Rise of Injection-induced Earthquake i USA

I løpet av det siste tiåret opplevde mennesker som bodde over hele USA mange flere små til middels store jordskjelv enn noen gang før. Selv om Oklahoma for eksempel ligger langt fra grensene mellom tektoniske plater, begynte seismisk aktivitet å øke der omtrent 2009 og toppet seg i løpet av 2015 og begynnelsen av 2016. Før 2009 opplevde Oklahoma typisk bare ett eller to små jordskjelv med en styrke større enn 3.0 per år. I 2015 hadde antallet økt til mer enn 900 jordskjelv årlig, hvorav 30 hadde en øyeblikkelig styrke større enn 4,0 (som er sterk nok til å forårsake ødeleggelse). Et skjelv med en styrke på 5,7 slo i nærheten av byen Praha, Okla., I 2011 på grunn av en eksisterende feil og forårsaket alvorlig skade på flere hus og skolebygninger. I løpet av de siste seks årene ble mer enn 1500 rapporter om ødeleggende ristingshendelser dokumentert i tidligere fredelige områder. Den økte seismisiteten ble sannsynligvis forårsaket av menneskelig industriell virksomhet. Rundt åtte millioner mennesker bodde i områdene med økte jordskjelv, og tjenestemenn med ansvar for offentlig sikkerhet ønsket å forstå årsakene til økningen og de potensielle truslene mot samfunnet.

Årsaker til induserte jordskjelvhendelser.

Jordforskere tok på seg utfordringen for å bedre forstå induserte jordskjelv. Vitenskapelige bevis hadde vist at noen jordskjelv var forårsaket av menneskelig industriell virksomhet, mest fra deponering ved injeksjon av salt avløpsvann ekstrahert med olje og gass i produksjonsbrønner. De fleste induserte jordskjelv antas å ha blitt generert av endringer i væsketrykk i nærheten av eksisterende dype feil. Avløpsvæskene i dype avfallsbrønner befant seg ofte mer enn en kilometer under jorden, og avløpsvann økte trykket på væsker som allerede okkuperte porerommet. Den trykkstigningen avkledd eller svekket feilen, og dermed ble det lettere for et jordskjelv å finne sted.

Denne hypotesen som forklarte årsaken til induserte jordskjelv ble validert i et Rangely, Colo.-Eksperiment fra 1969, hvor fluidtrykket i et reservoar ble hevet og senket ved pumping. Jordskjelv ble hyppigere når trykket ble hevet, slik hypotesen forutså, og sjelden når trykket ble senket. Hydraulisk brudd (fracking) - en gass- og petroleumsgjenvinningsprosess som bruker væskeinnsprøytning for å åpne sprekker i berg for å la fanget gass eller råolje strømme gjennom et rør til et brønnhode ved overflaten - ble også vist å forårsake jordskjelv og ble funnet å være den primære årsaken til induserte jordskjelv i Britisk Columbia og vestlige Alberta, samt noen steder i USA. Fracking i seg selv, var imidlertid ikke den primære årsaken til indusert jordskjelvaktivitet i Oklahoma og flere andre steder i USA, der jordskjelvene stort sett hadde resultat av injeksjon av avløpsvann. Et bemerkelsesverdig jordskjelv med væskeekstraksjon, en hendelse på 4,8, fant sted i oktober 2011 nær Fashing, Texas. Andre induserte jordskjelv ble utløst av fylling av reservoarer i Nevada og South Carolina. I de fleste tilfeller stimulerer ikke slike industrielle aktiviteter jordskjelv. Væskeinjeksjonshastigheter og volum, feilorientering, akkumulerte spenninger og bergegenskaper må alle være optimale for å indusere jordskjelv.

Forskere hadde studert feil og både naturlige og induserte jordskjelv for å bedre forstå og forutsi størrelsene og plasseringene av fremtidige induserte jordskjelv. Størrelsen eller størrelsen på jordskjelvet er relatert til området som brister på feilen. Forskere gransket poster av flere eksempler på historiske naturlige jordskjelv som hadde skjedd i løpet av de siste 300 årene i det sentrale og østlige USA, inkludert en hendelse med en styrke på 7,3 i 1886 i nærheten av Charleston, SC, og serien med støt i størrelsesorden 7,5 som slo inn 1811–12 nær New Madrid, Mo. Jordskjelv i det østlige Nord-Amerika skjedde i form av svermer av seismisk aktivitet på ukjente feil i det sentrale Virginia, øst i Tennessee, øst i Canada og New England. Mange av disse hendelsene gikk foran industrielle aktiviteter, og var derfor sannsynligvis ikke relatert til menneskelige aktiviteter. I løpet av de siste årene hadde forskere diskutert hvorvidt induserte jordskjelv kunne utløse store jordskjelv på nærliggende gamle feil der oppbygde spenninger var klare til å frigis. Jordskjelvet i Praha, Okla. 2011, svarte på dette spørsmålet ved å demonstrere at jordskjelv opp til 5,7 med en styrke kunne ødelegge på grunn av eksisterende feil. Derfor var tilstedeværelsen av gamle feil en viktig faktor i nøyaktig forutsigelse av et jordskjelvs størrelse. Størrelsen og plasseringen av feil forble imidlertid dårlig forstått mange steder i det sentrale og østlige USA, for eksempel Oklahoma, og vitenskapelig innsats var i gang av US Geological Survey, andre statlige og føderale byråer og akademiske institusjoner og i samarbeid med petroleumsindustrien for å identifisere lokasjonene til de som var potensielt mest farlige.

Arrangementet i Praha i 2011 var det største induserte jordskjelvet på rekord i USA inntil et jordskjelv på 5,8 skjedde i 2016 nær Pawnee, Oklahoma, som kan ha blitt indusert. Sterkere induserte jordskjelv ble imidlertid observert andre steder. I nærheten av Koynanagar, India, i 1967, ble det mistenkt at en ødeleggende rystelse med en styrke på 6,3 var utløst av høye vannnivåer lagret i et reservoar, og gassuttrekkaktivitet i Usbekistan var sannsynligvis årsaken til ødeleggende naturlige jordskjelv på 7,0 i 1976 og 1984. Slike data antydet at induserte jordskjelv større enn Praha var mulig. I tillegg anerkjente geologer feil og forhistoriske jordskjelvsbrudd generert av jordskjelv med en styrke på 7,0 i Oklahoma og Colorado. Studier av jordskjelv i kontinentale interiører utenfor USA viste at så store naturlige jordskjelv var mulig langt fra plategrenser. Mange forskere mente at induserte jordskjelv også kunne utløse store jordskjelv på uoppdagede gamle feil. Skulle en indusert hendelse med en styrke som er større enn 5,6 resultere, vil det imidlertid mer sannsynlig ha en styrke større enn 6,0 enn til 7,0, tilsvarende induserte jordskjelv i analoge regioner.

Øke jordskjelvfaren.

Både induserte og naturlige jordskjelv forårsaker lignende nivåer av bakken. Sammenlignet med naturlige jordskjelv er induserte jordskjelv imidlertid ofte grunnere og kan ikke riste bakken så voldsomt langt fra jordskjelvets episenter. Selv om det var observert subtile forskjeller i risting mellom de to typene, var det behov for mer forskning for å forstå de riste egenskapene.

Fremskrivninger av rystelse av bakken utført av US Geological Survey indikerte at induserte jordskjelv økte faren i Oklahoma og andre steder der industrielle prosesser påvirker belastninger i jorden, som vist i ettårs prognosen for både induserte og naturlige jordskjelv. Fareberegningen krevde informasjon om hvor og hvor ofte jordskjelv kunne oppstå, deres maksimale størrelse og sannsynlige nivåer av risting på bakken. For å predikere frekvensen av indusert jordskjelv i 2016, vurderte forskere sterkt jordskjelvfrekvensen i 2015, brukte standard seismologisk teori - med de største induserte jordskjelvene som forventes å ha en størrelsesorden under eller lik 6,0 - og benyttet en ny bakkebevegelsesmodell som ga bedre estimater for risting for grunne jordskjelv.

Resultatene avslørte at Oklahoma, Kansas, Texas, Arkansas, New Mexico og Colorado hadde større enn 1 av 100 sjanse for å riste skader i løpet av 2016, med de høyeste sjansene (omtrent 1 av 10) som forekom i deler av Nord-Oklahoma og Sør-Kansas.. De induserte jordskjelvene som er anslått av prognosen, viste seg å være ganske i stand til å forårsake ødeleggelser i det området hvis den industrielle aktiviteten fortsatte å være kraftig. På bakgrunn av disse anslagene var det få som ble overrasket da et jordskjelv på 5,1 skjedde nær Fairview, Okla., 13. februar.

Jordskjelvfrekvensen i regionen så imidlertid ut til å avta mellom 2015 og 2016. I løpet av første halvår av 2016 falt antallet jordskjelv som skjedde i nærheten av Irving og Dallas, for eksempel fra omtrent fire hendelser med en styrke på 3,0 eller større til null. Denne reduksjonen kan ha sammenheng med oljeprisen (som falt betydelig i 2015 og 2016, og dermed reduserte utvinning og avløp av avløpsvann) og reguleringshandlinger som reduserte volumet av avløpsvann som pumpes ned i dype borehull. De første dataene ga håp om at frekvensene av induserte jordskjelv fortsetter å synke i 2016; injeksjonsaktiviteter fortsatte imidlertid i områder med høye seismisitetsrater, og det var ikke kjent om lavere injeksjonsvolum ville eliminere induserte jordskjelv eller bare forsinke dem.

Mens økningen i frekvens av indusert jordskjelv var mest merkbar i USA, var det også observert induserte jordskjelv på flere steder i California, inkludert Geysers og Coso geotermiske energiområder. I tillegg viste en studie fra 2015 mindre endringer i antall jordskjelv i det sørlige California og bemerket at ytterligere indusert aktivitet kan forekomme i nærheten av steder med petroleumsekstraksjonsaktiviteter. Siden frekvensen av naturlige jordskjelv i dette området var mye høyere enn i sentrale USA, var det vanskeligere å identifisere hvilke jordskjelv som ble indusert og hvilke som var naturlige. Forskere fortsatte å undersøke induserte jordskjelv for å bedre dempe fremtidige jordskjelveffekter.