The Effect of Gas Migration From Deep Geological Formations Into Mine Workings During the Evolution of Mining-Induced Seismicity

在地球深处，地面很少处于静止状态。即使在没有人挖掘的地方，地壳也承受着巨大的压力，受到数百万年来不断积累的构造力的挤压。在许多地区，这种压力如此之大，以至于岩石已经处于即将破碎的边缘，科学家称之为“临界应力”状态。这就像一个完美平衡但只要再放一本书就可能坍塌的沉重书架。当人类开始开采煤炭时，他们移除了大量的岩石，这改变了地下的力量平衡。这种扰动创造了一种新型的压力，它可以触发岩石发生位移和断裂。虽然我们知道采矿会释放煤层中的气体，但一个新的研究方向提出了一个令人震惊的问题：采矿引起的震动和裂缝是否会深入到如此之深，以至于能从数英里深处将气体向上抽取，远远超出任何铲子或钻头的触及范围？

一个由俄罗斯和中国研究人员组成的团队提出了一个机制，用以解释为什么某些矿井会出现无法通过正在开采的煤炭来解释的突然且大规模的甲烷激增。在他们的研究中，他们指出，随着采矿作业的扩张，应力和断裂带并不止于坑底。相反，它向下推进，激活了此前处于静止状态的深层地球。他们认为，这一过程创造了一个裂缝网络，充当了一条高速公路，允许被困在深层地质构造中的甲烷向上迁移进入矿井。研究人员通过计算机模拟并结合对俄罗斯库兹巴斯地区一个大型露天矿的现实数据进行分析，测试了这一想法，发现从深层地球向上移动的气体量可能与煤层本身释放的气体量相当。

要理解这是如何发生的，首先必须了解地面对采矿的反应。当开采矿井时，位于挖掘处上方和周围的岩石减轻了重量，这是一个被称为“卸载”的过程。这种卸载创造了一个破碎岩石带，但传统模型认为该区域仅延伸数百米深。然而，研究人员指出，在许多采矿区，可以检测到由人类活动引起的地震（微小地震）发生在数公里的深度，远低于任何采矿作业进行的深度。这种深层地震表明，深层地下的岩体也在被推向这种临界破碎状态。随着矿井变得更大、更深，应力变化会进一步向下传播，将越来越深的岩层从稳定状态依次转变为临界应力状态。

当岩石达到这种临界应力状态时，它会经历一种特定的变形。它不仅仅是破裂一次然后停止，而是开始沿着地下的现有薄弱环节发生断裂和位移。这种断裂极大地增加了岩石的渗透率，即流体和气体通过它的难易程度。想象一个被紧紧压缩并锁住水分的海绵；如果你挤压它直到它破裂，水就会突然涌出。同样地，当深层岩层发生断裂时，它们会释放出被困在孔隙中亿万年的甲烷气体。研究人员提出，这种深层断裂创造了一条连续的路径，使气体能够从数公里的深度一直向上移动到地表或进入矿井隧道。

该团队使用了一个模拟矿下地壳的计算机模型测试了这一概念。他们将地下区域划分为若干层，并编写程序来模拟采矿活动的逐渐增加。随着模拟的进行，他们观察到位于深层甲烷储层正上方的岩层开始发生断裂并变得更具渗透性。最初，气体仍然被困住。但随着模拟的采矿应力触及更深的岩层，岩石的渗透率显著增加，为甲烷的逃逸创造了通道。模拟显示，一旦岩石在气体源上方变得足够破碎，大量的甲烷就开始向上流动，通过新形成的裂缝向矿井和地表移动。

为了验证这一理论在现实世界中是否成立，研究人员调查了库兹巴斯地区的巴查特露天矿，该矿点以强烈的采矿诱发地震而闻名。他们检查了记录在该矿下数十年间的地震历史。数据揭示了一个清晰的模式：这些地震事件的深度随时间推移在稳步增加。在21世纪初，地震发生在1到3公里的深度。到2013年，记录到一次深度为4公里的显著地震。到2020年，在深达6公里的地方都能检测到地震活动。这种演进表明，随着采矿作业的持续，临界应力岩层的区域确实在逐层向深处移动。

利用这些观察结果，研究人员估算了可能从这些深层区域迁移的气体量。他们计算了深达4公里岩层中的可用甲烷体积，并应用了一个系数来计算由于断裂可能释放出的气体比例。他们的计算表明，可能从这些深层水平迁移的甲烷量可达数亿立方米。这个数字非常惊人，因为它与巴查特矿点目前正在开采的煤层释放的总气体量相当。这意味着，在矿井中发现的大部分气体可能并非来自正在开采的煤炭，而是来自被采矿压力所解锁的深层地球。

该研究还涉及了这一现象更广泛的影响。如果深层气体迁移确实存在，它有助于解释为什么某些矿井会出现看似凭空出现的、突然且危险的气体峰值。它还表明，采矿相关的风险并不会随着矿井的关闭而消失。数十年的采矿活动及其相关的地震活动所造成的裂缝可能会保持开放多年，在最后一铲子离开矿坑后，继续引导着来自深处的气体。这可能会对环境和公共健康造成持续的风险，因为像甲烷和氡气这样的气体会持续渗入大气层。

研究人员承认，他们的工作是一种基于现有数据的模拟和理论框架，而非对每一个细节的确定性证明。然而，他们的计算机模型、观察到的地震深度增加以及矿井中无法解释的气体异常之间的吻合，提供了一个引人注目的新视角。它挑战了传统的观点，即矿井气体仅来自挖掘处附近。相反，它描绘了一个动态的地球景象：人类活动可以触发深层地下的连锁反应，将行星自身的深层储层变成一个通过我们制造的裂缝向上流动的气源。这种理解对于在一些全球最活跃的采矿地区制定更好的安全措施和预测气体行为至关重要。