Wetenschappers hebben zich lange tijd verbaasd over de oorsprong van aardbevingszwermen:de plotselinge verschijning van vele kleine aardbevingen in een kleine regio. Ze verschijnen gewoonlijk vóór grote aardbevingen of vulkaanuitbarstingen, maar dit is slechts een klein deel van alle aardbevingszwermen. De meeste zwermen vinden plaats ver van vulkanen en gebieden met tektonische activiteit.

Bij het bestuderen van een aardbevingszwerm die een olie- en gasveld in Oklahoma trof, suggereren wetenschappers van ETH Zürich en de Universiteit van Texas in Austin een eenvoudige verklaring in een artikel gepubliceerd in Nature Geoscience. Zwermen worden veroorzaakt door veranderingen in de balans van grondwater en fossiel water uit diepe lagen die zijn ontstaan ​​door olie- en gaswinning.

"Zwermbrillingen zijn wereldwijd een van de meest voorkomende soorten aardbevingen, maar hun oorsprong is een echt mysterie", zegt ETH-professor Domenico Giardini. "We wilden erachter komen waarom er in de meeste gevallen niets anders achter zit dan water."

Hydrobevingen veroorzaakt door menselijke activiteit

Het meeste water dat van nature in de aardkorst aanwezig is, zit opgesloten in kleine poriën tussen minerale korrels. Wanneer rotsen echter aan zeer hoge druk worden blootgesteld, kunnen ze het geabsorbeerde water gaan lekken.

De door de wetenschappers in Oklahoma bestudeerde zwerm duurde zes maanden en kwam voor op relatief ondiepe diepten van 1,5 tot 6,5 kilometer. Zoals de wetenschappers in hun artikel laten zien, steeg tijdens deze zwerm het grondwaterpeil in het getroffen gebied met meer dan 10 meter. Tegelijkertijd nam ook de vloeistofdruk in de aardkorst toe, wat de aanleiding vormde voor een reeks aardbevingen.

De aardbevingen werden waarschijnlijk veroorzaakt toen het stijgende water geologische breukzones bereikte. Breuken zijn gebroken oppervlakken tussen rotsen, en onder normale omstandigheden worden de oppervlakken van de tegenoverliggende rots afgedicht door de druk waaraan ze worden blootgesteld. Naarmate de druk in het omringende gesteente echter toeneemt, kunnen de vloeistoffen in het breukvlak de rotsoppervlakken oplossen en verslijten, waardoor het weerstandsvermogen van de rotsen wordt verzwakt.

Uiteindelijk zorgen de krachten die op de breukvlakken inwerken ervoor dat de rotsen wegglijden, waardoor de opgebouwde energie vrijkomt in de vorm van een aardbeving. "Zwermen zijn als kleine kopieën van wat er gebeurt vóór grote tektonische aardbevingen, dus we kunnen er op veel kleinere schaal van leren", legt ETH-postdoctoraal onderzoeker Michael Goebel, hoofdauteur van het artikel, uit.

Een reeks gebeurtenissen

Bij sommige breuken vindt het verzwakkingsproces vrij snel plaats, binnen enkele maanden of zelfs uren, en de vloeistoffen zijn in staat de rotsen vrij snel uit elkaar te duwen, wat een zwerm kleine trillingen veroorzaakt. Bij andere breuken vindt de verzwakking in de loop van de jaren langzamer plaats, en de resulterende bewegingen zullen slechts een paar, maar veel grotere aardbevingen veroorzaken.

In hun onderzoek beschrijven de onderzoekers een complex samenspel tussen de veranderingen in het grondwaterpeil, die leiden tot veranderingen in de druk in het gesteente, en de eigenschappen van de breuken, die leiden tot veranderingen in de omvang van aardbevingen. "Het begrijpen van deze wisselwerking is cruciaal om het hele proces te begrijpen", zegt Giardini, die ook directeur is van de Zwitserse Seismologische Dienst (SED) van de ETH Zürich, die een netwerk van seismische meetstations door het hele land exploiteert.

Een veel voorkomend verschijnsel?

De wetenschappers bestudeerden deze specifieke zwerm in Oklahoma, maar ze vermoeden dat de onderliggende mechanismen hetzelfde zijn als andere zwermen in andere delen van de wereld. Zwermen komen vaak voor in verband met olie- en gaswinning en komen ook voor in geothermische velden en nabij dammen, waar veranderingen in het waterbudget veranderingen in de aardkorstdruk kunnen veroorzaken.

De resultaten van de onderzoekers zijn vooral relevant voor seismische monitoring voor veiligheidsdoeleinden, bijvoorbeeld de monitoring bij kerncentrales of tijdens vloeistofinjecties in de grond. Hun bevindingen helpen onschadelijke, door vloeistof aangedreven zwermen te scheiden van andere zwermen die mogelijk verband houden met vulkanische of tektonische activiteit.