめとする鉱物の需要は、他に解決策がない限り、この傾向が続くことが予想される。このように、鉱山起因の地震問題は、解決策を見出さない限り、拡大する可能性がある。

図 20:

図20 中国におけるロックバーストの危険がある鉱山数 vs 時間。

(Li et al.(2007)より)。

図 21:

図21 上図:(a) M>1.0、(b) M>3.0の地震とその最大マグニチュード。下段:遼寧省の撫順炭鉱フィールドを除き、上段と同じ。

(Li et al.(2007)より)。

鉱業に起因する地震で最も顕著なケースは、おそらく1989年にドイツのVolkershausen Ernst Thaelmann/Merkersポタッシュ鉱山で起こったものである。ML5.6(Bennett et al., 1994,Knoll, 1990)の地震は、深さ 850-900mの範囲にある約 6km2の地域全体で約 3200 本の柱の崩壊に関連したものであった。地元のDürenの町の大部分は荒廃し、数百の建物が損傷し、19の建物が全壊した。3人が死亡し、数人が負傷した。この現象はおそらく複数回発生し、ML4.4,5.1,5.5の3つの主要なサブイベントが発生した。ML5.5のサブイベントは、部分的には流体廃棄物注入が間隙水圧を〜0.3〜1.1MPa増加させ、これが柱の崩壊につながる地震を引き起こした可能性があるとされた(Knoll, 1990)。

鉱山関連の致命的な地震の原因をめぐって訴訟になった事例として 2007年のMW4.1ユタ州クランドール炭鉱の出来事がある。9人の鉱夫と救助隊員が坑道の崩壊により死亡した。この崩壊の原因は、自然地震による誘発や安全でないバックストリップ採掘作業によるものと様々であった。この時の地震モーメントテンソルは、自然地震で予想される断層上のせん断すべりと一致せず、ギャラリー崩壊で予想される急速に閉じる亀裂と一致した(図22(Dreger et al., 2008).翌年、米国鉱山安全衛生局は、Crandall炭鉱の安全でない採掘方法に対して総額185万ドルの罰金を課した。

図 22:

図22 (A) 2007年8月6日に発生したユタ州クランドール鉱山の地震とUSArrayおよび先進国地震観測システム(ANSS)の最も近い6つの地震観測点の位置。(B)地震、爆発、倒壊の集団の分離を示す震源タイププロット。黄色の星は焦点メカニズムの解を示す。(C)水平方向の閉じた亀裂(B)に類似した解の合成図(赤)と比較した観測地震図(黒)。接線方向(T)、半径方向(R)、垂直方向(V)の各観測セットの最大変位(10-7 m)が示されている。(Dregerら(2008)より)。

英国には新石器時代から続く長い鉱業の歴史があり、フーリント、鉛、銅、石炭、錫、金などが含まれる(図 23)。19 世紀と20 世紀の間に石炭採掘はピークに達し、1913年には 3024の鉱山から約3×108 tが採掘された。これらのいくつかは深さ1200mまで掘削され、北海の下の沖合に数km広がっていた。4,5HiQuakeには、英国の各主要炭田で記録された最大の地震が含まれている。

図 23:

図23 イングランド、サフォーク州、グライムス墓地における新石器時代のフーリント採掘の表面痕跡(www.english-heritage.org.uk)

Wilsonら(2015)は、将来起こりうるシェールガスの水圧破砕に先立ち、地震量の全国的な基準値を決定するために、英国の地震をレビューした。彼らは、英国地質調査所の地震データベースを使用した。1970年から2012年のカタログにある約8000の英国陸上地震のうち、彼らは約21%が人為的なもので、その大部分は石炭採掘によって引き起こされたと推定している(図24)。石炭生産量と地震は相関している(図25(Wilson et al.、2015)。1984-85年の炭鉱労働者のストライキでは、生産量の減少に伴って地震が大きく減少した。このストライキの経済的コストは数十億ポンドと推定され、そこからML≥1.5の各地震の軽減に〜1000万ポンドかかったと計算される。1985年にストライキが終了すると、地震発生率は石炭生産量と同じように回復した。

図 24:

図24 1970-2012年のML1.5以上の地震について、左:人為的(赤)、自然(緑)、未定義(紫)に分類された1769件の陸上地震イベントを示す英国の地図。右:石炭採掘によって誘発されたと推定される369のイベント。これらは主要な炭鉱地帯と空間的に相関している(濃い灰色)。(Wilsonら(2015)より)。

図 25:

図25 図 25:英国の石炭生産量(赤の点線)と誘発地震数(青線。青線:ML1.5以上、緑線:想定されるすべての石炭関連イベント、紫線:英国地質調査所データベースのすべての位置の地震)、1970-2012年の期間。1984年の炭鉱労働者のストライキの影響は、生産量と地震発生量の減少に明確に表れている。(Wilsonら(2015)より)。

鉱山による大地震で最も有名な地域は南アフリカである。 ウィットウォータースランド盆地の金含有礫岩とブッシュベルド複合体のプラチナ含有輝石である。 両鉱体は深さ数キロメートルまで広がっており、採掘深度は3.5キロメートルを超えている(Durrheim, 2010)。現在の地域の応力場は伸張性だが、テクトニックには不活発である。採掘による地震は、垂直方向に最大 1 mの崩壊を伴い、その長さが数 kmに及ぶ水平タブ状空洞の形でギャラリーを収縮させる。最大でmb5.6の地震が発生している(1994年、WelkomのPresident Brand鉱山)。

南アフリカでは、20世紀初頭、深さ数百メートルまで鉱山が貫入したことにより、誘導地震問題が顕在化した。現在では大きな問題となっており、そのリスクを軽減するために多大な努力が払われている。最も安全な採掘技術の開発、設備の最適設計、地震学的モニタリングなどである。死亡率は減少しているが、それでも年間数十人の死者が出ている(例えば、Amidzic et al, 1999Boettcher et al, 2015deBruyn and Bell, 1997Durrheim, 2010Durrheim et al, 2013Durrheim et al, 2006Heesakkers et al,2005,Jaku et al., 2001,Julià et al., 2009,Kozlowska et al., 2015,Lippmann-Pipke et al., 2011,Milev and Spottiswoode, 2002,Richardson and Jordan, 2002,Wright et al., 2003,Yabe et al., 2015,Ziegler et al., 2015)が挙げられる。

例えば、1996年にWestern Deep Levels East金鉱で発生したML4.0イベントである。採掘前の複雑な地質を核にして、広範囲に被害を及ぼした。このとき、小規模な採掘で残った大きな柱を取り除く作業が行われた。この被害地震は大きな影響を与え、地震管理戦略の改善につながった(Amidzic et al., 1999)。

2005年には、南アフリカのクルクドープ地区でML5.3というさらに大きな地震が発生した。近くの町スティルフォンテーンに深刻な被害を与え、58人が負傷した。近くの金鉱の鉱山労働者2名が死亡し、数千人が避難した。この地震は、過去の採掘による応力負荷が原因であるとされた(Durrheim et al. 2006)。この地震は、歴史的な採掘活動の記録が不十分であるという問題を浮き彫りにした。これは、長い採掘の伝統を持つすべての国が直面する問題である。また、ある産業プロジェクトによって引き起こされた地震が、近隣の他の産業を危険にさらす可能性があることも示した。また、地震発生の遅れは、鉱山閉鎖後も地震災害が問題になる可能性があることを示している。

McGarr (1992a) は, 南アフリカの金鉱深部に設置された最新鋭のモニタリングネットワークで収集された極めて高品質なデータを用いて、M 1.9-3.3の10のウィットウォータースランド鉱山誘発地震に対するフルモーメントテンソルを導出した。 これらの地震は2つのタイプに分類される。7つの地震は正断層と結合した大きな共振性体積減少を伴い、3つの地震は顕著な体積減少の成分を持たなかった。体積減少を伴うものは、 鉱山ストープと剪断断層の相互作用によるものと思われる(McGarr, 1992a)。

これらの結論は、後の研究者により確認された。Juliàら(2009)は, AngloGold Ashanti Savuka金鉱山の深部で発生したM0.5-2.6の76回の鉱山震動について、震源メカニズムを明らかにした。 これらの事象は、鉱山に設置された 20 台の高周波ジオフォンで記録された。最大主応力は垂直方向であり、体積閉鎖と正断層の組み合わせによって緩和され、ギャラリーの垂直閉鎖と一致した。Richardson and Jordan (2002)は、鉱山内アレイで、1994-2000年に記録されたデータを用いて、ファーウエストランド地区の5 つの深部鉱山に関連する地震活動を研究した。地震発生率は 1000 イベント/日を超えている。いくつかの地震は、採掘場から 100m 以内の場所で発生した。これらの地震は、発破、掘削による応力擾乱、ストップの閉鎖に起因している。その他の地震は採掘地域全体に分布し、M > 3で、地域地殻変動地震に類似していた。

3.2.2.ソリューションマイニング

溶液鉱業は、鉱床に掘削した孔から鉱物を回収する。鉱物を溶解するための液体「溶媒」を注入孔から資源に送り込み、岩石内を循環させて鉱物を溶解させ、生産井から取り出す。溶解剤には、塩を抽出するための水や、金属(ウラン、銅、金、リチウムなど)を抽出するための酸や重炭酸ソーダなどがある。世界のウランの約半分は溶液採掘で生産されている。

HiQuakeには、溶液採掘に関連すると推定される8つの地震事例が含まれている。フランスのVauvert鉱区では、深さ1900-3000mにある50%程度の塩からなる層からブラインが生産されている。水は坑井のダブレットを通して破砕帯を循環している。生じた空洞の一部は塩のクリープによって消滅するが、このプロセスが物質除去に追いつかない場合に地震が発生する。また、水圧破砕により空隙を形成した場合にも地震が発生する。1992年から2007年にかけて発生したM-3から-0.5の地震は125,000回以上見つかっている(Godano et al.、2010)。

米国では、AtticaとDale (ニューヨーク州)とCleveland (オハイオ州)の3例が記録されている。1929年、1966年、1967年にアッティカ近郊で発生した3つのML〜5現象のうち、2つは震源深度が2〜3kmと浅かった(Herrmann, 1978)。これらは塩溶液の採掘によって誘発されたと推定されている(Nicholson and Wesson, 1992)。

中国では、1985年に四川省紫光塩鉱の深さ800-1800mからの塩の溶液採掘に伴ってML4.6の地震が発生した(Li et al.2007)。この地震は、中国における鉱業関連地震の中で最も大きな揺れを引き起こした。これは、中国で知られているあらゆる種類の鉱業関連イベントの中で最大である。

イラクのミシュラクでは、深さ190mまでの層に0.6〜0.8MPaの圧力で高温(〜150℃)の水を注入して硫黄を採掘した際に地震が発生した(寺島、1981)。最大で数mm/日の地盤沈下が起こり、表面にクラックが発生した。1973年から1975年にかけてフェルト地震が発生し、注入率の高い時期に最も多く発生した。

3.2.3.トンネル掘削

トンネルや空洞の掘削に伴う地震は、20件報告されている。その中には、発電所ハウジングのための掘削(例:中国Pubugou水力発電所の地下発電所)、水力・原子力発電所の水輸送(例:中国Yuzixi水力発電所、スウェーデンForsmark原発)、道路・鉄道輸送(例:スウェーデンRitsemトンネル、中国Qinling鉄道トンネル)などが含まれている(Tang他、2010)。

スイスアルプスを貫く新アルプス縦走路の一部であるスイスのゴッタルド基底トンネル(全長57km)は 2002~2006年に貨物・旅客鉄道輸送のために掘削・発破が行われた(Husen et al.、2012)。3つの「マルチファンクションステーション」(MFS)がトンネルを5つのセクションに分割している。

2005年から2007年にかけて、最南端のステーションMFS Faidoの掘削に伴い、112回の地震(ML-1.0〜2.4)が発生した。最大の地震は深さ0.5-1.0kmで、地表で強く感じられた。駅の空洞は、補強された壁の剥離や、床が0.5m ほど隆起するなどの被害を受けた。地震活動は、駅の掘削と空間的・時間的に相関があった(図26図27)。仮設の高密度な地震観測網を使用して正確な位置を求めた結果、地震はトンネルとほぼ同じ深さで発生していることがわかった。また、発破直後のトンネル内のロックバーストと相関しているものもあった。

図 26:

図26 スイスの多機能ステーションFaido周辺で観測された地震活動の時系列変化(2005年10月〜2007年12月)。上段:月別のイベント数。下:ローカルマグニチュード。開いている円は、1つの観測所のデータからしかマグニチュードが計算できなかった地震。灰色の帯は掘削作業の終了を示す。(Husen et al. (2012)より)。

図 27:

図27 2005年10月〜2007年6月にスイスのマルチファンクションステーション・ファイド周辺で発生した地震の震源地。(Husen et al. (2012)より)。

最大地震の震源機構は、地元の断層系に属する長さ50-170mの急峻な平面上の正断層を示唆していた。このトンネルは火成岩と変成岩を横断しており、断層や激しい割れ目など、レオロジー特性の異なる複合構造を有している。モデル計算の結果、地震は断層帯の中で異なるレオロジーを持つ岩石が不利に並置されたことに起因していると考えられた。掘削によって加わった水平応力は、トンネルの収縮によって緩和され、断層帯が再活性化した。

3.3.炭化水素類

Suckale, 2009,Suckale, 2010は、炭化水素の生産に起因する地震活動をレビューしている。世界には約 67,000の炭化水素フィールドがあり(Li, 2011)、そのうち約 1500 は巨大な油田や大油田、約1,000,000 は生産中の油井やガス井である。生産に対する地震反応は様々であり、ほとんどの油田で地震活動は報告されていない。しかし、報告は不完全であり、多くの油田は計測されていない(7.1節)。地震は、貯留層の圧縮に関連する変形のごく一部を占めるに過ぎず、大部分は地盤沈下によって占められ、あるいは側面からの流体の涵養によって打ち消される。報告された地震は、これまで知られていなかったり、活動しないと考えられていた断層で発生することが多い。

3.3.1.ガス

天然ガスの採掘に起因すると推定される地震は36件ある。カナダ(1件)、中国(1件)、フランス(2件)、ドイツ(7件)、イタリア(1件)、オランダ(18件)、オマーン(1件)、アメリカ(4件)、ウズベキスタン(1件)であった。

最も極端なケースは、ウズベキスタンのガズリ貯水池のものである。1976年と1984年に3回のMS〜7地震が発生し、地元のガズリ町に深刻な被害を与え、1名の死者と約100名の負傷者を出した(Simpson and Leith, 1985)。1978年にはMS5.7が発生した。地震は以下のように発生した。

  • 1956 ガズリ油田が発見される。
  • 1963 ウラル工業地帯へのパイプラインが完成。
  • 1966 20×109m3/年のガス生産開始。貯留層圧力は7MPa。
  • 1968-71 生産量はピークに達した。
  • 1976 圧力は3-3.5MPaに低下、MS-7地震が2回発生。
  • 1978 MS5.7地震発生。
  • 1984 MS〜7の地震が発生。
  • 1985 圧力は1.5MPaまで低下していた。

深度2kmの貯留層からガスが生産され、 タイトな古第三紀砂岩の開口した背斜にホスティングされていた。この 構造はいくつかの盲検断層によって切断されており、MS〜7地震はこれらのうちの1つで発生したと考えられている(図28)。断層面解析から、この地震は北に傾き、東に走るスラスト断層上で発生したと考えられ、地域テクトニクスと整合的である。この断層を浅いところまで外挿すると、ガス貯留層と交差することが示唆される。この幾何学的な対応に加えて、SimpsonとLeith (1985) は、これらのイベントが誘発されたことを示す追加の証拠として、以下を挙げている。

  • 以前の地震の静穏化
  • 本震-余震の連続ではなく、3つのMS~ 7 イベントを含む異常なマグニチュード分布。
  • 貯水池内の圧力の大幅な低下。
  • 異常な下方向への破壊の伝播。

図 28:

図28 上:1976年と1984年の3回のM〜7地震と1978年のM5.7地震の震源を示すウズベキスタン・ガズリ地域の地図。下図:1976年 4月8日と1984年3月19日に発生したMS 7.0地震の震源機構とガズリ市からの距離で投影した断面図(下図)。 断層面(破線)は測地データから推定したもの。(Simpson and Leith (1985)より).

これらの地震が誘発されたことは、Bossuら(1996)が、断層の応力変動が小さすぎて、このような大きな地震を誘発することができなかったという理由で、異議を唱えている。このケースは、操業に関するデータが少ないため、可能な解析は限られている。しかし、ガス採掘によって引き起こされる可能性のある最大規模の地震を示唆する点で、ガズリの事例は重要である。

ヨーロッパで想定される最大の地震は、イタリア・ポー川流域のカビアガガス田で発生した1951年のM5.5である(Caloi et al., 1956)。この地域では、10MPa以上の圧力でメタンの大規模な採掘が行われていた。この地震は、当時は計測器が限られていたため、よく研究されていない。紙の記録を単純に分析した結果、最大規模のML5.5イベントは深さ〜5kmで核を形成し、スラストメカニズムを持つことが示唆された。

Caviagaのケースは、ヨーロッパで報告された唯一のM ≥ 5のガス採掘誘発地震である。他のいくつかのヨーロッパのガス抽出プロジェクトは、M ≥ 4の地震活動と関連している。フランスのラックガス田では、ML4.2 までの地震が発生し、1974年から 1997年にかけて 2000 回以上発生している(Bardainne et al., 2008)。

Lacqの生産は1957年、深さ600mの油田の下、3.2〜5kmの深さからガスを抽出することから始まった。貯留層は、白亜紀の泥灰土に封じ込められた中生代の石灰岩の中にある、長さ20kmの破砕性背斜を占めている。貯留層圧力は1957-2008年に66MPaから2.3MPaに低下し、地表は6cmほど沈下した。

最初に注目された地震は、1969年のM3-4で、ガス圧が36MPaまで低下した後に発生した。この地震とその後の地震活動は、ガス田に位置していることと、Lacqが最も近い地震活動構造であるPyrenean Frontal Thrustから30km北に位置していることから、自然地震である可能性は低いと思われる。地震の約70%はガス貯留層の上部に位置し、その多くはガス除去による応力擾乱に対して最適な方向性を持つ断層であった。指向性の悪い断層では無感動地震が発生する傾向があった。地表沈下と地震発生頻度の相関は低い。地震活動は貯留層の中心から周辺部へ移動している(図29)。震源分布と変形モデルを比較すると、Segall (1989)のモデルよりもOdonne (1999)のモデルに軍配が上がる(図 30)。

図 29:

図29 フランスLacqガス田の地震活動。(a) 地図表示と断面図の位置。挿入図はこの地域の位置を示す。(b) SSW-NNE断面図、(c) WNW-ESE断面図。色:異なる地震群、灰色の破線と実線:ガス田の等深線、黒線:断層、十字:3つの群れの位置の不確かさ。(Bardainne et al. (2008)より).

図 30:

図30 (a)Segall (1989), (b)Odonne et al. (1999)の枯渇性地下貯留層に対する変形モデル。両モデルとも、フィールドの側面では伸長変形、中央部では圧縮変形を予測している。(Bardainne et al. (2008)より).

オランダでは、〜300のガス田が生産されている。このうち、地震活動があるのは数%だが、世界的に見ると、これは高い確率で地震発生が報告されている。誘発メカニズムは差動圧縮と考えられている(Gee et al.、2016)。

オランダで誘発された最大規模の地震は、2012年のフローニンゲンML3.6 である。これに加えて、M>3.0の地震がさらに8 回発生している(図 31)。地震は、1962年のガス採掘開始から約 28年後の1991年 12月に貯留層が約 28%の枯渇に達した時点で初めて記録された(図 32)。

図 31:

図31 .オランダの地殻変動図、地震活動、炭化水素貯留層。右下にメインマップの地域位置を示す。赤丸は自然地震、青丸は誘導地震、緑はガス層、赤は油層、実線は主要断層帯、三角はリークオフテストが実施されたところ。BFB= Broad Fourteen Basin、FP = Friesland Platform、GH/LT = Groningen High/Lauwerszee Trough、LSB = Lower Saxony Basin、LT-HP = Lauwerszee trough-HP = LT-HPLauwerszee trough-Hantum Platform, NHP = Noord Holland Platform, WNB = West Netherlands Basin, RVG =Roer ValleyGraben, PB= Peelrand Block, EL = Ems Low.である。(Van Wees et al. (2014)より).

図 32:

図32 オランダ・フローニンゲンガス田における誘発事象のマグニチュード(1991年 12月 5日~2012年 8月 16日)と累積地震モーメント(Nm)。(Van Wees et al. (2014)より).

オランダの歴史的な地震発生率は、近隣諸国がライン川上流のグレーベンに関連する地震が多いのに比べて低い(図33図34(van Eck et al.2006)。現在、オランダ北部で発生している地震の大部分は、ガス採掘に関連している。フローニンゲン油田では、数百回の地震が記録されている。この貯留層は、ヨーロッパで最大、世界で、10 番目に大きい天然ガス田で、厚さ 300m、面積 45×25kmの多孔質砂岩層で、もともと3×109m3程度のガスが含まれていた。地震発生率や最大地震の規模は時間とともに大きくなっている(図32)。しかし、Gutenberg-Richter分布の傾き(b値)が時間とともに増加することは、大きな地震と小さな地震の割合が徐々に減少することと矛盾しない(van Eckら 2006Van Weesら、2014)。貯留層の圧縮は、貯留層の北西に位置する2つのゾーンで最大であり、地震はこれらのうち最も南側に相関している(図35)。

図 33:

図33 1900年以降のオランダとその周辺地域の地震活動。赤丸:自然地殻変動地震、黄丸:誘発地震(通常、鉱山やガス開発)の疑い、灰色の実線:北海上層に分布する断層、薄緑:ガス田。図34の枠で囲んだ領域の詳細。(van Eck et al. (2006)より)。

図 34:

図34 .オランダ北東部の生産ガス田(緑)、主要な断層構造、地震活動(オレンジの点)を示す地図(図33の枠内)。RF: ロスウィンケル油田、GF: フローニンゲン油田、EF: エレベルド油田、AF: アンネルフェン油田。

(van Eck et al. (2006)より)。

図 35:

図35 フローニンゲンガスフィールド。1995-2012年のM1.5以上の地震の震源地と1960-2012年の貯留層圧縮のモデルを重ね合わせたもの。黒線:フローニンゲンガスフィールドの周囲、細い灰色線:貯水池レベルに近い断層。地図座標はオランダの国家三角測量座標系(Rijksdriehoek)でキロメートル単位。(Bourneら(2015)より)。

米国では、テキサス州ファッシングガスフィールド(図36)が有名である(Pennington et al.,1986)。1958年に深さ 3.2km から生産が開始された。1983年には圧力が7MPa まで低下し、M3.4の地震が発生した(図 37)。枯渇した貯留層は、生産された水を再注入することによって補給された。1992年には M4.3の地震が、2011年にはM4.8の地震が発生した。このケースは通常、近隣のイモジェン油田(3.3.2 節)とセットで検討される。

図 36:

図36 地震が誘発されたと推定されるテキサス州南部のイモジェン/ファッシング地域の油田とガス田。斜線部はより顕著な油田。Modified Mercalli震度で最大のイベントの等値線が示されている。(Penningtonら(1986)より)。

図 37:

図37 ファッシングガス田の断層付近の坑井の圧力履歴と、ファッシング-プレザントン地域の既知の地震。黒丸:Fashing地域の地震、開丸:Pleasanton(Imogene)地域の地震。(Penningtonら(1986)より)。

3.3.2.オイル

多くの油田では、石油やガスの採掘、廃水処理、石油回収を助けるための注水、ハイドロフラクチャリングやサーマルフラクチャリングなど、複数のプロセスが同時に進行している。そのため、地震を石油採掘のみに起因するものと明確に断定することは難しいかもしれない(1.7 節)。しかしながら、私たちは石油採掘に関連すると推測される地震を8例確認した。これらは、米国、イラン、ロシア、ノルウェーのものである。これは、全世界の生産油田が100 万カ所程度であることと比較すると、非常に少ない(3.3 節)。

石油生産に伴う地震に関する最も古い報告の1つは、1920年代に小さな地震が発生したテキサス州グースクリー クのものである(図38)。数百万バレルの石油の採掘後、10km2程度の地域が8年程度で最大1m沈下した(Nicholson and Wesson, 1992,Pratt and Johnson, 1926)。グースクリークは沿岸地域であり、かなりの面積が海面下に沈んだため、産業インフラを浸水した状況に適応させることが必要とされた。

図 38:

図38 流体引き抜きに伴う地表の変形と断層をまとめた模式的な断面図。正断層は、テキサス州グースクリーク油田で観察されるように、油田の側面に発達する。逆断層は、ウィルミントン、ブエナビスタヒルズ、ポー盆地、ストラチャン油田の下で観察されるように、貯水池の上に発達する。(Segall (1989)より)。

HiQuakeで石油採掘に起因するとされる最大の地震は、1983年カリフォルニア州コアリンガで発生したMW6.2である。この地震は、1985年MW6.1のケトルマン北ドーム地震と1987年ML5.9のモンテベロー・フィールズ(ウィッティア・ナローズ)地震(共にカリフォルニア州)とともに、隆起背斜の油田から石油を抜き取るために起きたとされている(McGarr, 1991).CoalingaとWhittier Narrowsの地震は広く感じられ、多数の死傷者を出した(図 39)。

図 39:

図39米国地質調査所の揺れマップ(earthquake.usgs.gov/earthquakes/shakemap/)。上:1983年MW6.2のカリフォルニア州コアリンガ地震、94人が負傷し、州の半分で感じられた。下。1987年ML5.9 カリフォルニア州ウィティアナローズ地震、6人死亡。地盤の揺れは、地図に示された地域全体で感じられ、軽いもの(冷たい色)から重いもの(温かい色)までの範囲であった。詳細は、米国地質調査所のウェブページを見てほしい。

この3つのイベントは、いずれも深さ10km程度で核を形成した。McGarr (1991)は、 石油と水の純抽出により上部地殻の平均密度が低下し、地震による変形がほぼ等方平衡に戻ったと示唆した(図40)。これに対して、Segall (1989)は、貯水池の枯渇は核生成領域に0.01-0.03 MPaの負荷を与えただけであると結論づけた。Nicholson and Wesson (1992)は、地震は地殻の中層から下層に移動する流体によってもたらされる大きな応力に応答して発生した可能性があると示唆した。彼らは、石油の引き抜きによる圧力の変化が流体の移動を誘発し、断層を破壊に近づけたと示唆した。コアリンガ地震は、近くのサンホアキン渓谷(セクション 3.1)から灌漑用の地下水を採取したことにも起因している(Amos et al.、2014)。コアリンガ地震は、6年後の1989年MW6.9のロマ・プリエタ地震で解放された応力に寄与した。この地震はサンフランシスコの96km南でサンアンドレアス断層系の一部を破壊し、63人の死者と3757人の負傷者、56-60億ドルの損害をもたらした(Reasenberg and Simpson, 1992)。100人以上の死者と4000万ドルの損害を出した1933年のカリフォルニア州ロングビーチの地震は、近くのウィルミントンおよびハンティントンビーチ油田(4.1.3節)での石油生産に起因すると考えられる(Nicholson and Wesson、1992)。

図 40:

図40 .図40 石油生産に対する地殻応答メカニズム(案)を示す模式的断面図。物質が除去されると、鉛直方向の力のバランスが崩れ、地震発生層で地震性変形が生じる。この変形は、地殻浅部の地震性変形と相まって、等方性バランスを回復させる。(McGarr(1991)より)。

テキサス州イモジェン油田からの石油採掘が主な原因で地震が誘発されたことは、ほとんど異論がない(Pennington et al.、1986)。この油田は、地震発生源であるファッシングガス田(3.3.1節;図36)から約25kmの距離に位置している。1984年、Imogene 油田でML3.9の地震が発生し、その後、貯留層境界断層付近の深さ 2〜3 km で余震が発生した。

イモジェン油田は、白亜紀の石灰岩の上に、浅い深度で分岐する高角の断層がある。1944年に深度2.4kmの33m厚のホライズンから生産が開始された。1973年までに、貯留層圧力は25MPaから10MPaに低下した。この圧力低下を緩和するために、1972年から1978年にかけて、圧入井から55,000m3の水が湛水された。しかし、これは生産された約100万m3の石油・ガスよりはるかに少なく、1984年の地震の数年前に氾濫は停止している。その結果、地震は油田の減圧に起因するものとされている。

生産中の油田に伴う沈下と誘発地震の最も顕著な例は、カリフォルニア州ウィルミントン油田の例である(図41図38)。1936年に石油の生産が開始され、その後30年間で最大9mの沈下と3.6mの水平方向の収縮が発生した。ひずみ速度はSan Andreas断層のロックされたセクションに沿ったものより1000倍以上大きかった(Kovach, 1974,Segall, 1989)。

図 41:

図41 カリフォルニア州ウィルミントン油田の場合、油田中央部の沈下率、石油生産量、水注入量。矢印は大きな被害をもたらした地震の発生日。(Kovach(1974)より)。

圧力が10MPa程度になると、貯水池の上下で地震が発生するようになった。ML 2.4-5.1の8つの地震が 浅い低角度の敷設面上で発生した。 最大のものは1949年に発生し、数百の生産井を剪断し、900万ドル以上の損害を与えた。5.7km2の 面積が影響を受け、最大 20 cmの地盤変動が発生した(Nicholson and Wesson, 1992,Segall, 1989)。地震のうち7回は石油生産期間中に発生し、1回は1958年に地盤沈下を緩和するために大規模な冠水が開始された後に発生した。1961年以降は地震が発生せず、1966年には沈下が収まっている。この場合、地震活動は流体の導入により誘発されたというより、むしろ停止された可能性がある。

中東では大量の石油が生産されているにもかかわらず、石油採掘に起因するとされる地震は2件しか報告されていない。一つは、サウジアラビアのガワール油ガス田のウスマニヤ-ハワイヤ-ハラド区でML4.24までの地震が数百回発生したというものである。これらの地震は生産層の下で発生し、流体の抽出に起因するものである。これらの地震は生産層下で発生し、流体の抽出に起因するものである。

もう一つの例はクウェートで、1997-2007年に465 件のM 0.3-4.3の地震が発生している。その多くは、Sabiriyah、Raudhatain、Bahra、Minagish、Umm Gudair、Wafra、Abduliyah、Dharif Fieldsなどの油田で発生している(図 42)。この活動の一部は、石油採掘に関連していると思われる(Al-Enezi et al. 2008)。中東の油田に関連して提案されている最大の誘発事象は、クウェートでの1993年M4.7事象である。これは、1990年のイラク軍による油井の噴出と焼失により、急激な間隙水圧の低下と地下の応力変化が引き起こされた可能性がある(Bou-Rabee and Nur, 2002)。

図 42:

図42 1997年3月〜2007年10月までのクウェートの地震活動量。(Al-Eneziら(2008)より)。

3.4.地熱生産(熱・流体)

湿潤高温の地熱地帯では、小さな自然地震がよく発生する。アイスランドでは、科学的に研究される以前から「フベラキップル」(訳注:温泉の瘤)と呼ばれていた。その原因は、プレート境界域や火山などのアクティブテクトニクスと、地熱による自然な熱損失が組み合わさったものと思われる。後者は地熱源の冷却と収縮を引き起こし、引張破壊の要素を持つ岩石破壊によって応力が緩和される。空隙の開閉は地震学的に確認されている(Foulger, 1988a,Foulger, 1988b,Foulger and Long, 1984,Foulger et al., 1989,Miller et al., 1998a,Miller et al., 1998b,Ross et al., 1999).高温の流体の抽出による地熱フィールドからの生産は、自然の流体と熱の損失を促進し、地震発生率を増加させる可能性がある。

炭化水素貯留層と同様に、複数のプロセスが進行している地熱開発地域では、地震を確信的に引き起こすことは困難かもしれない。また、浅い冷たい地下水や深い熱水の自然涵養によって誘発されることもある。HiQuakeには、地熱生産によって誘発されたと推測される地震が6 つだけ含まれている。これらのケースは、メキシコのセロ・プリエト・フィールド(Glowacka and Nava, 1996), アイスランドのレイキャネスとスヴァルツェンジ・フィールド(Keiding et al., 2010), イタリアのラルデレロ(Batini et al., 1985), アメリカのガイザー(Eberhart-Phillips and Oppenheimer, 1984) そしてケニアのオルカリア(Simiyu and Keller, 2000)となっている。

最大のものは、Imperial Valley (1979,ML6.6), Victoria (Cerro Prieto鉱区の約30km南東; 1980, M 6.1), Cerro Prieto (1987, M 5.4)の横ずれ現象である(図 43)。Glowacka and Nava (1996)は、流体抽出の増加と地震モーメントの放出との間の定性的相関に基づくこの提案を、1年程度の遅れで行っている(図44)。

図 43:

図43 セロ・プリエト地熱フィールド。丸印:M≥5の地震、赤丸印:誘発が示唆される地震(1979年ML6.6 Imperial Valley地震、1980年ML6.1 Victoria地震、1987年ML 5.4 Cerro Prieto地震)、点線:断層、IF: Imperial断層、CPFZ: Cerro Prieto断層帯、V: Cerro Prieto火山。(Glowacka and Nava (1996)より).

図 44:

図44 メキシコのセロ・プリエト地熱フィールドの場合、上:年間の地震モーメントの放出量、下:生産量。(Glowacka and Nava (1996)より).

セロ・プリエトでの電力生産は1973年に始まった。深さ1500〜3000mから250〜350℃の蒸気と水を生産している。1973年から1996年にかけて1km3以上の流体が抽出された。この地域は太平洋と北米のプレート境界の一部であり、テクトニクスはM>6地震の歴史を持つ横ずれのインペリアル断層によって支配されている。GlowackaとNava (1996)は、生産量と大地震の相関関係を統計的に裏付けるには数値データが不十分であるとし、地熱フィールドの数 MPaの間隙水圧の低下が地震を誘発するのに十分であったと論じている。Majer and McEvilly, 1981,Majer and McEvilly, 1982は、ローカルな臨時地震ネットワークからのデータに基づいて、初期の生産量の増加が小規模地震の増加に相関していることを示唆した。

アイスランドのレイキャネスとスヴァルツェンギ地熱地域では、地熱生産と地震の相関が提案されている(Keiding et al., 2010).いくつかの地域では、プレート境界に沿った伸張に伴う変形と、地熱流体の抽出に伴う5cm/a程度の沈降が、1992年から2009年にかけて、干渉合成開口レーダ(InSAR)とGPSデータを用いて検出されている。また、地熱地帯を含むリフトの側面でML4.1までの群発地震が発生した。地熱流体の抽出による応力変化によって引き起こされたと推測されるが(図45)、テクトニックな起源を排除することはできない。

図 45:

図45 アイスランド南西部のレイキャネスとスヴァルツェンジの地熱フィールドについて、左:2005年6月から2008年5月の近垂直レーダー変位場、地震発生場所と震源メカニズム。黒丸:背景事象。2006年(オレンジ) 2007年(赤) 2008年(青)の特徴的な群発事象を示す。点線:Kleinら(1977)による1972年の群発地震発生位置。右上:プロファイルAA′は、レイキャネス地熱フィールド周辺の沈下に対する弾性半球楕円体震源モデルを用いて計算された、NE-SW傾向の断層面上の通常すべりのクーロン破壊応力の予測変化を示している。右下:プロファイルBB′はレイキャネス地熱ボウルで観測された近垂直方向のレーダー変位。(Keiding et al. (2010)より)。

カリフォルニアのガイザース地熱フィールドは、150年以上前から蒸気が支配するフィールドで、最近では発電も行われている。地震活動が活発で(図46)、大規模な流体圧入が始まる前から地震が発生している(図47)。注入前の地震活動や現在の地震活動は、生産に関連したものであると考えられる(Eberhart-Phillips and Oppenheimer, 1984)。生産に関連した地震活動と圧入に関連した地震活動は同時に進行しているため、区別することは困難である。しかし、過去50年ほどの間、地震発生率は圧入と大きな相関があった(4.1.5節)。

図 46:

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図46 カリフォルニア州、ガイザース地熱フィールド。左:鉱区の位置を示す地域地図。中央はザ・ガイザーズのMcCabeユニット5と6(www.energy.ca.gov/tour/geysers/)。右:1973年から1995年までの2年ごとのThe Geysersの地震活動マップ。位置はNorthern California Seismic NetworkのM>1.2の地震カタログから。灰色の部分:水蒸気フィールド。線は、各マップ下の深さ方向の断面図を示す。(Rossら(1999)より)。

図 47:

図47 フィールド全体の蒸気生産量、水圧入量、地震発生量の年別推移 1960-2013.M≧4の地震はグラフ上部の境界線に沿って赤い菱形で示す。(ハートライン(2014)より)。

3.5.地下からの抽出:まとめ

鉱業は採掘関連地震の最も一般的な原因であり、HiQuakeには 267 件が寄与している。地下水に関するものが5件、地熱資源に関するものが6件である。地下採掘によって誘発されたと想定される最大の地震は、ネパール・ゴルカ地震(MW7.8)、ロシア・バチャツキー地震(ML6.1)、ウズベキスタン・ガズリ地震(MS7.3)とメキシコ・インペリアルバレーのセロプリエト地震(ML6.6) であった。

地下水枯渇のケースでは、0.001MPa程度の応力変化が事象を誘発すると想定されている(例えば、2015年MW7.8ネパール・ゴルカ地震について;Kundu et al, 2015)。これは地球潮汐(7.3節)と比べても小さい。このような小さな応力が地震を誘発することは、自己相似的で臨界的な地震核発生プロセスに理論的に合致している。しかし、このような小さな効果は、気象や都市の膨張など、他の多くの自然・人為的なプロセスに匹敵するものであろう.

図 48に、ガス圧入による地震の規模を、この パラメータが報告された 35 事例について示す。MS7.3のガズリ(ウズベキスタン)を除き、連続した大きさのスペクトルを示している。

図 48:

図48 .このパラメータが報告されている35のフィールドで、天然ガスの抽出によって誘発されたと仮定される地震列のMMAX。中国北西部のHutubiのケースは、採掘と貯蔵の両方に関連している(Tang et al.、2015)。

石油の採掘は、地殻から大きな塊を取り除くが、このプロセスに起因する地震はほとんどない。考えられる理由としては

  • このプロセスは地震発生性が弱く、おそらく帯水層の自然流入(周辺水または底層水)が抽出された質量を部分的に置き換えるからだ。
  • 過少報告; および
  • 流体注入がしばしば生産を伴うため、誘導プロセスが曖昧である。

4.地下への注入

注入関連地震の急増する問題は、Ellsworth (2013)によって強調され、米国中央および東部におけるM≥3イベントの地震率が最近劇的に増加していることを指摘した。1967-2000年の平均が年間21回であったのに対し、2010-2012年の平均では年間100回以上の地震が発生している。このように、HiQuakeは、不完全な報告にもかかわらず、注入関連地震の発生率の増加が米国に限定されないことを示している。

流体が地中に注入される理由は様々である(表2)。

  • 溶液採掘(セクション 3.2.2)。
  • 副産物の処分
  • 油回収の促進
  • 岩石破砕(まさに地震の原因となるプロセス)。
  • 地震の核生成過程の研究
  • 高温の排水を処理する。
  • 天然ガス、水素、圧縮空気の地下貯蔵、および
  • 排出量削減のためのCO2地中貯留。

また、貯水池の生産時や、廃坑で地下水位を抑制するための揚水が終了した場合、受動的な地下水の流入が発生することがある。

表2.米国連邦規則集(40 CFR 144.6-Classification of Wells)における地下圧入井の分類区分a
井戸のクラス 目的
クラスI 産業廃棄物および都市廃棄物処理井戸
クラスII 石油・ガス関連の圧入井
クラスIII 溶液採掘用注入井
クラスIV 浅い危険物および放射能注入井戸
クラスV 地下の飲料水源またはその上部に非危険物流体を注入するための井戸
クラスVI CO2の地中貯留に使用される井戸

HiQuakeには、注入が地震を誘発すると想定される180の事例が収録されている。一般に、地殻内の物質が除去されると、断層のすべりを防ぐ法線応力が減少するのに対し、断層に流体が導入されると、破壊を促す間隙水圧が増加することが予想される。したがって、これらの変化はいずれも、気まぐれに、地震を誘発することが予想される。注入の場合、地震による直接的な危険性に加えて、対象となる地層やそのキャップロックが破壊された場合、注入された流体が流出するという危険性もある。例えば、注入された流体が汚染された水、天然ガス、またはCO2である場合、これは危険性を増す可能性がある。

4.1.液状

4.1.1.軍用廃棄物

HiQuakeには、軍事廃棄物の注入によって地震が誘発されたと確信できる事例が1つだけ含まれている。これは、いわゆるデンバー地震と呼ばれる伝説的なケースである。人間の活動が地震を誘発する可能性があることを、地震学者や一般市民の間に広く認識させることになった。

この事件は、1961年に陸軍工兵隊がコロラド州デンバーの北東にあるロッキーマウンテン工廠で、結晶性の先カンブリア地層の割れ目の多い場所に深さ3.7kmの井戸を掘ったことから始まった(Evans、1966Hsieh and Bredehoeft、1981).この井戸の目的は、汚染された廃水の処理であったと報告されており、それは21mの底にあるライニングされていない井戸に注入することによって行われた。1962年3月に、大気圧から地層圧以上の7.2MPaまでの圧力で処分が開始された。1966年までの4年間に625,000m3の流体が注入された。

注入開始後まもなくデンバー地域で小規模な地震が発生し始め、1967年までに1500回以上の地震が記録され、その中にはM3-4の地震もあった(図49)。注入量と地震の頻度の相関関係、震源地が坑井から8km以内にあることから、Evans (1966)は地震が誘発されたことを示唆するに至った。

図 49:

図49 .ロッキーマウンテン工廠のボーリング孔に注入された廃棄物の量と地震発生頻度。(Healy et al., 1968 からHitzman (2013)が再描画)。

1966年に廃棄物処理は終了したが、地震活動は継続し、1967年にはML>5の地震が3回発生し、デンバーのインフラに被害を与えた。その後、地震活動は減少し、1980年代初頭には基本的に停止していた。皮肉なことに、注入終了後に発生した大きな地震は、地震と注入の時間的相関を弱め、その結果、誘導を主張することになった。しかし、注入停止後も流体の拡散は続いており、地震が続いていたことを説明することができる(Healy et al., 1968)。

4.1.2.廃水処理

大量のコンネート・ブライン(時には水と混合)は、特に油田が古くなると、石油と一緒に生産されるのが一般的である。水と油の比率は20を超えることもある(Gluyas and Peters, 2010)。塩水は、一般に、処分のため、油層圧を維持するため、および油回収を助けるために掃気するために、枯渇した油田に再注入される。注入された冷水は、特に低透水性の貯留層で、一般的に熱破壊を引き起こす。サーマルフラクチャリングは、より低い圧入圧力(したがって、必要なポンプ動力とコスト)を使用することを容易にするため、望ましい結果である。カリフォルニア州だけでも、現在2300の廃水圧入井が存在する。

HiQuakeには、廃液注入に起因する誘発地震が33件含まれている。このうち、カナダが3件、中国が2件、イタリアが1件、米国が27件である。コロラド州のパラドックスバレーは、谷を横切るようにドローレス川が流れていることから、この名がついた。このケースは、想定されるいくつかの誘発地震(Ake et al., 2005,Block et al., 2015,King et al., 2014,Yeck et al., 2015)の注入井からの距離が明らかに大きいので注目される。

パラドックスバレーでは、深さ4800mの井戸の底にあるミシシッピ時代の石灰岩の水平下層にかん水を注入している。その目的は、ドローレス川の水の塩分濃度を下げ、その結果、ドローレス川が流れ込むコロラド川の塩分濃度を下げることである。ドローレス川には、海水の8倍以上の塩分を含む地下水が流入している。これを管理するために、9つの生産井から浅い塩水を抽出し、1つの廃棄井から最大35MPaの地表圧力でより深い場所に再注入している(Yeck et al.)連続注入は1996年から実施されている。その後の20年間に 2000年のM4.3イベントを含む5700回以上の誘発地震が観測された(図50)。震源地は処分場から 10 km 以上離れているものもあれば、25 km ほど離れているものもある。

図 50:

図50 コロラド州パラドックスバレー周辺(北西方向の凹地)。黄色の三角形:地震観測点、灰色の円:ブライン注入により誘発されたと考えられる地震。(Yeckら(2015)より)。

1986年のMW4.9のオハイオ州ペインズビル地震は、誘発された可能性があり、重要なインフラの近くで発生した(Ahmad and Smith, 1988,McGarr, 2014,Nicholson et al, 1988)。11 州とカナダの一部で感じられたこのイベントは、先カンブリア時代の基盤で発生した。エリー湖の端にあるペリー原子力発電所から 17km 以内にあり,地盤加速度は 0.23 gに達した。12km離れた 3つの井戸に1.2×106m3の農業用液体廃棄物が注入されたことが原因であるとされた。これらの注入は1976年に開始された。本震とM<2.5の余震は注入が始まってから10年後に発生し、その時には注入場所の圧力は11.8MPa上昇していた。

この一連の地震が誘発されたものかどうかについては、議論がある。計測器設置以前には、1906年、1928年、1943年、1958年に同様の地震が発生している(つまり、約20年おき)。したがって、1986年の地震は自然地震であった可能性がある。注入開始後の地震発生が長く続いたことも、この2つのプロセスが関連しているという確信を失わせる(Hitzman, 2013)。しかし、その後に発生した遅延型地震誘発とされる多くの事例から、1986年のペインズビル地震が誘発された可能性はより高いと思われる。

欧州の事例としては、27 名の死者を出した。2012年ML5.9 エミリア・ロマーニャ地震がある(Cartlidge, 2014).この地震は、Mirandola鉱区での炭化水素開発とCasaglia鉱区での地熱開発が応力変化に寄与し、この地震を誘発したと推測されている。

人々やインフラに深刻な影響を与えたため、誘発されたかどうかを調査する委員会が設置された(Styles et al.、2014)。委員会は、地震前の数週間における生産パラメータとの統計的相関を発見したが、貯水池の枯渇による応力変化は寄与していないと結論づけた。人為的な影響を排除することはできないが、一連の地震が誘発された可能性は「極めて低い」と結論づけた。

中国四川省の黄家昌ガス田では、圧入圧力と誘発地震の関係が報告されている(Lei et al., 2013)。このガス田では、圧入坑口圧力が2MPaを超えるまでは地震がほとんど発生しなかった。その後,貯留層深度付近でM>1.0の地震が5000回以上発生しており、最大はML4.4であった。

四川盆地は比較的テクトニックに安定しており、歴史的な地震はほとんどない。ガスは古生代および中生代の石灰岩・ドロマイトの背斜の浅い高孔質部分を占めている。断層は貯留層と基盤の両方を横切っている。Huangjiachangガス田は小規模で、深さ2500mのペルム紀石灰岩の亀裂、接合、カルスト化でホストされている。2007年に廃水圧入が開始された。最初の2年間は大気圧下で水が導入され、地震発生率も低かった。2009年に注入圧力を上げ、最終的に2.1〜2.9MPaまで到達すると、地震が発生するようになった。

特に、同じ四川盆地の栄昌鉱区では、廃水処理によって活発な地震活動が誘発されたと報告されている(Lei et al., 2008)。注水開始の2カ月後の1989年から最大ML5.2までの地震が32,000回記録された。最大の地震は地下のスラスト断層を再活性化させ、地震の位置から貯水層と地下の両方で破壊が起こったことが示唆された。

2009年にオクラホマ州で未曾有の地震率急増が発生した(図51(Ellsworth, 2013)。2008年から2013年にかけて、オクラホマ州はM3以上の地震が米国で最も多い州であり、サンアンドレアス断層 帯を抱えるカリフォルニア州や、 かつて米国で最も危険なプレート内地震帯とされていた ニューマドリッド地震帯をも上回った。 ニューマドリッド地震帯の1950年以降の最大イベントはM4.9である。オクラホマ州では2016年にMW5.8のポーニー地震が発生した。

図 51:

図51 .National Earthquake Information Center (NEIC)(earthquake.usgs.gov/contactus/golden/neic.php) システムに記録された 1975年から 2014年までの地震。a) M > 2.5のオクラホマ州の累積地震量 b) 地震マグニチュード。(McNamaraら(2015)より)。

オクラホマ州の断層は広範囲に存在するが、歴史的に活動したことが知られているのは1つだけである。これはMeers断層で、過去3500年間にM6.5-7の地震を発生させたと考えられている(McNamara et al.,2015)。オクラホマ州では1930年代から石油回収強化のための水注入が行われており、1952年のM ~ 5.6(エル・リノ地震)は石油・ガス採掘と関連していた可能性がある(Nicholson and Wesson, 1992)。Hough and Page(2015)は、オクラホマ州の人口が歴史的に十分に安定しており、同等の地震活動が指摘されてきたかどうかを調査した。20世紀初頭以降、人口が多く分布していることから、M≧4の地震に関する知識はほぼ完全であることが示唆された(図52)。オクラホマ州における産業誘発地震の発生は、現在、基本的に疑いの余地がない。

図 52:

図52 オクラホマ州の地震活動。左のパネル。地震発生場所:青-オクラホマ州、灰色-近隣州。中央のパネル:1880年から2014年までの累積でプロットされたマグニチュード。右図:郡別の人口。(Hough and Page (2015)より)。

他の地域と同様、オクラホマ州の炭化水素フィールドでは複数の産業プロセスが同時に進行しているため、特定の地震を誘発するものを特定することは困難である。生産に加えて、約7000の注入井があり、以下の目的で使用されている。

  • 生産されたブラインの処分(最も一般的な用途)。
  • 石油増進回収法
  • シェールの浸透性を高めるハイドロフラクチャリング
  • ハイドロフラクチャーの流体の廃棄

流体のほとんどは、先カンブリア紀の結晶質基盤の上に炭酸塩と砂岩が重なったアーバックル層(図53)に注入される。

図 53:

図53 オクラホマ州の地震と注入井戸。赤丸:2009-2014年の地震発生地点、黄丸:1974-2008年の過去の地震、黒丸:石油増進回収井、青丸:最近3年間のデータのうち、いずれかの月に3万バレル(~4800m3)以上注入した塩水処分井、箱:詳細調査対象地域。

(Walsh and Zoback (2015)より).

オクラホマ州で発生した最大かつ最も被害が大きかった地震は、2016年MW5.8のポーニー地震である。これは、枯渇した油田への廃水処理と確信的に関連する、よく研究された2011年MW5.7プラハ地震を上回った(例えば、Keranenら、2013)。プラハ地震は17の州と1000km離れたシカゴで感じられた。14軒の家屋が倒壊し、2人が負傷するなど、かなりの被害が発生した。この地震とポーニー地震は、廃水処分に関連する世界最大の地震であり、注入誘発地震の潜在的な規模や操業開始後の遅延時間について再評価されるに至った。

プラハ地域の地震活動は、2010年2月にウィルゼッタ油田で発生したMW4.1の地震で始まった。この地域は、長さ約200kmのペンシルバニア州Wilzetta断層帯の中にある(図54)。2011年は、11月にMW5.0,5.7,5.0の3 つの地震と多数の余震を含む Prague シークエンスで活動が最高潮に達した。1183回の余震の震源位置と震源メカニズムから、震源域の形状が明らかになった(図55(Keranen et al., 2013).横ずれ運動は、堆積層と基盤に交差する急傾斜面上で発生した。初期破壊面の先端は深さ1kmの活断層井戸から200m以内に位置していた。

図 54:

図54 オクラホマ州については、米国地質調査所地震情報センター(NEIC)データベース(http://earthquake.usgs.gov/contactus/golden/neic.php)の地震震源地、1974-2014年。黒線:地下断層と表層断層,黒破線:詳細調査地域,Meers断層:最近の地震活動増加以前にオクラホマ州で知られていた唯一の活断層.(McNamaraら(2015)より)。

図 55:

図55 2011年オクラホマ州プラハ連続地震周辺の地震活動、震源メカニズム、地震観測点、活断層、油田。星印:連続地震における主要な地震。B-D:最大4kmの面外から投影した地震活動を示す断面図。縦線は坑井、赤色は穿孔または開口部、緑色の帯はハントン層とシンプソン層、黄色の帯は基盤に覆われたアーバックル層。黄色の帯は基盤の上にあるアーバックル層。挿入図。オクラホマ州と地図上の位置。

(Keranenら(2013)より)。

Wilzettaゾーンでは、石油は断層に囲まれた構造トラップに含まれており、多孔質石灰岩の母体層を通る流体の移動の障壁となっている。プラハ・シークエンスが発生した場所では、1950年代から生産が続いているが、現在は減少している。1993年に稼働した3本の廃棄物処理用圧入井が近くにある(図55)。これらは深さ1.3〜2.1kmの密閉された岩盤区画に水を注入している。

1993年から 2011年の17年間で注入圧力は大気圧から上昇し 2006年には 3.6MPaに達した。地震活動は、注入された量が、断層に囲まれた区画から取り出された量を上回ったときに始まったと思われる。その結果、貯水池を囲む断層の拘束応力が低下し、断層が破壊された可能性がある。注入された総量よりも多くの応力が解放されたので、地殻応力も解放されたと思われる。ウィルゼッタ油田では、圧入とM>3の地震が続いている。

図 56は、過去 100年間のオクラホマ州の地震活動と石油生産量を示したものである。2009年から2014年の間に、同州で26のM≧4の事象が発生し、2014年だけで100以上のM≧3.5の事象が発生した。州全体の毎月の廃水注入量は1997年から倍増している(Walsh and Zoback, 2015)。地震と注入・生産量の相関は稀であり、図57は州全体と個々の調査地域の地震と流体注入量を示したものである。地震は断層と相関がなく、ほとんどの地震はオクラホマ州の最も断層が少ない部分で発生している。

図 56:

図56 .オクラホマ州の地震発生率と石油生産量(百万バレル)の比較(m3に換算するために0.159を乗じる)。棒グラフ:ある年のM≧3.5の地震数、黒星。M ≥ 4のイベント。(Hough and Page (2015)より)。

図 57:

図57 Cherokee, Perry, Jones 調査地域(図 53のボックス)における石油増進回収法、ブライン処分、不明坑からの圧入と地震(図 53のボックス)。記号は図53と同じ。各調査地域は5000km2の大きさである。(Walsh and Zoback (2015)より).

オクラホマ州で破壊される断層は、おそらく地域の応力方向に対して有利な方向に向いているものである。ほとんどの地震は深さ5〜6kmの地下で、長さ数kmから数十kmの断層で発生する。このような断層は最大でM5-6の地震を維持することができる。このような断層はM5-6の地震を最大に発生させることができる。余震の分布から、活動した区間の長さがわかる。

オクラホマの地震活動は、他の誘発地震活動との類似点と相違点の両方を示している。注入との短期的な月次相関は見られず、地震活動は注入開始後かなり経ってから急増し、プラハシーケンスの場合は17年である。この点で、石油増進回収のための注水開始後数年で誘発地震が始まったカリフォルニア州ウィルミントン油田(4.1.3 節)と類似している。しかし、注入後すぐに地震が発生したデンバー地震(4.1.1 節)とは異なる。地震は必ずしも大きな地震から始まるとは限らず、それ以前の地震が大きな地震の引き金になることもある。

オクラホマ州の地震は、炭化水素関連の操業による誘発に加えて、遠方の巨大地震によっても誘発される(「リモートトリガー」)。Van der Elstら(2013)は、2010年2月27日のMW8.8チリ・マウレ地震に続いてプラハ近郊でMW4.1が発生したことを指摘している(図58)。遠方の地震による応力変化を計算することで、断層の破壊しやすさを明らかにすることができる。

図 58:

図58 オクラホマ州プラハ周辺での地震。(A) 検出された事象。2010年のチリ・マウレ地震によるトリガーを示す。赤星:2011年11月6日のMW5.7プラハ地震。(B)検出された事象までの距離。(C) 2012年4月11日のMW8.6とMW8.2のスマトラ島沖地震に関連するイベントの累積数。(van der Elst et al. (2013)より)。

4.1.3.油回収強化のために注入される水

石油の回収は、低塩分の水や代替ガス、水粘性剤の注入、熱や化学的な方法によって、流体の粘性や貯留層の表面特性を変化させることによって促進される。これらのプロセスによって引き起こされた地震と、石油採掘によって引き起こされた地震を区別することは、両者が同時に進行している場合、簡単にはできない。例えば、それまで無震であった油田に注水が開始された直後に地震が急増した場合、時間的な関連性が説得力を持つ。

HiQuakeには、石油増進回収によって誘発されたとされる38件の地震事例が含まれている。このうち24件は米国から、残りはカナダ、中国、デンマーク、フランス、クウェート、ノルウェー、ルーマニア、ロシア、トルクメニスタンからだ。

典型的な例は、誘導地震を制御できたコロラド州レンジリー油田のものである(4.1.8 節(Raleigh et al.、1976)。地層圧が17 MPaの深さ 2 km までの井戸に水が注入された。間隙水圧を26MPa 前後で変化させることにより、地震発生率を増減させることができた。この事例により、サンアンドレアス断層系での被害地震も含めて、地震をコントロールできるのではないかと期待された。しかし、地震のフラクタル性は、いくつかの中程度の地震によって解放される応力が、1回の大きな地震の代用にはならないことがすぐに判明した。そのため、工学的な手段で地震を回避できるかもしれないという期待は、現実のものとならなかった。

石油増進回収法が原因とされる最大の地震は、1983年のコアリンガ地震(M6.2)、1985年のケトルマン・ノースドーム地震(MW6.1)、1987年のモンテベロ・フィールド(ウィッティア・ナロウ)地震(ML5.9)で、すべてカリフォルニア州で発生したものである。しかし、これらの地震の主な原因は石油採掘である可能性が高い(3.3.2 節(McGarr, 1991)。

より明確な例は、カリフォルニア州ロサンゼルス盆地のニューポート-イングルウッド断層帯で見られる。巨大なウィルミントン油田の当初の埋蔵量30億バレル(〜4億9000万m3)のうち、27億バレル(〜4億4000万m3)が除去された。初期の生産は、1933年のカリフォルニア州ロングビーチのML6.3の大地震や、1947,1949,1951,1954,1955,1961年の出来事(3.3.2節)に寄与したと考えられる(Kovach、1974)。

1954年、ウィルミントン油田で石油増進回収と大規模な地盤沈下対策のための水圧注入が始まった。1971年に注入量と相関があると思われるM3.0 までの地震が発生した。その後、生産量とほぼ同じ注入量で注入が続けられ、地震活動は継続しなかった(Nicholson and Wesson, 1992)。

洪水によって地震が発生し、大きな被害と人命が失われた事例として、ニューポート-イングルウッド断層帯に沿ってさらに20km北上したイングルウッドフィールドの事例が説得力がある。1963年、近くのボールドウィンヒルズ貯水池を含むアースダムが崩壊し、11×106m3の水が住宅地に放流された。この洪水で1000戸以上の家屋が被害を受け、5人が死亡、1200万ドルの損害が発生した。ダムの決壊は、石油増進回収のためにイングルウッド油田に水を張った結果、断層が累積的に変位したことに起因している(Castle and Yerkes, 1976,Hamilton and Meehan, 1971)。

1924年に発見されたイングルウッド油田は、断層と褶曲の地帯にある背斜を占めている。当初4億3千万バレルの埋蔵量があったが、現在では93%が枯渇している。最初の30年間は、溶存ガス(圧力減退)および周辺水力のみでの生産であった。約83×106m3の油、水、砂が採取された。圧力は1950年代までに3.9MPaから0.34MPaに低下した。油田を中心とした明確な沈下ボウルが形成された。1911年から1963年の間に最大で1.75m沈下した。水平方向の変位は 1934年から 1961年にかけて最大 0.68 m で、放射状に伸長している。Baldwin Hills 貯留層は、この沈下ボウルの端に位置していた。

1954年、石油増進回収のためのウォーターフラッド計画が始まった。このとき、変形が一気に加速した。油田の東部で急激な沈下が発生した。水平方向の変位と歪みは操業と一致しており、変形のテクトニックな起源は高い確率で否定された。

1962年に浅い地震が増え、翌年にはBaldwin Hillsダムが破裂した。断層のひとつが動いたことで、ダム下の土壌に水が流れ込み、決壊に至ったと推察される。この事例とウィルミントン油田の事例は、人口密集地の近くで大規模な炭化水素事業を行う場合のリスク、特に過去の地殻変動が判明している場合のリスクを浮き彫りにしている。

4.1.4.強化型地熱システム(EGS)

天然水が十分にない岩石から地熱を取り出すことは、1970年代にニューメキシコ州フェントンヒルや英国コーンウォールの「ホットドライロック」プロジェクトで先駆的に行われた。しかし、これらは経済的な発展にはつながらず、放棄された。21世紀に入ってから、この技術は「強化型地熱システム」(EGS)として復活した。その重要なマイルストーンとなったのが、マサチューセッツ工科大学が米国エネルギー省のために作成した「地熱エネルギ ーの将来」という報告書である(Tester et al., 2006)6)。

EGSの基本コンセプトは、高圧の流体を井戸に送り込み、高温の岩盤を水圧破砕・熱破砕して浸透性を高め、地下に熱交換器を作ることである。その後、注入井から冷水を送り込み、高温の岩盤を循環させ、破砕した岩盤に掘削した生産井から高温の水や蒸気を取り出す。

注入の目的は、浸透性の低い地層に亀裂のネットワークを形成することである。シェールガスハイドロフラクチャリングと同様に、地震はEGSプロジェクトの成功の必然的な結果である。ハイドロフラクチャリングの前に、地震計ネットワークが設置され、地震の発生場所、規模、震源メカニズムが把握できるようになっている。このような最先端のプロジェクトは、基礎地震学を発展させるものである。

注目すべきEGSプロジェクトは、以下の場所で実施されている。

ニューメキシコ州フェントンヒルの高温乾燥岩石プロジェクトは、この種のものとしては最初のものであった。1977年に深さ2.6km、温度185℃の岩盤で完成した。工事は1990年代まで続けられ、熱出力10MWを達成したが、資金不足のため終了した。

1987年にフランスの中央部ライン川上流域のSoultz-sous-Forêtsで初期の近代的なEGSプロジェクトが開始された(図59(Baischら、2010Caloら、2014)。このサイトは、約1400 mの堆積物に覆われた、高度に破砕された花崗岩に位置している。深度約5000mの圧入井3本とそれより浅い井戸数本がある。深度4000m以上では大規模な水圧刺激が行われた。2000年には、坑井GPK2が30~50l/sの流量と最大13 MPaの過圧で23,000m3の水を用いて刺激された。2003年には、坑井GPK3が同様の流量と圧力で37,000m3まで刺激された。坑井GPK4は2回、合計約22,000m3の流体で刺激された。2010年、このプロジェクトは1.5MWの送電網への供給を開始した。

図 59:

図59 . 世界地震ハザード評価プログラム(GSHAP(www.seismo.ethz.ch/static/GSHAP))の 地震ハザードマップに重ねた欧州の地熱・CO2 注入サイトの位置。カラースケールは、自然地震による地域の地震ハザードのGSHAP 指標を示し、50年間(再現期間 475年に相当)に10%の確率で超過する、硬い地盤上の重力加速度(g)のパーセントで表したピーク地盤加速度として定義されている。(Evans et al. (2012)より)。

注入は、深さ 1500-3500mの多成分、ダウンホールセンサーからなるまばらな地震ネットワークで監視された。114,000 回以上の地震が検出され、1日あたり最大 8000 回の割合で発生した(図 60)。地震活動は時間とともに圧入井から遠ざかり、最大の地震は圧入が停止した後に発生した。このような挙動は、継続的な地震活動を基に、大地震を回避するための注入戦略を調整する「トラフィックライト」システムにとって問題である。地震の規模は最終的にML2.9に達し、社会的な関心事となった。2003年の最大の地震の後、流量と注入量は減らされた。このプロジェクトは、EGS技術の商業的実施を危険にさらさないためには、誘導地震に対するより良い理解が必要であることを示した。

図 60:

図60 左上。Soultz-sous-ForêtsEGSプロジェクトにおける震源地分布の透視図。実線:坑井GPK2、GPK3、GPK4。右上:深度4900 mにおける震源密度分布の深度スライス。濃い網掛けは密度が高い領域。(Baisch et al. (2010)より)。

EGSの操業によって引き起こされた迷惑な地震の最も有名な例は、スイスのバーゼルで起こったものである。バーゼル市は、上部ライン砂州がジュラ山脈の褶曲/スラスト帯と交差する場所に位置している(図1)。バーゼルは歴史的に大きな地震に見舞われており、その中でも1356年に起きたM〜6.5の地震は、西ヨーロッパで最も大きな地震で、バーゼルの街を破壊した。バーゼルは歴史的に大きな地震の歴史を持ち、1356年にはM〜6.5の地震が発生し、都市を破壊した。

このプロジェクトの概要は、Häringら(2008)および2014年のGeothermicsの特集号(Zangら、2014a)に記載されている。このプロジェクトは、バーゼルに電力を供給するために計画された。2006年に地震探査網が設置され、Basel-1 坑井が深度 5km まで掘削された。坑井は2.4kmの堆積岩と2.6kmの花崗岩の基盤に交差している。

4629m以下の開孔部の花崗岩に、11,570m3の流体を注入して油圧刺激を行った。21日間注入する予定であった。しかし、最初の6日間で地震活動が激しくなり、深さ4.6〜5.0kmで最大ML2.6の地震が発生した。これらの事象が発生したため、事前に承認された手順に従い、注入を中止した。その5 時間後にML3.4の地震が発生し、その後 56日間でさらに3 回のM > 3の地震が発生した(図 61)。市民の不安は大きく、このプロジェクトは現在中止されている。

図 61:

図61 上図:2006年および2007年にスイスのバーゼルで発生したEGS圧入井の水圧刺激によって引き起こされた地震。震源は、発生した体積に対して計算されたb値によって色分けされている。星印:大きな地震(Zang et al.,2014bより)。下図。スイス地震局で記録された2006年12月3日~2007年11月30日の誘発地震のマグニチュードヒストグラム(Deichmann and Ernst, 2009から)。

EGSは、これまで誘発された最大の地震がMW3.7であったオーストラリアのクーパー・ベイスンにおいて広範囲に実施されている。クーパー盆地はEGSに理想的な場所である。クーパー盆地は、オーストラリアの内陸部に位置し、人口密集地から遠く離れている。1960年代から重要な石油・ガス資源が探査・開発され、地熱探査が始まった2002年から使用された産業インフラが残されている。対象となる熱源は花崗岩類で、深さ3.5kmで最高240℃の温度を持つ。これらは、活火山の近くではない経済的な掘削深度で、世界で最も高温の花崗岩類が知られている。

6本の井戸が花崗岩の深さ3629-4852mまで掘削された。4本はハバネロ油田にあり、残りの2本は9kmと18km離れたジョロキア油田とサビナ油田にある。EGSの流体注入は2003年から2012年にかけて行われた(例:Asanuma et al, 2005,Baisch et al, 2009,Baisch et al, 2006,Baisch et al, 2015,Kaieda et al, 2010)。これらは、高密度で近代的な地震ネットワークによってよく記録された2万回に及ぶ地震を誘発した。

すべての刺激は同じ花崗岩層で実施されたが、それらは多様な地震応答を誘発した(図62)。これらは、2010年と2012年に実施された2つの刺激に例証される(Baisch et al.)2010年の刺激では、深度4000m以上のJolokia井に流体が注入された。これは、非常に高い流体圧力(~120MPa)であっても、わずかな地震活動しか誘発せず、達成された注入率は、典型的なものより1~2桁低い、~1.0リットル/秒に過ぎなかった。8日間の刺激期間中に記録されたML-1.4 から 1.0の地震はわずか 73 回で、その後 6 か月でさらに139 回が記録された。最大のものは注入停止後127日目に発生したM1.6で、これも注入終了後に最大の事象が発生した例である。爆心地は数十〜数百メートル離れた注入井の周辺に密集しており、局所的な応力場のすべりに対して方向性の悪い割れ目で発生したことが示唆される。

図 62:

図62 オーストラリア、クーパー盆地におけるEGS誘発地震。上:2010年に坑井1の水圧刺激によって発生した地震の震源地であるJolokia Field。坑道と交差する既知の割れ目は黒で示されている。下:ハバネロ油田-2012年坑井4(縦線)の水圧刺激による地震の震源地。(Baisch et al. (2015)より).

2012年に行われたハバネロ4坑の刺激試験では、深さ4100-4400mに34,000m3の水を60l/s以上の流量で注入し、坑口圧力は50MPa程度であった。これにより、地元の24の観測所ネットワークで記録されたML-1.6から3.0の地震が29,000回以上誘発された。これらのデータから、21,720の位置と525の震源メカニズムが導き出された。これは、これまでに収集されたEGS誘発地震のデータセットの中で最も多量の地震であると思われる。Jolokia 1の刺激によって生じた井戸を抱くような垂直下方の割れ目とは対照的に、Habanero 4の刺激では、坑井から1.5km以上離れた、わずか数メートルの厚さの単一水平下方の断層帯が形成された。この破壊は、地域の応力場と一致していた。

このように、同じ花崗岩層を貫く異なる坑井で注入された場合、地震応答が著しく異なることが特徴である。このように、地質学的な知識が豊富な場合でも、地層の挙動を予測することは難しいのである。クーパー・ベイスン・プロジェクトは、大きな技術的進歩を達成したものの、原油価格の低迷と政府の優先事項の変さらにより、2016年にプロジェクトは廃止された。

現在、EGSの開発には課題があるが、最近になって、この産業の将来を支える多くのことが分かっていた。プロジェクトが地震を誘発することが事前に分かっているため、模範的な地震モニタリングと公衆への働きかけの方法が開発された。例えば、操業前の地震活動のベースラインを得るために、操業のかなり前に3成分のボーリング装置で構成される特注のネットワークを設置する。データは一般向けウェブサイトに配信され、アウトリーチ活動には、タウンホールミーティング、近隣コミュニティの公共建築物への地震計の設置、講演、印刷物、インターネットによる一般市民への情報配信、商業活動への地域コミュニティの関与などが含まれる。

4.1.5.地熱再圧入

開発された地熱フィールドには、圧力を維持するために水が再注入される。技術的には再生可能資源に分類される地熱フィールドだが、現実にはそうではない。自然涵養量を超える大量の高温流体が長年にわたって除去されると、資源は枯渇し、貯留層圧の低下が進み、生産量が減少する。そのため、圧力を維持するために、生産井の冷却を避けながら水を再注入する。

地熱再圧入に起因する地震活動の最も顕著な例は、カリフォルニア州のThe Geysers 油田である(図 46)。ガイザースフィールドは、カリフォルニア州のサンアンドレアス断層系の横ずれ領域にある、希少な蒸気支配の貯留層である。1860年代に開発が始まった。1922年に初めて蒸気を利用した発電が行われ、1kWの電力が生産された。1987年のピーク時には約3.5×103kgs-1の蒸気が発生し、1800MWの発電が行われた(図47)。

その後、発電量が減少したのは、わずかな再注入量では低下した蒸気圧を維持できなかったからだ。ドレンが主な再注入物であり、生産された水の量に比べ、利用できる水の量が少なかった。貯水池の圧力は静水圧であるため、大気圧で再注入することができた。つまり、ボーリング孔に注水し、重力で貯水池に排水したのである。

米国地質調査所(US Geological Survey)は、The Geysersで年間10,000回を超える地震を日常的に観測している。年間地震発生率は、現在、200-300のM2地震と1-2のM4地震である。ガイザース地震データセットは、北カリフォルニア地震データセンターのカタログに掲載されている25 万件以上の誘発地震データで、間違いなく世界で最も豊富な誘発地震データセットである(7)。

長い間、産業活動が地震を誘発することは認められていなかった。しかし、データが蓄積されるにつれて、その関連性が否定できなくなった。当初は、貯水池の収縮が地震を引き起こすと考えられていた。地表の沈下速度は最大で年5cmである(Lofgren, 1978,Mossop and Segall, 1999,Vasco et al, 2013)。

現在では、地震活動は生産よりも再圧入とよく相関していることが明らかになっている(例えば、Majer and Peterson, 2007,Stark, 1990)。この関連性は、2つの主要な水の取得と再圧入プロジェクトの最初のものが始まった1998年以来、作ることが可能である。サウスイースト・ガイザーズ・エフルエント・プロジェクト(SEGEP)は、レイク郡から46kmのパイプラインで水の再注入を開始し、最大22×106リットル/日の中水を供給している。2003年には、2番目のプロジェクトであるサンタローザガイザーズリチャージプロジェクト(SGRP)が稼働し、サンタローザから64kmのパイプラインを通じて最大41×106 l/日の水を供給している(図47(Majer and Peterson, 2007)。地震発生率の急増は、これらのプロジェクトによる水の注入量の増加と相関している。また、地震の急増は個々の圧入や圧入井と相関があり(Majer and Peterson, 2007,Stark, 1990)、例えば2004年の高温の北西部ガイザースでは(図63)、地震が発生している。

図 63:

図63 北西部のガイザース地熱地帯での注入に関連すると推測される地震。地図と東西の断面図はエイドリン地域での地震を示す。青い四角と黒い線は注入井、黄色い星は2005年10月に発生したM4イベント。(Majer and Peterson (2007)より).

修正メルカリ震度II~VIの地震による地盤の揺れは、The Geysers付近の集落で毎日感じられる。発生した最大の地震は、2014年のMW4.5イベントである。過去の地震活動、貯水池に長い断層がないこと、震源域の整列がないことに基づいて、Majerら(2007)は発生しうる最大の地震はM〜5.0と推定している。The Geysersの地震活動に関する広範なレビューはMajer and Peterson (2007)によって提供されている。彼らは、地震活動は、独立して、または一緒に働く可能性があり、地震活動を強化したり、場合によっては減少させたりする多様なプロセスのセットから生じると結論付けている。1.3節で挙げたプロセスに、岩石マトリックスの冷却による熱収縮を追加することができる。

地熱による地震活動が特に豊富な2 つ目の例は、Coso 地熱フィールドからだ。この地熱フィールドは、カリフォルニア州東部のBasin and Range地域の南西端にあり、Owens Valley断層帯南部の右放物断層に位置している(Monastero et al., 2005)。米海軍の兵器実験場内にあるため、無人であり、一般にはアクセスできない。1980年代から発電を開始し、約250MWの電力を生産している。地元の水が不足しているため、再注入しても生産量の半分程度しか補充されず、地元の水位が大きく低下している。

この地域は地殻変動が激しいが、その中でも地熱フィールドは異常な地震発生源である。5×5kmの生産フィールド内で年間数千回の位置特定可能な地震が発生しており、その大部分は誘導地震であるはずだ。これらの地震は詳細な研究に利用されている(例えばJulian et al., 2004,Julian et al., 2007,Kaven et al., 2014,Monastero et al., 2005)。ほとんどの生産と再圧入のデータは専有されているため、操業と地震性の相関関係が公表されることは稀である。

このような稀なケースの一つがJulian et al.(2007)に記載されている。2005年、既存の坑井がEGS実験に使用された。浸透性を高めて近くの生産井の生産量を増やすため、最大20 l/sの速度で井戸34-9RD2に流体が注入された。34-9RD2は注入前に再作業され、深度を上げ、既存のスロット付きライナーを非スロット付きライナーに交換した。

予期せぬ大きな循環損失帯に遭遇し、深度2672mで最大20リットル/秒の掘削泥水が失われた。こうして、計画されていたEGSプロジェクトは、瞬時に計画外の再圧入作業へと姿を変えた。地震は すぐに始まった。 米国海軍地熱プログラムオフィスが運営する常設ネットワークと臨時ステーションからなる36のデジタル3成分地震観測ステーションで取得した非常に高品質のデータセットを用いて、高解像度位置、相対位置、完全モーメントテンソルが決定された。

この群体は、坑井のすぐ隣にある既存の断層の数百メートルを引張モードで開口させた。地震による証拠から推測されるこの構造の存在は、地表の地質図とボアホールテレビューアーのログによって確認された。これは、地熱貯留層の地下の詳細な割れ目ネットワークを研究するための地震技術の可能性を示す初期の成果であった。

ヨーロッパでは、3 つの地熱発電プロジェクトがM > 3の誘発地震に関連しており、すべてイタリアである。

  • ラルデレッロ・トラヴァーレ地域(MMAX3.2)。
  • モンテ・アミアータ地熱発電所(MMAX3.5)
  • トッレ・アルフィナ地熱フィールド(MMAX3.0)。

このうち、最も注目すべきケースはトスカーナ州のラルデレッロ・トラヴァーレで、間欠泉と同様、稀に見る蒸気支配の系である。トスカーナ州は地殻変動が活発で、横ずれ-縦ずれ-横ずれの変形、高い温度勾配、最高400℃の高温が見られる。経済的に注目される地熱フィールドがいくつかある。浅い方のラルデレッロ・トラヴァーレ貯水池は三畳紀の炭酸塩岩と蒸発岩で、深い方は変成岩の基盤が破砕されたものである。

Larderello-Travale は 1904年以来ほぼ継続的に発電を行っており、長い地震活動の歴史があると考えられる。1970年代初頭には、発電所から出る冷たいコンデンセートの注入により上部貯水池の涵養が始まり、地震観測網が設置された(Batini et al., 1985,Batini et al., 1980)。

地震発生率、b値ともに変動がある。イベントのほとんどは深さ8km未満で、75%は深さ3.0-5.5kmである。報告されている最大の地震は M 3.2 で、1977年に発生した。イベントは、非せん断焦点メカニズム成分が大きく、引張破壊を示す(Kravania et al., 2000)。地震活動の長い歴史から、多くのイベントが自然地震であることが示唆されている。しかし、注入量と地震発生率の間には明確な相関がある(Batini et al., 1985,Evans et al., 2012)。

4.1.6.シェールガス・ハイドロフラクチャリング

ガスを含む頁岩層は、浸透性を高めて含有ガスを放出するためにハイドロフラクチャリング(「フラッキング」)される。これは通常、対象となる地層に浅い水平井戸を掘削することによって行われる。化学物質や固形物を含む流体が注入され、亀裂を進展させ、亀裂を開かせるように設計されている。米国では広く採用され、天然ガスのコストを大幅に削減している(図64)。この成功を受けて、他の国でもこの技術に広く関心が持たれている。しかし、人口密度の高い地域では、地下水汚染、工業化、誘発地震など、環境への影響が懸念される。

図 64:

図64 現在、シェールガスの水圧破砕が行われている米国の州。

シェールガスの水圧破砕は世界中で250万回以上行われているが、最大地震規模が報告されているのは21件のみである(Baisch and Vörös, 2011, de Pater and Baisch, 2011)。このうち、8件は米国、12件はカナダ、1件は英国である(Baisch and Vörös, 2011,de Pater and Baisch, 2011)。これは全シェールガスハイドロフラクチャリング作業の0.001%に過ぎない(7.1節)。そのうち、中程度の規模の地震はカナダのブリティッシュコロンビア州(M4.4,4.4,3.8事象)とアルバータ州(ML4.4)から報告されている(Kao et al., 2015,Schultz et al., 2015)。米国では、最大のシェールガス水圧破砕関連地震は、オクラホマ州とオハイオ州の4つのM > 3イベント(Daroldら、2014Skoumalら、2015)が報告されている。

ガス含有シェールでの水圧破砕法の基本的な目的は岩盤を砕くことなので、これらの統計は誤解を招きやすい。したがって、成功したハイドロフラクチャリングはすべて地震を誘発するが、迷惑をかけないようにすることが目的である。この目的を達成するために、米国とカナダでは、人口密度の低い地域で操業することが有効である。地震の位置は、形成された破砕網の位置と量を示すので、地震モニタリングがしばしば行われる。しかし、迷惑な地震活動が誘発されなければ、それを公に報告する理由はほとんどない。地震解析は、破砕の空間分布と様式を調査することに重点を置いており、その結果は公共の利益にはならず、専有されたままである可能性が高い。

2013年にアルバータ州クルックドレイク付近で行われた注入作業に関連した顕著な事例がある。そこでは、過去最大のシェールガス圧入に関連する地震が誘発された。対象となった地層は、デボン紀の有機物に富んだデュベマイの頁岩である。作業では、坑内重量〜60MPa、容量数千立方メートルのプロパントを多段で高圧噴射した。2013年にアルバータ州で行われた約3000件の水圧破砕作業のうち、注目すべき地震活動を伴ったのは3件(0.1%)のみで、約2年間に160件のML4.4までのイベントが観測されたと報告されている(Schultz et al.、2015)。

ローカルな地震観測点がなかったため、シーケンスに関する情報の質は限られている。遠方の観測点からのデータは高度に処理され、シェールガスの水圧破砕と空間的・時間的に密接な相関があることが示唆された(図65)。また、圧入段階、スクリーンアウト(圧入停止によるスラリー流量の減少)と地震発生量との間にも相関が見られた。スクリーンアウトと地震量の関連は他でも報告されている(Clarke et al.、2014Skoumal et al.、2015)。地震活動はCrooked Lakeでの操業を妨げている可能性がある。

図 65:

図65 カナダ・アルバータ州Crooked Lakeにおける地震と水圧破砕法の完了の比較。(a)地震発生位置のヒストグラム(赤棒)と波形相互相関(青棒)を用いて地震発生回数を増加させたもの(青棒)。ハイドロフラクチャーのスケジュールは色付きのボックスで囲み、それぞれのサブシーケンスとボアホールをラベル付けしている。(b)ハイドロフラクチャリング中の位置(赤丸)、検出(青丸)、平均注入圧(灰色バー)のマグニチュード。(c) (b)と同じで、後に掘削されたボアホールの場合。(Schultzら(2015)より)。

ブリティッシュ・コロンビア州ホーンリバー流域は、シェールガスの一大生産地である。2006年にハイドロフラクチャリングが開始され、2010年と2011年にガス生産のピークを迎えた(Farahbod et al.,2015)。ハイドロフラクチャリング以前は、地震発生率は低かった。2年間で、M1.8-2.9の地震が24回発生したのみであった。ハイドロフラクチャリングが開始されると、地震発生率は100回/年以上に増加し、ハイドロフラクチャリングと相関が見られた(図66)。また、地震モーメント、最大マグニチュード、注入量には対数的な相関が見られた(図67)。

図 66:

図66 カナダ、ブリティッシュコロンビア州、ホーンリバー流域の地図。左:ハイドロフラクチャリングが行われた日の地震発生量。右:発生しなかった日。(Farahbod et al. (2015)より)。

図 67:

図67 .カナダ、ブリティッシュコロンビア州、ホーンリバーベースン、エッツォ地域のシェールガスハイドロフラクチャー作業における地震モーメントの対数-注入量の対数。(Kao et al. (2015)より)。

Horn River Basin 全体では、注入量と地震発生との関係は注入圧力よりも密接であった。注入量の増加は地震の頻度を増加させるが、マグニチュードは増加させない。大きな地震(>1014Nm, すなわちMW~ 3.5)は、1 ヶ月あたり~ 150,000m3の 流体が注入されたときのみ発生した。 注入と地震発生との間のタイムラグは、数日から数ヶ月の範囲であった。

英国のシェールガス産業の胎動は、2011年のランカシャー州プリースホール連続地震という不幸なケースから始まった。そこでは、英国初の専用多段式シェールガス水圧破砕作業が、炭素紀のガスを含むボウランドシェールの1000m区間で実施された。2245m3の流体と117トンのプロパントが注入された後、近くでML2.3の地震が発生したと英国地質調査所から報告された。この地震は感じられ、その場所では珍しいものだった。最も近いモニタリングステーションは80km離れていた。追加の地震ステーションが迅速に配備されたが、余震は記録されなかった。このように、英国のシェールガス開発では、厄介な地震の発生が疑われるという珍しい現象が起きている。

操業は続けられたが、約6週間後、井戸から1.0kmの地点でML1.5の2回目のフェルト現象が発生した。その後、市民が騒然となり、操業は中断された。この2つの大きな地震と同じような波形を持つマグニチュード-2.0から2.3の地震が合計52回検出された。その後、政府による調査が行われ、1年半の操業停止を経て、現在に至っている。ハイドロフラクチャリングと地震活動の密接な関係から、地震が誘発されたことは疑いようがない(図68)。

図 68:

図68 .図 68:英国ランカシャー州プリースホールでのシェールガス水圧破砕に伴う圧入活動と地震活動。赤線:圧入量、青線:坑口からのフローバック量(0.159m3)、紫点:80km以上離れた地震観測点で検出された地震、緑三角:地元の2つの観測点で検出された地震、黄三角:震源メカニズムおよび信頼できる震源が得られた事象。(Clarkeら(2014)より)。

英国エネルギー気候変動省(DECC)は、英国における将来のシェールガス水力フラクチャリング事業に関連する地震リスクの軽減のためのレビューと勧告を委託した。提言には、本注入前の試験注入の監視、注入中の亀裂成長の監視、ほぼリアルタイムの地震監視、閾値ML0.5の地震発生時の注入戦略の停止または変更が含まれている(Green et al., 2012)。

記録されていない地震の場所と断層メカニズムについて、反射法地震データと組み合わせた詳細な研究により、地震はおそらく坑井の穿孔から数百メートル下の、これまで知られていなかった断層で発生したことが分かった(Clarke et al.、2014Green et al.、2012)。この断層はボーリング孔と交差していないが、フラクチャーの流体がそこに漏れた可能性があるほど近くにあった。この構造は、260Maに渡って不活性であった石炭紀の盆地逆転の末端に形成された古代の横ずれ断層である。この事例は、ほとんどの大陸地殻によく見られる長期不活動断層であっても、破壊に近い状態にあり、近くの注入によってすべりが誘発される可能性があることを示している。

4.1.7.地雷の浸水許容

鉱山から岩石を除去すると、近くの断層にかかる拘束応力が低下し、断層が破壊に近づく。また、採掘の際に同時に行われる水の汲み上げは間隙水圧を下げ、断層の強度を高め、岩石除去の効果を打ち消す。これらのプロセスは、鉱山が放棄され、揚水が停止されるまでほぼ均衡を保つ。その後、地下水の自然涵養が地震を誘発する可能性がある。

典型的なケースは、1994年に発生したペンシルバニア州カコージングバレー地震(図 69)である(Seeber et al.、1998)。地下水の涵養は、幅800mの炭酸塩採石場の下で発生したML4.4の地震に関係しており、この採石場から約4×106m3が搬出されていた。この地震により、近隣の家屋に約200万ドルの損害が発生した。採石場は1934年から1992年までの58年間に平均深度50mまで掘削されていた。採掘期間中に行われた地下水の汲み上げは採掘停止後に停止し、水位は数ヶ月で〜10m上昇した。この岩石は浸透性のカルスト炭酸塩であり、地下水の枯渇とその後の涵養は、採石場の足跡よりも広い範囲に及んだと思われる。

図 69:

図69 ペンシルベニア州カコージングバレーの採石場跡地ペンシルバニア州カコージングバレーの旧採石場跡地。赤い楕円形:旧採石場のおおよその境界線。Google Mapsによる衛星画像。

揚水停止から約5カ月後に地震活動が開始された。迅速に設置された仮設地震計が67回の余震を記録した。余震は上部2.5kmで発生し、断層面が滑ったと解釈される平面的なパターンで発生した。焦点メカニズムは、本震がスラストメカニズムであることを示唆した。地震は、岩石除去によるアンロードが滑りを促進するような垂壁ブロックで発生した。しかし、この地震は、この地域に数多く存在する既知の大断層のいずれをも作動させなかった。その代わりに、おそらくより適切な方向性を持つ、地図に載っていない一連の小さな断層で応力が解放されたのである。ML4.4本震では1〜4MPaの応力低下があったが、採掘では0.13MPaの拘束応力低下があった。

Cacoosing Valleyの地震は、その20年前にニューヨーク州Wappingers Fallsの大きな採石場の下で発生した地震と類似していたかもしれない(Pomeroyら、1976)。1974年に同地でmb3.3の地震が発生した。この地震でも、本震と余震は0.5kmという非常に浅い深さで発生した。この地震は採石場のすぐ下の逆断層で発生し、その震源メカニズムは地域の応力場と一致していた。過去 75年間に約 30 ×106m3の岩石が深さ 50 m まで露天掘りで除去された。このため、地表の応力は1.5MPa程度変化し、その下の断層の法線応力は減少した。

4.1.8.研究プロジェクト

コロラド州デンバー地震(4.1.1項)を契機に、地震はコントロールできるのではないかとの憶測が流れた。その結果、研究目的で一連の地震発生実験が行われるようになった。その結果、自然の断層帯の物性や地震発生に伴うプロセスを調べることができた。HiQuakeには、研究プロジェクトによって誘発された13の地震事例が収録されている。

このようなプロジェクトは、1969年にコロラド州のRangely 油田で初めて実施された(Raleigh et al.、1976)。この油田は、深さ約 1700mの中生代および古生代の堆積岩を占め、約 3000mの結晶質基盤に覆われている。局所的な断層はほとんどないが、回収強化のための冠水とともに地震活動が発生していた(4.1.3 節)。そのため、地震計アレイと過去の地震記録が利用可能であった。地震に近い坑井の流体圧力を実験的に循環させ、地震動への影響を調査した。その結果、地震発生と高い間隙水圧の間には密接な相関があり、最大でML3.1のイベントが誘発された(図 70)。

図 70:

図70 コロラド州、ラングレー油田での地震発生頻度と流体圧入時および流体抜出時の貯留層圧力。棒グラフ:圧入井から1km以内で発生した地震、黒線:圧入井Fee 69の圧力履歴、破線:予測される貯留層臨界圧力。(Raleighら(1976)より)。

1970年にも、松代で実験が行われた。深さ 1800mの井戸に2883m3の水を坑口圧力 1.4-5.0MPa で圧入し、断層帯の間隙水圧の上昇によって地震が誘発されるかどうかを検証したのである。数日間の注入の後、坑井から数kmの範囲で地震活動が始まった(Ohtake, 1974)。

16年間の実験中断の後、1990年に、流体誘発地震を研究するためのおそらく最もよく知られた研究実験、Kontinentales Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik Deutschland(KTB) – German Continental Deep Drilling Programが開始された。このプロジェクトは、Journal of Geophysical Researchの1997年の特別セクション(102号)を含む広範な文献に記録されている(例えば、Baisch andHarjes, 2003,Baisch et al., 2002,Bohnhoff et al., 2004,Erzinger and Stober, 2005,Fielitz and Wegler, 2015,Grasle etal.)

主ボーリング孔は1990年から1994年にかけて深さ9.1kmまで掘削された。1994年に最初の水圧刺激が脆性-延性遷移に近い深度と圧力で実施された。深度約8.8kmでML1.2までの地震が約400回誘発された(図71)。震源メカニズムはボーリング孔で測定された応力と一致した。地震活動は揚水後数時間以内に始まり、ボーリング孔から数十メートルの距離で発生した。モデリングにより、地震は1MPa未満、すなわち核生成深度における周囲の静水圧の1%未満の圧力擾乱に応答して発生したことが示唆された。

図 71:

図71 KTB(Kontinentales Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik Deutschland)ボーリング孔へのブライン注入による60時間の流量、圧力、地震発生回数。(Zoback and Harjes (1997)より).

この実験の重要な結論は、地殻の差応力は、よく発達した既存の断層の摩擦強度によって制限され(「バイアリーの法則」)、地殻は安定なプレート内領域では大深度でも脆性破壊平衡状態にあることであった。このサイトでは、近年まで水理実験が続けられている(Jahr et al.)

1997年にフィリピンで行われたプロジェクトでは、Tongonan 地熱フィールドでフィリピン断層のクリープ部分を横切る井戸に36,000m3の水を注入した。水は地表から 1308-2177 mの深さで地層に入った(Prioul et al., 2000)。数百回の地震が発生したが、すべて地熱貯留層内の断層から離れた場所であった。Prioulら (2000)は、断層にかかる地殻応力は地震によって解放され、その結果、注水によって解放される差動せん断応力はない、と結論付けている。

同年、1995年のM6.9の神戸地震で破断した直後の野島断層帯で注水実験が行われた(Tadokoro et al., 2000).この実験では、破断直後の断層面の物理的特性に関する情報を収集した。深さ 1800mのボーリング孔に258m3の水を数日かけて地表圧力 4MPa で注入し、深さ 1480~1670mの断層面に到達させた。各注入の数日後にM -2〜1の地震活動が増加した。その結果、断層帯は透水性が高く、10%以下の間隙水圧の上昇で滑る可能性があると結論された。

近年、2つの追加実験が行われ、1つ目は2013年に汶川地震断層科学掘削(WFSD)プロジェクトの一環として行われた(Ma et al.)このプロジェクトでは、断層の治癒過程を研究した。深さ430mで断層帯と交差する深さ552mの井戸に、4カ月間にわたって47,520m3の水を10-15MPaで最大1.7リットル/秒の速度で注入した。断層が活動し、坑内観測によりM〜1までの地震が2万回以上検出された。震源域は広域応力と同じ意味での破壊を示唆するものであった。

同様の現象は、Guglielmiら(2015)が炭酸塩層の不活性断層を刺激する実験において報告した。この実験では、フランス南東部の深さ518mの地下実験施設に0.95m3の水を注入し、深さ282mで垂直井戸が断層と交差している。圧力1.5MPaで地震性せん断すべりが始まり、注入点から数メートルの地点で約80回の地震が発生した。しかし、これらは断層上のすべりのごく一部を占めるに過ぎない。実験終了時の累積モーメントはMo=65×109N・m(MW1.17の地震に相当)であった。これは、地震活動によって放出されたモーメント(Mo< 2 N m)よりはるかに大きい。断層帯の変形はアセイスティック・スリップが支配的であり、地震は加圧帯の外側の岩盤で発生した。このほか、フランス・ロレーヌ地方のCerville-Buissoncourtの塩溶液鉱山(Kinscher et al., 2015,Mercerat et al., 2010)やニュージーランドのWairakei地熱フィールド(Allis et al., 1985,Davis and Frohlich, 1993)で実験が行われた。

この数十年にわたる多国籍の研究活動により、いくつかの重要な問題に答えが得られたが、それは必ずしも最初に提起されたものとは限らず、また必ずしも望ましい答えが得られるとは限らない。巨大地震で自然に解放される応力を制御された方法で緩和することは、科学的に困難である。大陸地殻は、大きな断層が知られていない大深度でも破壊に近い状態である。地震は比較的小さな応力変動で誘発されるが、対象となる断層の応力がアセイスティックに緩和されるケースもある。このような場合、その断層での運動が周囲の岩盤に二次的な地震を誘発する可能性がある。このように、流体圧入は主に地震性すべりを誘発し、地震活動はその空間的相関が不完全な二次的効果である可能性がある。また、地震が発生した場合、既存の地殻変動応力も解放されるため、人為的に断層に負荷された応力よりも多くの応力が解放されるケースが多い。しかし、フランス南東部の実験では、逆に人為的に負荷された応力の一部が地震によって解放される場合があることが示されている。

4.2.ガス

4.2.1.天然ガスの貯蔵

供給を安定させ、エネルギー安全保障を高めるために、各国は天然ガスの埋蔵量を、多くの場合、地下に貯蔵している。2015年5月時点で、欧州では268の地下ガス貯蔵施設が存在、または計画されており(図72)、米国では400を超える施設が存在する。

図 72:

図72 .欧州の地下貯蔵庫の稼動ガス容量(http://www.gasinfocus.com/en/;www.gie.eu/index.php/maps-data/gse-storage-map)。

枯渇した炭化水素貯留層、帯水層、塩の洞窟層は、地質学的によく理解されており、井戸やパイプラインなどの工学的インフラがすでに整備されている場合が多いので、明らかに貯留場所であると言えるだろう。また、消費地から近いという利点もある。

HiQuakeには、地下のガス貯蔵庫に関連して報告された7つの誘導地震事例が含まれている。

Bergermeerガス田では、2013年にクッションガスの注入に関連して、最大M0.7の地震が数回発生した。Háje貯蔵施設では、1カ月に最大15回のM1.5までの地震が報告され、そのうちのいくつかは有感地震であった。Hutubiのガス貯蔵に関連してより大きな地震が発生し 2009年から2015年の期間に最大M3.6までの地震が700回以上発生している。

ウズベキスタンのガズリガス田は、1976年と1984年に3 回発生したMS~ 7の大地震によって、地元ガズリに死傷者が出たことで有名である(3.3.1 節)。この油田がほぼ枯渇した後、貯蔵用に使用された。ガスは必要に応じて出し入れされた。Plotnikovaら(1996)は、このプロセスによって引き起こされたM5までの地震が、貯蔵されたガスの量に相関していると報告している。

最も文書化されたケースヒストリーは、2013年のスペインのカストルプロジェクトのものである。このプロジェクトは、スペイン北東部の海岸から20kmほど離れたバレンシア湾の枯渇した油田、旧アンポスタ油田を利用することを目的としていた(図73)。スペインの貯蔵需要の25%に相当する1.3×109m3の天然ガスを貯蔵する計画であった。しかし、ガス注入開始直後から地震が発生し、最大のものはMW4.3であった。2年前に南へ250km離れたロルカでMW5.1の地震が発生し、住民の感度が上がっていたこともあり、地震に対する反応はネガティブだった(3.1項)。この地震の結果、プロジェクトは中止されたと聞いている。

図 73:

図73 スペイン、イベリア半島東部の地震活動。三角形は地震観測点、赤色の四角はカストル地下ガス貯留槽の位置。W、C、EはWestern、Central、Eastern Amposta断層を示す。(Gaiteら(2016)より)。

アンポスタ油層は、白亜紀下期のドロマイト石灰岩の割れ目と角礫岩からなり、この地域にいくつか存在する油層の一つである(図74)。1973-1989年の推定総貯留量140百万バレル(22×106m3)のうち、56百万バレル(~9×106m3)を生産した。強力な天然水駆動のため、回収強化のための二次圧入は必要なかった。1989年以降、枯渇した油田は休眠状態になった。

図 74:

図74 スペイン、旧アンポスタ油田のWNW-ESE断面の模式図。TWT: 双方向移動時間、破線: カストル圧入井のおおよその位置。OOWC: 深度 1940mの元の油水接触部、黄色い部分: ガス貯留層のおおよその位置。(Gaiteら(2016)より)。

貯留層からガス貯蔵施設に転換するために必要なインフラの設置が2009年に開始され、プラットフォームとガスパイプラインが含まれた。2013年、海面下1.75km地点で、クッションガス(貯留層内の永久在庫となる予定のガス)の初期注入(25℃、圧力0.1MPa)が約108m3実施された。

注入開始 3日後に最大 M2.6の地震が発生した(図 75図 76)。注入は 12日後に停止されたが、地震は継続して発生した。最大規模のMW4.3の地震は注入を停止してから 2 週間後に発生した。合計で1000回以上の地震が検出され、M≧2の地震が420回以上検出された図76)。2016年も地震活動は継続していた(Gaite et al.,2016)。

図 75:

図75 上:旧Amposta鉱区における2013年の一連の地震で最大のイベントの断層と震源地。白い四角。Castorプラットフォーム、色のついた線:注入サイト付近の断層、赤い線:Amposta断層、青と緑の線:追加の断層(Cesca et al.2014より)。左中央と左下:マルチプレットとして関連する116の地震を示す地図と断面図;三角形:地震観測点;白い四角:注入井;緑の点:M3.0と3.2の2つの事象。中央右と右下:M>3の地震の地図と断面図;黒四角:注入井(Gaite et al.,2016より)。

図 76:

図76 スペイン・カストルプロジェクトに伴うM>2の地震動の時間推移(ガス注入開始の2013年9月2日から44日間)。上段:毎日のイベント数。中央:毎日の最大マグニチュード。下:累積地震モーメント。(Cescaら(2014)より)。

正確な震源位置の算出は、沖合にあるこのプロジェクトが限られた範囲の地震ネットワークによって監視されていたため困難であった。最も近い観測所は Castor プラットフォームから 26 km であり、ほとんどの観測所が陸上にあったため、方位角の範囲が制限されていた(Gaite et al., 2016)。その結果、震源位置の研究が異なると異なる結果が得られ、震源分布全体の向き(活性化した断層構造を示す可能性がある)や震源深さ(注入地点の近接性を示す可能性がある)でさえ、研究によって大きく異なる。震源域の方位はNWとNEの両方が報告されており、深さもガス注入深度に近いものから数km深いものまで様々である(図75)(例:Cesca et al, 2014,Gaite et al, 2016)。

震源域は圧倒的にENE-WSWのカタルーニャ-バレンシア正断層伸展域の一部を形成しており(Perea et al., 2012),本震の焦点メカニズムの研究はこの意味での滑りと適合する運動を示す(Cesca et al., 2014)。旧Amposta鉱区付近で最も重要な地震発生可能性のある特徴は、長さ51km,NE-SW方向,Fosa de Amposta断層系である(Gaite et al.,2016).このような主要な断層帯が全体的に破壊された場合、M5-7の地震が発生する可能性がある