science >> Wetenschap >  >> Natuur

Uit onderzoek blijkt dat aardbevingen nog jaren doorgaan nadat de injectie van afvalwater in het gasveld is gestopt

Studiegebied voor de aardbevingsreeks van DFW Airport. Gele driehoeken zijn de door de SMU bediende stations van 2008-2009. Blauwe sterretjes zijn de aardbevingen gerapporteerd door de SMU aardbevingscatalogus 2013-2016, wat wijst op aanhoudende seismische activiteit op de DFW Airport - de grenzen aangegeven door de gestippelde blauwgroene lijn. Een ononderbroken zwarte lijn is de fout van DFW Airport. Krediet:SMU

Pogingen om door de mens veroorzaakte aardbevingen te stoppen door het sluiten van afvalwaterinjectieputten die aangrenzende olie- en gasvelden bedienen, kunnen de uitdaging te eenvoudig maken, volgens een nieuwe studie van seismologen aan de Southern Methodist University, Dallas.

De seismologen analyseerden een reeks aardbevingen op Dallas Fort Worth International Airport en ontdekten dat hoewel de injectie van afvalwater na een jaar werd stopgezet, de aardbevingen gingen door.

De reeks aardbevingen begon in 2008, en de injectie van afvalwater werd in 2009 stopgezet. Maar aardbevingen hielden nog minstens zeven jaar aan.

"Dit vertelt ons dat injectie met een hoog volume, al is het maar voor even, wanneer het in de buurt van een kritieke breuk is, kan langdurige seismische activiteit veroorzaken, " zei SMU-seismoloog Paul O. Ogwari, die een unieke methode van data-analyse ontwikkelden die de onderzoeksresultaten opleverde.

De aardbevingen kunnen zelfs nu doorgaan, zei Ogwari, wiens analyse zich uitstrekte tot 2015.

De bevindingen van het onderzoek geven aan dat het stilleggen van injectieputten als reactie op aardbevingen, zoals sommige staten zoals Oklahoma en Arkansas doen, mogelijk niet het gewenste effect hebben van het onmiddellijk stoppen van verdere aardbevingen, zei seismoloog Heather DeShon, een co-auteur van de studie en een universitair hoofddocent bij de afdeling Aardwetenschappen van SMU.

"De DFW-aardbevingsreeks begon op Halloween in 2008 - voordat de seismiciteitspercentages in Oklahoma aanzienlijk waren toegenomen, " zei DeShon. "Deze studie herbekijkt wat technisch gezien de allereerste moderne geïnduceerde aardbevingssequentie in deze regio was en laat zien dat, hoewel de afvalwaterinjector in dit geval zeer snel was afgesloten, de injectieactiviteit verstoorde de fout nog steeds, dus dat veroorzaakte zelfs zeven jaar later aardbevingen."

Dat fenomeen is niet ongehoord. Seismologen zagen dat soort aardbevingsreactie van een uitbarsting van door de mens veroorzaakte aardbevingen in Colorado na afvalwaterinjectie in de jaren zestig in het Rocky Mountain Arsenal in de buurt van Denver. Zo ook in dat geval injectie werd gestart en gestopt, maar aardbevingen gingen door.

Een dergelijke mogelijkheid is buiten wetenschappelijke kringen niet goed begrepen, zei DeShon. Ze is lid van het SMU-seismologieteam dat uitgebreid heeft gestudeerd en gepubliceerd over hun wetenschappelijke bevindingen met betrekking tot de ongewone golf van door de mens veroorzaakte aardbevingen in Noord-Texas.

"De perceptie is dat als de olie- en gasafvalwaterinjectoren hiertoe leiden, dan moet je gewoon de injectieputten afsluiten, "Zei DeShon. "Maar de studie van Paul laat zien dat er veel te leren valt over de fysica van het proces, en door jarenlang continu te monitoren."

Ogwari, DeShon en collega SMU-seismoloog Matthew J. Hornbach rapporteerden de bevindingen in de peer-reviewed Tijdschrift voor Geofysisch Onderzoek in het artikel "The Dallas-Fort Worth Airport Earthquake Sequence:Seismicity Beyond Injection Period."

Bekende aardbevingen op DFW Airport meer dan 400

De ongekende aardbevingsclusters van de DFW Airport waren de eerste ooit gedocumenteerd in de geschiedenis van het olierijke geologische systeem van de regio Noord-Texas, bekend als het Fort Worth Basin. De bevingen zijn ook de eerste van meerdere reeksen in het bekken die verband houden met grootschalige ondergrondse verwijdering van afvalvloeistoffen van olie- en gasactiviteiten.

De aardbevingen op de luchthaven van DFW begonnen in 2008, evenals hoogvolume afvalwaterinjectie van pekel. De meeste seismische activiteit vond plaats in de eerste twee maanden na het begin van de injectie, voornamelijk binnen 0,62 mijl, of 1 kilometer, uit de put. Andere clusters migreerden vervolgens verder naar het noordoosten van de put in de komende zeven jaar. De bevingen werden veroorzaakt door een reeds bestaande regionale fout die 3,7 mijl loopt, of 6 kilometer, noordoost tot zuidwest.

Ogwari, een postdoctoraal onderzoeker in de SMU Roy M. Huffington Earth Sciences Department, analyseerde jaren van bestaande seismische gegevens uit de regio om de DFW Airport-reeks nader te bekijken, die tot en met 2015 in totaal 412 aardbevingen telde.

Kijkend naar de gegevens voor die aardbevingen, Ogwari ontdekte dat ze in 2015 minstens zeven jaar waren doorgegaan met 80% van de fout, ook al werd de injectie in augustus 2009 na slechts 11 maanden gestopt.

Het aantal aardbevingen nam af, maar de omvang is nooit minder geworden

In een andere belangrijke bevinding uit de studie, Ogwari ontdekte dat de omvang van de aardbevingen op DFW Airport in de loop van de tijd niet afnam, maar hield in plaats daarvan standvastig. Magnitude varieerde van 0,5 tot 3,4, waarbij de grootste zich drie jaar na de injectie in de put voordeed, werd gestopt.

"Wat we hier hebben gezien, is dat de grootte consistent is in de tijd binnen de fout, " zei Ogwari. "We verwachten de grotere gebeurtenissen tijdens de injectie of onmiddellijk na de injectie te zien, gevolgd door abrupt verval. Maar in plaats daarvan zien we dat de fout aardbevingen blijft veroorzaken met vergelijkbare magnitudes die we tijdens de injectie zagen."

Terwijl het aantal aardbevingen daalde, waren er van 2008 tot 2009 23 gebeurtenissen per maand. maar slechts één gebeurtenis per maand na mei 2010 - de omvang bleef hetzelfde. Dat geeft aan dat de fout niet volledig geneest.

"We weten niet waarom dat is, " zei Ogwari. "Ik denk dat dat een vraag is die er is en misschien meer onderzoek nodig heeft."

Kaartweergave van de SMU voorspelde een verandering van de poriedruk in de kelder op ongeveer 4,4 kilometer diepte per jaar in maart van 2009 tot 2014. Zwarte stippen zijn cumulatieve aardbevingen op het moment van de voorspelde verandering van de poriedruk. Krediet:SMU

Meer monitoring nodig voor door mensen veroorzaakte aardbevingen

Die vraag beantwoorden, en anderen, over de complexe kenmerken en het gedrag van fouten en aardbevingen, vereist meer uitgebreide monitoring dan momenteel mogelijk is gezien de middelen die zijn toegewezen om aardbevingen te monitoren.

Het bewaken van de fouten omvat strategisch geplaatste stations die "luisteren" en golven van intense energie registreren die door de grond echoën, zei DeShon.

Het Fort Worth Basin omvat de Barnett-schalie, een belangrijke gasproducerende geologische formatie, bovenop de diepe Ellenberger-formatie die wordt gebruikt voor de opslag van afvalwater, die een granieten kelderlaag bedekt. Het oude foutsysteem van de luchthaven strekt zich uit over alle eenheden.

Wrijving verhinderde miljoenen jaren dat de fout wegglipte, maar in 2008 verstoorden grote hoeveelheden geïnjecteerd afvalwater de luchthavenfout. Dat zorgde ervoor dat de fout wegglipte, het vrijgeven van opgeslagen energie in golven. De krachtigste golven werden "gevoeld" terwijl de aarde schudde.

"De gedetailleerde fysieke vergelijkingen die afvalwaterprocessen met foutprocessen in verband brengen, zijn nog steeds een beetje een vraag, " zei DeShon. "Maar over het algemeen is de favoriete hypothese dat de geïnjecteerde vloeistof de druk voldoende verandert om de verhouding van de neerwaartse spanning tot de horizontale spanningen te veranderen, waardoor de fout kan glippen."?

Aardbevingen in Noord-Texas waren tot 2008 ongehoord dus toen ze gevoeld begonnen te worden, seismologen haastten zich om monitoren te installeren. Toen de bevingen stopten, de meetstations werden verwijderd.

"Zoals het er nu voor staat, we missen het begin van de aardbevingen. De monitoren worden verwijderd wanneer de aardbevingen niet meer worden gevoeld, " zei DeShon. "Maar deze studie vertelt ons dat er meer aan de hand is dan de 'gevoelde' aardbevingen. We moeten weten hoe de reeksen beginnen, en ook hoe ze eindigen. Als we ooit gaan begrijpen wat er gebeurt, we hebben het begin nodig, het midden - en het einde. Niet alleen het midden, nadat ze zijn gevoeld."

Innovatieve methode aangeboord voor het bestuderen van aardbevingsactiviteit

Monitoren die het SMU-team op de DFW-luchthaven had geïnstalleerd, werden verwijderd toen de seismische activiteit in 2009 leek te zijn afgenomen.

Ogwari veronderstelde dat hij zou kunnen kijken naar historische gegevens van verre meetstations die nog steeds aanwezig zijn om informatie te extraheren en de geschiedenis van de aardbevingen op DFW Airport te documenteren.

De verre stations maken deel uit van het permanente netwerk van de VS dat wordt bewaakt en onderhouden door de U.S. Geological Survey. De dichtstbijzijnde is 152 mijl, 245 kilometer, weg.

Aardbeving golfvormen, zoals menselijke vingerafdrukken, zijn uniek. Ogwari gebruikte de monitoringgegevens van het lokale station om software te trainen om DFW-aardbevingen op de verre stations te identificeren. Ogwari nam de digitale vingerafdruk van elke aardbeving en doorzocht jarenlange gegevens, kruiscorrelerende golfvormen van zowel de nabije als de regionale stations en identificeerde de 412 DFW Airport-evenementen.

"De aardbevingen zijn klein, kleiner dan magnitude drie, "Zei DeShon. "Dus op de echt verre stations is het zoeken naar een speld in een hooiberg, ze onderscheiden van alle andere kleine aardbevingen die overal in de Verenigde Staten plaatsvinden."

Elk pad is uniek voor elke aardbeving, en seismologen registreren de beweging van elke golf op en neer, noord naar zuid, en van oost naar west. Van daaruit analyseerde Ogwari de evolutie van seismische activiteit op de DFW-luchthavenfout in ruimte en tijd. Hij was in staat om gegevens van verre monitoren te bekijken en seismische activiteit op de luchthaven te vinden in 2015.

"Aardbevingen die dichtbij in de ruimte plaatsvinden, hebben meestal een hogere mate van overeenkomst, ' zei Ogwari. 'Als de scheidingsafstand groter wordt, neemt de overeenkomst af.'

Om de stress op de fout te begrijpen, de onderzoekers modelleerden ook de locatie en timing van de druk in de poriën van de rots terwijl het geïnjecteerde water infiltreerde.

Voor de verschillende aardbevingsclusters de onderzoekers ontdekten dat de poriedruk langs de breuk met verschillende snelheden toenam, afhankelijk van hoe ver de clusters van de injectieput verwijderd waren, de snelheid en timing van de injectie, en hydraulische permeabiliteit van de fout.

De analyse toonde veranderingen in de poriedruk in de breuk van de injectieput waar de aardbevingen in 2008 begonnen; op de plaats van de bevingen van mei 2010 langs de breuklijn; en aan de noordelijke rand van de seismische activiteit.

Zal de DFW Airport-fout blijven slippen en aardbevingen veroorzaken?

"We weten het niet, " zei Ogwari. "We kunnen niet zeggen hoe lang het zal duren. SMU en TexNet, het Texas Seismisch Netwerk, zowel de DFW Airport-storingen als andere storingen in het Basin blijven volgen."