工業(yè)活動(dòng)誘發(fā)地震的研究熱點(diǎn)與趨勢(shì)
——基于Citespace的可視化分析

張 瀾，王明明，周文英

(四川省地震局，成都 61004)

0 引言

近年來(lái)，工業(yè)活動(dòng)引起的地震活動(dòng)已成為公眾感興趣的一個(gè)重要話題。工業(yè)活動(dòng)誘發(fā)地震是指人類活動(dòng)中的某些行為，例如采礦、油氣開采、地下廢液處理、頁(yè)巖氣生產(chǎn)等，可能會(huì)對(duì)地下構(gòu)造和地質(zhì)斷層施加應(yīng)力，從而導(dǎo)致地震的產(chǎn)生。在許多情況下，地震發(fā)生在進(jìn)行地下作業(yè)的工業(yè)設(shè)施附近，人們能感覺到對(duì)建筑造成的破壞，增加了公眾對(duì)這些工業(yè)活動(dòng)發(fā)展的關(guān)注[1]。在增強(qiáng)性地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）、非常規(guī)油氣開發(fā)、二氧化碳和其他廢液的地質(zhì)封存、深井鹽礦開采等工業(yè)活動(dòng)中，高壓流體被壓入地下，勢(shì)必引起深部流體壓力增加，巖石溫度變化和地層變形，并有可能導(dǎo)致已存斷層活化。一些研究表明，長(zhǎng)期和集中的工業(yè)活動(dòng)可能會(huì)使地震風(fēng)險(xiǎn)增加[2]。近些年來(lái)，與此有關(guān)的誘發(fā)地震活動(dòng)在全球多個(gè)地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，引起了越來(lái)越多的關(guān)注。

近十年來(lái)，川東南小震活動(dòng)呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，5級(jí)地震活動(dòng)頻發(fā)，長(zhǎng)寧6.0級(jí)地震和瀘縣6.0級(jí)地突破了川東南地區(qū)歷史震級(jí)水平，此類現(xiàn)象極為罕見[3]。川南地區(qū)工業(yè)開采活動(dòng)包含：頁(yè)巖氣壓裂、天然氣田的廢水回注、深水井鹽開采等。工業(yè)開采活動(dòng)在川南地區(qū)廣泛開展，地震的發(fā)生好像與工業(yè)開采活動(dòng)有著某種時(shí)空的相關(guān)性。

隨著一系列科學(xué)研究的開展，針對(duì)川南地區(qū)中強(qiáng)地震活動(dòng)的發(fā)震機(jī)理有兩種觀點(diǎn)。一種是該地區(qū)具有發(fā)生6.5 級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造能力，川南地區(qū)近年來(lái)的地震活動(dòng)并沒有超出背景地震范疇，應(yīng)該為天然地震[3]。另外一種觀點(diǎn)認(rèn)為川南地區(qū)近年來(lái)中強(qiáng)地震的發(fā)生與該地區(qū)工業(yè)活動(dòng)尤其是頁(yè)巖氣開采有關(guān)[2]。針對(duì)這種研究上的學(xué)術(shù)爭(zhēng)議，開展工業(yè)開采活動(dòng)誘發(fā)地震文獻(xiàn)分析為我們認(rèn)識(shí)川南地區(qū)地震發(fā)生的機(jī)理、相關(guān)部門做好科普宣傳工作提供參考。

1 分析工具與數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用的分析工具為Citespace 軟件，該軟件是一款著眼于分析科學(xué)文獻(xiàn)中蘊(yùn)含的潛在知識(shí)，并在科學(xué)計(jì)量學(xué)、數(shù)據(jù)和信息可視化背景下逐漸發(fā)展起來(lái)的一款多元、分時(shí)、動(dòng)態(tài)的引文可視化分析軟件。該軟件可以將行業(yè)文獻(xiàn)進(jìn)行定量化、可視化分析，既可以分析行業(yè)最新研究動(dòng)態(tài)、研究趨勢(shì)變化，也可以獲得研究對(duì)象和研究學(xué)者分布等信息。

本文使用Web of Science 核心合集中Science Citation Index Expanded（SCI-EXPANDED）和Conference Proceedings Citation Index-Science（CPCI-S）數(shù)據(jù)庫(kù)，文獻(xiàn)類型選擇Article 進(jìn)行高級(jí)檢索（訪問時(shí)間：2023-04-10），設(shè)置檢索式：

TI=（（earthquake OR induced seismicity OR triggered earthquake）AND（hydraulic fracturing OR wastewater injection OR oil OR natural gas OR shale gas OR salt mine））OR AK=（（earthquake OR induced seismicity OR triggered earthquake）AND（hydraulic fracturing OR wastewater injection OR oil OR natural gas OR shale gas OR salt mine）），出版日期設(shè)置為：2000-01-01至2022-12-31，共檢索到論文294篇。

2 研究基本情況

2.1 發(fā)文量分析

發(fā)表論文數(shù)量的變化趨勢(shì)，反映了發(fā)表論文數(shù)量與時(shí)間變化的關(guān)系，它是衡量學(xué)者對(duì)某一研究領(lǐng)域關(guān)注程度的重要指標(biāo)，這也反映了該領(lǐng)域研究的總體進(jìn)展[4]。如圖1 顯示2000—2022 年工業(yè)活動(dòng)誘發(fā)地震相關(guān)論文的年度發(fā)文量變化，共發(fā)表論文294 篇，年均發(fā)表13.36 篇。2001 年發(fā)文量5 篇，2022 年發(fā)文量36 篇，2021 年發(fā)文量達(dá)到最高峰達(dá)44 篇，2014 年開始發(fā)文量超過(guò)10 篇?？傮w來(lái)看，發(fā)文量呈緩慢波動(dòng)上升趨勢(shì)。

表1 發(fā)文量排名前10的國(guó)家Table 1 Top 10 countries in the number of publications

圖1 2000—2022年度發(fā)文量Fig.1 Annual publication volume from 2000 to 2022

2.2 國(guó)家分布

本文用Citespace 軟件繪制出工業(yè)活動(dòng)誘發(fā)地震論文的國(guó)家共現(xiàn)知識(shí)圖譜如圖2，并提取發(fā)文量前十的國(guó)家如表1。在圖2 中，節(jié)點(diǎn)的大小表示一個(gè)國(guó)家或地區(qū)發(fā)表論文的數(shù)量，線的數(shù)量表示國(guó)家或地區(qū)之間合作互動(dòng)的數(shù)量，節(jié)點(diǎn)和線的顏色表示時(shí)間的長(zhǎng)度，從淺黃色到深紅色的顏色過(guò)渡表示2000 年到2022 年的時(shí)間跨度[4]。Citespace 軟件中，中介中心性是測(cè)度節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中位置重要性的一個(gè)指標(biāo)，并用紫色圈對(duì)該類文獻(xiàn)（中介中心性不小于0.1）進(jìn)行重點(diǎn)標(biāo)注。具有高度中介中心性的文獻(xiàn)可能是連接兩個(gè)不同領(lǐng)域的關(guān)鍵樞紐，中介中心性越高，節(jié)點(diǎn)的重要性也越大[5]。

圖2 發(fā)表論文所屬國(guó)家共現(xiàn)知識(shí)圖譜Fig.2 Co-occurrence knowledge map of countries with published papers

如圖2 所示，工業(yè)活動(dòng)誘發(fā)地震論文主要來(lái)自美國(guó)、中國(guó)、加拿大、英國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家，并且國(guó)家之間也有相互合作。其中美國(guó)以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)處于該領(lǐng)域研究的第一集團(tuán)，共發(fā)表論文110篇，占國(guó)際論文總量的26.7%；中國(guó)和加拿大則組成第二集團(tuán)，分別發(fā)表論文66 篇、60 篇；英國(guó)、德國(guó)、日本、意大利等國(guó)組成第三集團(tuán)。如表1所示，中介中心性排名前五的國(guó)家分別是美國(guó)（0.66）、德國(guó)（0.3）、英國(guó)（0.15）、俄羅斯（0.08）、意大利（0.05）。在發(fā)表數(shù)量和中心性方面，美國(guó)在工業(yè)活動(dòng)誘發(fā)地震方面的研究成果突出，且與其他國(guó)家或地區(qū)積極參與合作，遠(yuǎn)超其他國(guó)家。雖然德國(guó)的發(fā)文量排名第五，但其論文具有很高的研究影響力。中國(guó)在WOS 數(shù)據(jù)庫(kù)中的論文數(shù)量排名第二，但中心性較低（0.04），研究伙伴較少，中國(guó)的國(guó)際學(xué)術(shù)影響力有待提高，相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)際合作有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

2.3 研究機(jī)構(gòu)分布

研究機(jī)構(gòu)作為研究人員進(jìn)行科研工作的平臺(tái)，用CiteSpace 軟件對(duì)其進(jìn)行分析可以量化分析其影響力，也可以可視化地展示機(jī)構(gòu)間的合作程度[6]。通過(guò)對(duì)發(fā)文機(jī)構(gòu)的分析，得出了排名前15 的主要科研機(jī)構(gòu)的表格（表2）和機(jī)構(gòu)合作時(shí)區(qū)圖（圖3）。對(duì)比各機(jī)構(gòu)發(fā)表的論文數(shù)量，我們發(fā)現(xiàn)來(lái)自美國(guó)內(nèi)政部的論文數(shù)量最多，共發(fā)表論文20 篇。前15所科研機(jī)構(gòu)美國(guó)獨(dú)占6所，加拿大5所，德國(guó)2所，中國(guó)、英國(guó)各1所。但其中介中心性只有美國(guó)內(nèi)政部大于0.1，說(shuō)明機(jī)構(gòu)間缺乏合作，大多為獨(dú)立研究。從圖3 可以看出，在發(fā)文量8 篇以上的機(jī)構(gòu)中：斯坦福大學(xué)于2002 年最早開始發(fā)表相關(guān)研究論文，中國(guó)地震局于2012 年開始發(fā)表相關(guān)研究論文，但我國(guó)國(guó)內(nèi)的期刊上早就有相關(guān)論文的發(fā)表[7]。

表2 發(fā)文量排名前15的研究機(jī)構(gòu)Table 2 Top 15 research institutions in the number of publications

圖3 發(fā)表論文所屬研究機(jī)構(gòu)合作時(shí)區(qū)圖Fig.3 Collaboration time zone map of research institutions with published papers

3 研究主題分析

關(guān)鍵詞是高度精煉的論文的主題和內(nèi)容。綜合分析論文中的關(guān)鍵詞可知，共現(xiàn)頻率越高，涉及的相關(guān)主題和內(nèi)容越多。因此，關(guān)鍵詞可以用來(lái)確定研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題[8]。在關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖普中，首先，圓點(diǎn)代表關(guān)鍵詞，節(jié)點(diǎn)越大，說(shuō)明改關(guān)鍵詞在該領(lǐng)域出現(xiàn)的頻次越高，其研究熱度也越高。節(jié)點(diǎn)之間的連線則表示共線關(guān)系，其粗細(xì)表明共線的強(qiáng)度，顏色則對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)第一次出現(xiàn)的時(shí)間，從淺到深變化表示時(shí)間從早期到近期的變化。從圖4 和表3 可知，“地震”、“誘發(fā)地震”、“水力壓力”、“廢水回注”做為檢索詞出現(xiàn)在前10關(guān)鍵詞中，“應(yīng)力”、“流體注入”、“水庫(kù)”、“俄克拉荷馬”、“地震序列”、“盆地”、“克魯徳湖”等關(guān)鍵詞的頻次也位居前列。

表3 頻次前20 位關(guān)鍵詞Table 3 Top 20 keywords in frequency

圖4 關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖Fig.4 The co-occurrence map of keywords

作為文獻(xiàn)內(nèi)容挖掘的重要工具，“突現(xiàn)詞”是指在某一時(shí)期使用頻次驟增的關(guān)鍵詞，表示這個(gè)關(guān)鍵詞在該時(shí)間段受到研究人員的高度重視。突現(xiàn)分析（Citation Burst）用來(lái)探測(cè)某個(gè)領(lǐng)域中突現(xiàn)的動(dòng)態(tài)概念和潛在研究問題，適于檢驗(yàn)學(xué)科發(fā)展的新興趨勢(shì)和驟然變化，反映活躍或前沿的研究節(jié)點(diǎn)。本研究通過(guò)CiteSpace 軟件進(jìn)行關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析，繪制2000～2022 年出現(xiàn)的23 個(gè)突現(xiàn)詞（圖5）。其中，Strength 表示突現(xiàn)強(qiáng)度，Begin表示突現(xiàn)性開始年份，End 表示突現(xiàn)性終止年份。從圖5 中可知從2019 年開始的突現(xiàn)關(guān)鍵詞：“斷層”、“頁(yè)巖”、“反演”、“?？怂箍死锟恕?、“滑動(dòng)”、“巖石”、“空隙壓力”、“四川盆地”。其中四川盆地和福克斯克里克都有大規(guī)模的頁(yè)巖氣開采活動(dòng)并都伴隨著地震的發(fā)生[9-10]，也反映出“頁(yè)巖氣開采誘發(fā)地震相關(guān)研究”是當(dāng)前工業(yè)活動(dòng)誘發(fā)地震研究的熱點(diǎn)前沿。

圖5 排名前17位的關(guān)鍵詞突變圖Fig.5 Top 17 keywords with the strongest citation bursts

4 結(jié)論

（1）2000 年至今，工業(yè)活動(dòng)誘發(fā)地震相關(guān)的論文共計(jì)293 篇。2014 年開始發(fā)文量超過(guò)10 篇，其中2021年發(fā)表論文44篇。

（2）美國(guó)在工業(yè)活動(dòng)誘發(fā)地震研究中處于核心地位，論文總產(chǎn)出量位于世界第一，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)眾多，中國(guó)發(fā)文量位居世界第二，但起步較晚，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)較少。論文研究國(guó)家、研究機(jī)構(gòu)的分布與頁(yè)巖氣開采地區(qū)有著直接的關(guān)系。

（3）當(dāng)前工業(yè)活動(dòng)誘發(fā)地震研究的熱點(diǎn)與頁(yè)巖氣開采相關(guān)，研究熱點(diǎn)地區(qū)分別是中國(guó)四川盆地和加拿大?？怂箍死锟?，這些也與中國(guó)、加拿大頁(yè)巖氣大規(guī)模開采活動(dòng)有關(guān)。