Forskare har länge undrat över ursprunget till jordbävningssvärmar:det plötsliga uppkomsten av många små jordbävningar i en liten region. De uppträder vanligtvis före stora jordbävningar eller vulkanutbrott, men dessa är en liten bråkdel av alla jordbävningssvärmar. De flesta svärmar inträffar långt från vulkaner och områden med tektonisk aktivitet.
Forskare från ETH Zürich och University of Texas i Austin studerar en jordbävningssvärm som träffade ett olje- och gasfält i Oklahoma och föreslår en enkel förklaring i en artikel publicerad i Nature Geoscience. Svärmar orsakas av förändringar i balansen mellan grundvatten och fossilt vatten från djupa lager som tagits upp av olje- och gasutvinning.
"Svärmbävningar är en av de vanligaste typerna av jordbävningar i världen, men deras ursprung har varit ett riktigt mysterium", säger ETH-professor Domenico Giardini. "Vi ville ta reda på varför det i de flesta fall inte finns något mer bakom dem än vatten".
Vattenbävningar orsakade av mänsklig aktivitet
Det mesta av vattnet som finns naturligt i jordskorpan är låst i små porer mellan mineralkorn. Men när stenar utsätts för mycket högt tryck kan de börja läcka det absorberade vattnet.
Svärmen som studerades av forskarna i Oklahoma varade i sex månader och inträffade på relativt grunda djup på 1,5 till 6,5 kilometer. Som forskarna visar i sin uppsats, under denna svärm, steg grundvattennivån i den drabbade regionen med mer än 10 meter. Samtidigt ökade även vätsketrycket i jordskorpan, vilket utlöste serien av jordbävningar.
Jordbävningarna utlöstes sannolikt när det stigande vattnet nådde geologiska förkastningszoner. Förkastningar är spruckna ytor mellan bergarter och under normala förhållanden tätas ytorna på det motstående berget av det tryck de utsätts för. Men när trycket i det omgivande berget ökar kan vätskorna i förkastningsplanet lösas upp och slita ner bergytorna, vilket försvagar stenarnas motståndskraft.
Så småningom får de krafter som verkar på förkastningsplanen att stenarna glider, vilket frigör den uppbyggda energin i form av en jordbävning. "Svärmar är som små kopior av vad som händer före stora tektoniska jordbävningar, så vi kan lära av dem i mycket mindre skala", förklarar ETH postdoktoralforskare Michael Goebel, huvudförfattare till tidningen.
En kedja av händelser
För vissa förkastningar sker försvagningsprocessen ganska snabbt, inom några månader eller till och med timmar, och vätskorna kan tvinga isär stenarna ganska snabbt, vilket skapar en svärm av små skakningar. För andra förkastningar sker försvagningen långsammare över åren, och de resulterande rörelserna kommer att producera bara ett fåtal men mycket större jordbävningar.
Forskarna beskriver i sin studie ett komplext samspel mellan förändringarna i grundvattennivån som leder till tryckförändringar i berget och förkastningarnas egenskaper som leder till förändringar i storleken på jordbävningar. "Att förstå detta samspel är avgörande för att förstå hela processen", säger Giardini, som också är chef för ETH Zürichs schweiziska seismologiska tjänst (SED), som driver ett nätverk av seismiska övervakningsstationer över hela landet.
Ett vanligt fenomen?
Forskarna studerade just denna svärm i Oklahoma, men de misstänker att de underliggande mekanismerna är gemensamma för andra svärmar som händer i andra delar av världen. Svärmar förekommer ofta i samband med olje- och gasutvinning och förekommer även i geotermiska fält och nära dammar, där förändringar i vattenbudgeten kan utlösa förändringar i jordskorpans tryck.
De resultat som forskarna har erhållit är särskilt relevanta för seismisk övervakning i säkerhetssyfte, till exempel övervakningen vid kärnkraftverk eller vid vätskeinjektioner i marken. Deras resultat hjälper till att separera ofarliga vätskedrivna svärmar från andra svärmar som kan vara relaterade till vulkanisk eller tektonisk aktivitet.
