论文标题：Fault Slip Tendency Analysis for a Deep-Sea Basalt CO₂ Injection in the Cascadia Basin

原文链接：https://www.mdpi.com/2624-795X/4/2/8

期刊名：GeoHazards

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/geohazards

研究背景

随着全球气候变化问题日益严峻，碳捕集与封存(CCS)技术成为减少大气中CO₂浓度的关键策略之一。海底玄武岩因其巨大的封存潜力和CO₂矿化固存的特性，被视为理想的碳封存场所。加拿大维多利亚大学等机构的研究团队针对"固体碳"项目，计划在加拿大温哥华岛以西约200公里的卡斯卡迪亚盆地开展深海玄武岩CO₂封存示范工程。然而，CO₂注入可能引起孔隙压力变化，导致断层滑移并诱发地震活动，这对工程安全性构成潜在威胁。本文通过定量风险评估方法，研究了该区域在CO₂注入条件下的断层滑移倾向性。

研究内容

研究团队首先对卡斯卡迪亚盆地拟注入区域进行了详细的地质特征描述，建立了基准应力和压力条件模型。通过分析综合海洋钻探计划(IODP)U1301B和U1362A井的微扫描成像测井数据，确定了垂直应力梯度为1.15 psi/ft(25.97 MPa/km)，初始静水压力梯度为0.45 psi/ft(10.1 MPa/km)。研究假设最大水平主应力方向为N80°E，采用Aφ参数0.7表示正断层/走滑应力状态。基于2D单道和多道地震数据，研究团队构建了包含131条断层的数据库，这些断层均延伸至火成岩基底。断层走向与洋中脊磁条带平行，倾角范围设定为60°-78°，摩擦系数取临界值0.6。

研究采用斯坦福大学诱发与触发地震中心开发的FSP v.2.0软件进行断层滑移潜力分析，这是该工具首次应用于海洋环境。通过确定性分析发现，在静水应力场下，大多数断层不易滑移，仅部分断层需要200-1200 psi(1.38-8.27 MPa)的孔隙压力增加才会引发滑移。概率分析采用1000次蒙特卡洛模拟，考虑了垂直应力梯度、孔隙压力梯度、断层走向/倾角、摩擦系数和最大水平应力方向等参数的不确定性。结果显示，对于非临界应力状态断层，孔隙压力变化需超过3000 psi(~21 MPa)时失效概率才达到80%。针对拟议的CO₂注入方案(2.5百万吨/年，持续10年)，研究建立了水文模型，考虑玄武岩含水层厚度(100m和300m)、孔隙度(10%)和渗透率(0.322D)等参数。模拟显示，由于玄武岩含水层厚度大、渗透性好，注入引起的孔隙压力增加仅为10-30 psi(0.07-0.21 MPa)，远低于引发断层滑移的阈值压力。

研究总结

本研究首次将FSP工具应用于海洋环境下的CO₂封存安全评估，为海底玄武岩碳封存提供了重要的风险评估方法。结果表明，在卡斯卡迪亚盆地拟议的CO₂注入方案(2.5百万吨/年，持续10年)下，断层滑移潜力极低(<1%)，这主要归因于玄武岩含水层的厚度和渗透特性能够有效分散注入引起的孔隙压力。研究强调，断层走向与区域应力场的相对方位对滑移潜力具有决定性影响，该区域大多数断层走向与最大水平主应力近垂直的几何关系进一步降低了滑移风险。值得注意的是，这项研究为类似洋盆玄武岩CO₂封存项目的地震风险评估提供了参考框架，建议在实际注入过程中持续监测孔隙压力变化，确保其始终低于临界阈值。该成果不仅支持"固体碳"项目的安全实施，也为全球海底碳封存选址和风险评估提供了科学依据。

GeoHazards期刊介绍

主编：Prof. Dr. Zhong Lu, Roy M. Huffington Department of Earth Sciences, Southern Methodist University, Dallas, TX 75275, USA

Dr. Tiago Miguel Ferreira, Instituto Superior Técnico (IST), University of Lisbon, Av. Rovisco Pais, 1049-001 Lisbon, Portugal

期刊发表范围涵地球物理/地质灾害、气候及气候变化相关灾害、气象灾害、水文灾害、块体运动灾害以及人为和技术灾害等研究领域。自2020年创刊以来，被ESCI、Scopus、GeoRef等多个权威数据库收录。