Undersøgelse finder, at jordskælv fortsætter i årevis efter, at injektion af spildevand fra gasfelter stopper

Bestræbelser på at stoppe menneskeskabte jordskælv ved at lukke spildevandsinjektionsbrønde, der betjener tilstødende olie- og gasfelter, kan forenkle udfordringen, ifølge en ny undersøgelse fra seismologer ved Southern Methodist University, Dallas.

Seismologerne analyserede en sekvens af jordskælv i Dallas Fort Worth International Airport og fandt ud af, at selvom spildevandsinjektion blev standset efter et år, jordskælvene fortsatte.

Rækkefølgen af ​​jordskælv begyndte i 2008, og spildevandsinjektion blev stoppet i 2009. Men jordskælv fortsatte i mindst syv år mere.

"Dette fortæller os, at højvolumen injektion, selvom det kun er for kort tid, når det er tæt på en kritisk stresset fejl, kan inducere langvarig seismicitet, " sagde SMU-seismolog Paul O. Ogwari, som udviklede en unik metode til dataanalyse, der gav undersøgelsesresultaterne.

Jordskælvene fortsætter muligvis selv nu, sagde Ogwari, hvis analyse strakte sig gennem 2015.

Undersøgelsens resultater indikerer, at nedlukning af injektionsbrønde som reaktion på jordskælv, som nogle stater som Oklahoma og Arkansas gør, måske ikke have den ønskede effekt til øjeblikkeligt at stoppe yderligere jordskælv, sagde seismolog Heather DeShon, en medforfatter på undersøgelsen og en lektor i SMU Earth Sciences Department.

"DFW jordskælvssekvensen begyndte på Halloween i 2008 - før Oklahomas seismicitetsrater var steget markant, " sagde DeShon. "Denne undersøgelse gennemgår det, der teknisk set var den allerførste moderne inducerede jordskælvssekvens i denne region og viser, at selvom spildevandsinjektoren i dette tilfælde var blevet lukket meget hurtigt, injektionsaktiviteten forstyrrede stadig fejlen, så det genererede jordskælv selv syv år senere."

Det fænomen er ikke uhørt. Seismologer så den type jordskælvsreaktion fra et udslæt af menneskeskabte jordskælv i Colorado efter spildevandsinjektion i 1960'erne ved Rocky Mountain Arsenal nær Denver. Tilsvarende i det tilfælde, injektion blev startet og stoppet, men jordskælv fortsatte.

En sådan mulighed er ikke blevet godt forstået uden for videnskabelige kredse, sagde DeShon. Hun er medlem af SMU-seismologi-teamet, der har studeret og offentliggjort omfattende deres videnskabelige resultater relateret til den usædvanlige bølge af menneskeskabte jordskælv i det nordlige Texas.

"Opfattelsen er, at hvis olie- og gasspildevandsinjektorerne fører til dette, så skal du bare lukke for injektionsbrøndene, " sagde DeShon. "Men Pauls undersøgelse viser, at der er meget at lære om processens fysik, og ved at overvåge kontinuerligt i årevis."

Ogwari, DeShon og andre SMU-seismolog Matthew J. Hornbach rapporterede resultaterne i den peer-reviewede Journal of Geophysical Research i artiklen "The Dallas-Fort Worth Airport Earthquake Sequence:Seismicity Beyond Injection Period."

Kendte DFW Lufthavnsskælv tæller mere end 400

DFW-lufthavnens hidtil usete jordskælvsklynger var de første nogensinde dokumenteret i historien om North Texas-regionens olierige geologiske system kendt som Fort Worth Basin. Skælvene er også det første af flere sekvenser i bassinet, der er knyttet til storstilet bortskaffelse af affaldsvæsker fra olie- og gasoperationer under jorden.

Jordskælvene i DFW Lufthavn begyndte i 2008, ligesom højvolumen spildevandsinjektion af saltlage. Det meste af den seismiske aktivitet fandt sted i de første to måneder efter injektionen begyndte, primært inden for 0,62 miles, eller 1 kilometer, fra brønden. Andre klynger vandrede derefter længere mod nordøst for brønden i løbet af de næste syv år. Jordskælvene blev udløst på en allerede eksisterende regional fejl, der trender 3,7 miles, eller 6 kilometer, nordøst til sydvest.

Ogwari, en post-doc forsker i SMU Roy M. Huffington Earth Sciences Department, analyserede års eksisterende seismiske data fra regionen for at tage et dybere kig på DFW-lufthavnens sekvens, som i alt udgjorde 412 jordskælv gennem 2015.

Ser man på dataene for disse jordskælv, Ogwari opdagede, at de havde fortsat i mindst syv år ind i 2015 langs 80 % af fejlen, selvom injektionen blev stoppet efter kun 11 måneder i august 2009.

Rate af jordskælv faldt, men størrelsen er aldrig blevet mindre

I et andet vigtigt fund fra undersøgelsen, Ogwari fandt ud af, at omfanget af jordskælvene i DFW Lufthavn ikke blev mindre over tid, men holdt i stedet fast. Størrelsen varierede fra 0,5 til 3,4, hvor den største fandt sted tre år efter, at injektionen ved brønden blev stoppet.

"Hvad vi har set her er, at størrelsen er konsistent over tid inden for fejlen, " Ogwari sagde. "Vi forventer at se de større begivenheder under injektion eller umiddelbart efter injektion, efterfulgt af brat henfald. Men i stedet ser vi, at fejlen fortsætter med at producere jordskælv med samme størrelsesorden, som vi så under injektionen."

Mens antallet af jordskælv faldt - der var 23 begivenheder om måneden fra 2008 til 2009, men kun 1 begivenhed om måneden efter maj 2010 - størrelsen forblev den samme. Det indikerer, at fejlen ikke heler fuldstændigt.

"Vi ved ikke hvorfor det er "Ogwari sagde. "Jeg tror, ​​det er et spørgsmål, der er derude og måske har brug for mere forskning."

Mere overvågning er nødvendig for menneskeskabte jordskælv

Ved at besvare det spørgsmål, og andre, om de komplekse karakteristika og opførsel af forkastninger og jordskælv, kræver mere omfattende overvågning, end det er muligt på nuværende tidspunkt i betragtning af de midler, der er afsat til overvågning af jordskælv.

Overvågning af fejlene involverer strategisk placerede stationer, der "lytter" og optager bølger af intens energi, der ekko gennem jorden, sagde DeShon.

Fort Worth Basin inkluderer Barnett-skiferen, en stor gasproducerende geologisk formation, på toppen af ​​den dybe Ellenberger-formation, der bruges til spildevandsopbevaring, som overlægger et kælderlag i granit. Det gamle lufthavnsfejlssystem strækker sig gennem alle enheder.

Friktion forhindrede fejlen i at glide i millioner af år, men i 2008 forstyrrede store mængder injiceret spildevand lufthavnsfejlen. Det fik fejlen til at glide, frigivelse af lagret energi i bølger. De kraftigste bølger blev "følt", mens jorden rystede.

"De detaljerede fysiske ligninger, der relaterer spildevandsprocesser til fejlprocesser, er stadig lidt af et spørgsmål, " sagde DeShon. "Men generelt er den foretrukne hypotese, at den indsprøjtede væske ændrer trykket nok til at ændre forholdet mellem den nedadgående spænding og de horisontale spændinger, som tillader fejlen at glide."?

Jordskælv i det nordlige Texas var uhørt indtil 2008, så da de begyndte at mærkes, seismologer kæmpede for at installere skærme. Da jordskælvene døde, overvågningsstationerne blev fjernet.

"Som det er nu, vi savner begyndelsen af ​​jordskælvene. Monitorerne fjernes, når jordskælvene holder op med at mærkes, " sagde DeShon. "Men denne undersøgelse fortæller os, at der er mere i det end de 'følte' jordskælv. Vi skal vide, hvordan sekvenserne starter, og også hvordan de ender. Hvis vi nogensinde kommer til at forstå, hvad der sker, vi har brug for begyndelsen, midten - og slutningen. Ikke kun i midten, efter at de mærkes."

Innovativ metode brugt til at studere jordskælvsaktivitet

Monitorer SMU-holdet installeret i DFW-lufthavnen blev fjernet, da seismisk aktivitet så ud til at være stillet i 2009.

Ogwari antog, at han kunne se på historiske data fra fjerne overvågningsstationer, der stadig er på plads, for at udtrække information og dokumentere historien om jordskælvene i DFW Lufthavn.

De fjerne stationer er en del af det amerikanske permanente netværk, der overvåges og vedligeholdes af U.S. Geological Survey. Den nærmeste er 152 miles, 245 kilometer, væk.

Jordskælvs bølgeformer, som menneskelige fingeraftryk, er unikke. Ogwari brugte de lokale stationsovervågningsdata til at træne software til at identificere DFW-jordskælv på de fjerne stationer. Ogwari tog hvert jordskælvs digitale fingeraftryk og søgte gennem mange års data, krydskorrelerende bølgeformer fra både de nære og regionale stationer og identificerede 412 DFW Lufthavns begivenheder.

"Jordskælvene er små, mindre end størrelsesorden tre, " sagde DeShon. "Så på de virkelig fjerne stationer er det som at søge efter en nål i en høstak, sigte dem fra alle de andre små jordskælv, der sker overalt i USA."

Hver vej er unik for hvert jordskælv, og seismologer registrerer hver bølges bevægelse op og ned, nord til syd, og øst til vest. Ud fra det analyserede Ogwari udviklingen af ​​seismicitet på DFW-lufthavnsfejlen over rum og tid. Han var i stand til at se på data fra de fjerne monitorer og finde seismisk aktivitet i lufthavnen så sent som i 2015.

"Jordskælv, der forekommer tæt i rummet, har normalt en højere grad af lighed, "Ogwari sagde. "Efterhånden som adskillelsesafstanden øges, falder ligheden."

For at forstå stressen på fejlen, forskerne modellerede også placeringen og tidspunktet for trykket i klippens porer, mens det injicerede vand infiltrerede.

For de forskellige jordskælvsklynger, forskerne fandt ud af, at poretrykket steg langs forkastningen med varierende hastighed, afhængigt af hvor langt klyngerne var fra injektionsbrønden, hastigheden og tidspunktet for injektion, og hydraulisk permeabilitet af fejlen.

Analysen viste poretryksændringer i forkastningen fra injektionsbrønden, hvor jordskælvene startede i 2008; på stedet for jordskælvene i maj 2010 langs forkastningen; og i den nordlige kant af seismiciteten.

Vil DFW-lufthavnsfejlen fortsætte med at glide og udløse jordskælv?

"Vi ved det ikke, " sagde Ogwari. "Vi kan ikke sige, hvor længe det vil fortsætte. SMU og TexNet, Texas Seismic Network, fortsætte med at overvåge både DFW Lufthavns fejl og andre fejl i bassinet."