桑迪亚国家实验室 桑迪亚国家实验室地球科学家尹宏奎拿着一块断裂的3D打印岩石
红圭挤压3D打印的岩石，直到它们破裂，并倾听岩石破裂的声音，以便能够识别地震的早期迹象
信用:丽贝卡·古斯塔夫 桑迪亚国家实验室的地球科学家使用3D打印的岩石和一个先进的、大规模的过去地震的计算机模型来理解和预防由能源勘探引发的地震
非常规油气开采后向地下注水，通常被称为水力压裂、地热能刺激和二氧化碳封存，都可能引发地震
当然，能源公司尽职尽责地检查断层——容易发生地震的地壳上部的断裂——但有时地震，甚至是大规模的地震，会出乎意料地发生
Sandia地球科学家研究了来自注水的压力和应力如何通过岩石中的孔隙向下传递到断层线，包括先前隐藏的断层线
他们还用特殊设计的弱点压碎岩石，以听到不同类型的故障声音，这将有助于早期检测诱发地震
3D打印可变性提供了基本的结构信息 为了研究不同类型的断层破坏及其警告信号，山地亚地球科学家尹宏奎(Hongkyu Yoon)需要一堆岩石，每次他施加压力时，这些岩石都会以相同的方式破裂——这种压力与地下注水造成的压力没有什么不同
从同一地点采集的天然岩石可能具有非常不同的矿物取向和分层，导致不同的弱点和裂缝类型
几年前，尹开始使用添加剂制造，通常被称为3D打印，在受控条件下用石膏基矿物制造岩石，认为这些岩石会更均匀
为了打印岩石，尹和他的团队将石膏喷成薄层，形成1×3×0
5英寸矩形块和圆柱体
然而，当他研究3D打印的岩石时，尹意识到打印过程也产生了微小的结构差异，影响了岩石的断裂方式
这激起了他的兴趣，促使他研究3D打印岩石中的矿物结构如何影响它们断裂的方式
尹说:“事实证明，我们可以利用3D打印裂缝的机械和地震响应的可变性来帮助我们理解压裂的基本过程及其对岩石中流体流动的影响。”
这种流体流动和孔隙压力会引发地震
在这些实验中，尹和普渡大学的合作者用硫酸钙粉末和水制作了一种矿物墨水。普渡大学是桑迪亚与之有着密切合作关系的大学
包括普渡大学教授安东尼奥·博贝特和劳拉·皮拉克-诺尔特在内的研究人员打印了一层水合硫酸钙，厚度约为一张纸的一半，然后用水基粘合剂将下一层粘合到第一层上
粘合剂将一些硫酸钙重结晶成石膏，石膏是建筑干墙中使用的同一种矿物
研究人员打印了相同的矩形和圆柱形石膏基岩石
一些岩石有水平分布的石膏矿物层，而另一些岩石有垂直分布的矿物层
研究人员还改变了他们喷洒粘合剂的方向，以创造更多的矿物分层变化
研究小组挤压样本，直到它们破裂
该小组使用激光和x光显微镜检查了骨折表面
他们注意到断裂路径取决于矿物层的方向
尹和同事在《科学报告》杂志上发表的一篇论文中描述了这项基础研究
声音信号和机器学习对地震事件进行分类 此外，尹和他在普渡大学的合作者一起工作，在印刷样本断裂时监测它们发出的声波
这些声波是快速微裂纹的迹象
然后，该团队将声音数据与机器学习技术相结合，这是一种先进的数据分析方法，可以识别看似无关的数据中的模式，以检测微小地震事件的信号
桑迪亚国家实验室地球科学家尹洪奎和他的团队用可再现的断层对岩石进行3D打印，然后挤压它们直到它们破裂
倾听岩石破裂的声音为团队提供了他们需要的数据，以“训练”一种深度学习算法，从而比传统的地震监测系统更快、更准确地识别地震事件的信号
信用:丽贝卡·古斯塔夫 首先，Yoon和他的同事使用了一种被称为随机森林算法的机器学习技术，将微震事件分成由相同类型的微观结构引起的组，并识别微裂纹声音数据中大约25个重要特征
他们根据重要性对这些特征进行了排序
以这些重要特征为指导，他们创建了一个多层的“深度”学习算法——就像允许数字助理运行的算法——并将其应用于从现实世界事件中收集的归档数据
深度学习算法能够比传统的监测系统更快更准确地识别地震事件的信号
尹说，他们希望在五年内应用许多不同的机器学习算法，像这些和那些嵌入地球科学原理的算法，来检测与油田或气田中化石燃料活动相关的诱发地震
他说，这些算法还可以用于检测隐藏的断层，这些断层可能由于碳封存或地热能刺激而变得不稳定
“机器学习的一个优点是可扩展性，”尹说
“我们总是试图将在实验室条件下开发的某些概念应用到大规模问题上——这就是我们做实验室工作的原因
一旦我们在存档数据上证明了那些在实验室规模开发的机器学习概念，与传统方法相比，很容易将其扩展到大规模问题
" 应力通过岩石传递到深断层 一个隐藏的断层是韩国浦项地热刺激点意外地震的原因
2017年，在最后一次地热增产实验结束两个月后，一次5级地震
该地区发生5级地震，这是韩国近代史上第二强地震
地震后，地球科学家发现了一个隐藏在两口注水井之间的断层
为了了解注水产生的压力是如何传递到断层并导致地震的，山地亚的地球科学家景元昌意识到，他需要考虑的不仅仅是水压对岩石的压力
除了变形应力之外，他还需要在复杂的大规模计算模型中解释当水流过岩石本身的孔隙时，应力是如何传递到岩石上的
常和他的同事在《科学报告》杂志上发表的一篇论文中描述了这种压力转移
然而，理解变形应力和应力通过岩石孔隙的传递不足以理解和预测某些由能量勘探活动诱发的地震
不同故障的架构也需要考虑
利用他的模型，张分析了一个长6英里、宽6英里、深6英里的立方体，从2013年11月到2014年5月，在这里发生了500多次地震
地震发生在两条相交的断层上，一条在地表以下不到2英里，另一条更长更深
当浅断层更靠近污水注入点时，第一次地震沿着更长、更深的断层发生
在他的模型中，常发现注水增加了浅层断层的压力
同时，注射诱发的应力通过岩石向下传递到深断裂
由于深大断裂最初承受的压力更大，地震群就从那里开始了
他和尹在最近发表在《地球物理研究杂志:固体地球》上的一篇论文中分享了先进的计算模型和他们对阿兹勒地震的描述
“总的来说，我们需要多物理模型来耦合不同形式的应力，而不仅仅是孔隙压力和岩石变形，以了解诱发地震，并将它们与能源活动相关联，如水力刺激和废水注入，”常说
常说，他和尹正在合作，应用和扩大机器学习算法，以检测以前隐藏的断层，并识别可能预测触发地震震级的地质应力特征
在未来，常希望利用这些压力信号来绘制一张美国诱发地震的潜在危险地图
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