中国科学院武汉岩土力学研究所在CO₂地质封存水力耦合及诱发地震评价领域取得重要突破，相关成果发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》等权威期刊。研究团队基于前期工作，创新性地构建了“两相流—储层—盖层”渗流-力学全耦合瞬态解析模型，结合基于速率-状态摩擦定律的地震震级评估新方法，建立了从地层流体运移、应力场演化到地震震级预测的全链条关联，形成了CO₂地质封存诱发地震风险预测的新框架。该成果为碳封存工程的安全评价与设计提供了重要的理论支撑与工程方法。
CO₂地质封存是实现大规模碳减排的关键技术。然而，大规模注入CO₂会改变地层应力状态，可能激活断层或诱发岩体破裂，进而诱发地震活动。因此，发展CO₂注入诱发地震风险的快速预测方法具有重要意义。目前，相关风险预测评估多依赖历史监测数据或精细数值模拟，缺乏适用于工程尺度的快速评估手段。
针对这一瓶颈问题，武汉岩土所白冰研究员带领团队采用解析建模与理论推导相结合的研究思路，旨在建立注入工艺参数、断层应力状态与地震震级概率分布之间的定量关系。研究基于CO₂羽流在咸水层中的运移规律，提出了储层孔隙超压分布的“三区域模型”，引入储层变形的孔弹效应以及盖层变形的文克尔效应，建立了两相流—储层—盖层的渗流—力学全耦合方程并推导了其流体压力与岩体应力的解析解，经过与精细化数值模拟的对比验证了其准确性。
图1 渗流—力学全耦合瞬态一维径向解析解与数值解对比
进一步，通过速率-状态摩擦定律建立了场地地震活动率与库仑应力变化之间的关联，提出了CO₂注入应力扰动范围的新估算公式，并结合随机断层分布模型与古登堡—里克特定律，实现了震级—超越概率曲线的高效计算，最终构建了一套CO₂封存诱发地震风险预测新框架。该框架兼具物理机制清晰与计算高效的双重优势，并已形成工业级风险评估程序，支持以地震安全为目标的注入工艺参数快速优化。
图2 场地内相对地震活动率分布的演化以及二氧化碳注入应力扰动范围的估算
图3 最终得到的二氧化碳注入诱发地震震级—超越概率曲线
论文第一作者为邹炎副研究员，通讯作者为白冰研究员，共同作者包括来自美国、西班牙的大学和研究机构的合作伙伴。研究获国家自然科学基金（编号：U2344226）和国家重点研发计划（编号：2022YFE0128300、2023YFB4104100）资助。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674775526000260
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0309170817305092
https://link.springer.com/article/10.1007/s11771-023-5399-0
（撰稿人：邹炎、白冰）
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