Reduktion af menneskeskabt jordskælvsrisiko

Forskere ved EPFL og det schweiziske føderale energikontor har udtænkt strategier til at reducere jordskælvsrisikoen forbundet med geotermisk energi, CO ₂ opbevaring og andre menneskelige aktiviteter, der foregår dybt under jorden.

Selvom de fleste jordskælv kan tilskrives naturlige årsager, nogle udløses – direkte eller indirekte – af menneskelig aktivitet. Disse mindre rystelser, kendt som "induceret seismicitet, "er en af ​​de største udfordringer forbundet med dyb geotermisk energi, CO ₂ opbevaring, og andre aktiviteter, der involverer indsprøjtning af gasser og væsker dybt under jorden.

Forskere ved EPFL's Laboratory of Soil Mechanics (LMS) og Swiss Federal Office of Energy (SFOE) har udtænkt nye strategier til at reducere risikoen for menneskeskabt jordskælv. Deres resultater er blevet offentliggjort i Geophysical Journal International .

Specialtræning af dybe geotermiske reservoirer

Dybe geotermiske systemer giver en bæredygtig, vedvarende, CO2-neutral energikilde og er i overensstemmelse med den schweiziske regerings energistrategi for 2050 og dens løfte om at blive CO2-neutral. Men teknologien, der bruges i Schweiz, kendt som Enhanced Geothermal Stimulation (EGS), har mødt tilbageslag efter at have udløst jordskælv i Basel i 2006 og i St. Gallen i 2013.

EGS involverer en proces kaldet hydraulisk indsprøjtning, hvor væske under tryk sprøjtes ind i varmt, tør, uigennemtrængelig sten - omkring 3 km eller mere under jordens overflade - for at skabe et kunstigt geotermisk reservoir. Problemet er, at denne proces kan forårsage mikroseismicitet, eller mindre rystelser og jordskælv.

Da vandet injiceres under jorden og fylder klippegrundlaget, det interstitielle poretryk stiger. "Der er en almindelig tro på, at dette er den eneste årsag til induceret seismicitet, " siger Barnaby Fryer, en ph.d.-assistent ved LMS og papirets hovedforfatter. "Men det er ikke så ligetil. Tektonisk stress, eller fejlgeometri og bevægelse, spiller også ind."

En delikat balancegang

Fejl er forårsaget af lodrette og vandrette kræfter, der virker på dele af jordskorpen. De falder i en af ​​tre kategorier:normale eller forlængende fejl (hvor de to sektioner trækker fra hinanden), reverserings- eller kompressionsfejl (hvor de to sektioner skubber mod hinanden), og strejke-slip-fejl (hvor de to sektioner bevæger sig vandret).

Det fælles EPFL- og SFOE-team tog udgangspunkt i, at fejl er mere stabile - og sandsynligheden for et jordskælv derfor reduceret - når den differentielle spænding (dvs. forskellen mellem maksimum- og minimumsspændingerne) er lavere. "Den observation rejste et åbenlyst spørgsmål, " siger Gunter Siddiqi, vice-sektionsleder for energiforskning ved SFOE og avisens anden forfatter. "Hvilken type fejl har vi at gøre med, og hvad kan vi gøre for at begrænse større jordskælv og rystelser?"

Forskerne kom på ideen om at "træne" reservoiret, før stimulationsprocessen begynder. I tilfælde af en omvendt fejl, som involverer høje vandrette spændinger, kold væske injiceres under jorden over en periode på mindst 12 måneder. "Når reservoiret afkøles, klippen kontrakter, " forklarer Fryer. "Dette sænker de vandrette kræfter, der virker på den, derved reducerer differentiel stress og gør jordskælv mindre sandsynlige."

Skruer op for trykket

I modsætning til hvad folk tror, indsprøjtning af højtryksvæsker i jordskorpen forårsager ikke altid jordskælv. "I næsten alle reservoirer, det er kun de vandrette spændinger, der ændrer sig væsentligt, " siger Fryer. "Med en normal fejl, lodrette spændinger er meget større end vandrette spændinger. Når du sprøjter en væske ind i klippen, det interstitielle tryk stiger. Det her, på tur, øger de vandrette spændinger og lukker afstanden mellem de vandrette og lodrette værdier."

Med andre ord, indsprøjtning af væsker på denne måde kan faktisk stabilisere fejlen, forudsat at spændingerne inde i reservoiret reagerer nok på ændringer i interstitielt tryk. "Det er derfor, det er så vigtigt at forstå egenskaberne af et reservoir, før du begynder at injicere, " tilføjer Fryer.

Lovende ansøgninger

Denne forskning giver vigtig indsigt for industrien, potentielt hjælpe virksomheder med at udtænke måder at reducere sandsynligheden for induceret seismicitet. "At forstå alle mulige scenarier og handle i overensstemmelse hermed kan bane vejen for nogle lovende applikationer fra den virkelige verden, " siger Siddiqi.