När oron ökar för jordbävningar orsakade av mänsklig aktivitet som oljeprospektering, geologer vid University of Kansas rapporterar en ny förståelse om de senaste jordbävningarna i Kansas och Oklahoma. Detta genombrott kan en dag leda till en metod för att förutsäga var inducerade jordbävningar kan uppstå och kan hjälpa energiindustrin och tillsynsmyndigheterna att bestämma var de kan placera brunnar på ett säkert sätt.

I en tidning publicerad online idag i Vetenskapens framsteg , K. Alex Nolte, doktorand vid institutionen för geologi; George Tsoflias, docent vid institutionen; Tandis Bidgoli, biträdande forskare vid Kansas Geological Survey, och Lynn Watney, senior forskare vid KGS, rapporterar att de kunde använda en rad sensorer i Wellingtons oljefält i södra centrala Kansas för att upptäcka signaler om lokala jordbävningar som pekar på en ökning av vätsketrycket i särskilda områden av underytan. Möjligheten att direkt upptäcka jordbävningsframkallande tryck kan göra det möjligt för geologer att utveckla metoder för att förutsäga vilka delar av underjorden som kan vara benägna att orsaka jordbävningar.

"Det är mycket lovande, men vi har inte löst något ännu, ", sa Nolte. "Det finns fortfarande många hinder att passera."

Den publicerade artikeln ger nya insikter, men det är också ovanligt eftersom dess huvudförfattare, Nolte, är fortfarande student. Få forskare, än mindre studenter, någonsin publicera i en av de prestigefyllda tidskrifter som Vetenskapens framsteg som produceras av American Association for the Advancement of Science. Publikationen är Noltes första, och det behandlar ett problem som påverkar hans hemstad Wichita.

Studien föranleddes av en häpnadsväckande ökning av jordbävningar i vad som tidigare varit den seismiskt tysta mittkontinenten. Under de mer än tre decennierna mellan 1977 och 2012, endast 15 jordbävningar med en magnitud på 3,0 eller mer registrerades i hela delstaten Kansas. En jordbävning på magnituden 3,0 känns vanligtvis av människor. Sedan 2012 har mer än 100 jordbävningar på 3,0 eller mer registrerats i endast två län i staten, Sumner och Harper. Dessa inkluderar den största jordbävningen som någonsin övervakats i Kansas i november 2014, en magnitud 4,9 händelse nära Sumner County staden Milano. Frekvensen av jordbävningar har fortsatt att öka. Mellan maj 2015 och juli 2017 upptäckte KU-gruppen av sensorer mer än 2, 400 jordbävningar bara i Sumner County, varierar i storlek från 0,4 till 3,6.

Ett antal forskare har redan kopplat den ökande förekomsten av jordbävningar i området med mänsklig aktivitet, specifikt en oljeboom som har producerat allt större mängder avloppsvatten. Varje oljekälla producerar avloppsvatten. Detta är sant för konventionella brunnar och för brunnar som använder hydraulisk sprickning (känd populärt som fracking). Oljeboomen ledde till att fler oljekällor borrades i området, vilket ledde till en kraftig ökning av mängden avloppsvatten. Forskare tror nu att den ökade injiceringen av avloppsvatten i den salta akvifären i underytan, Arbuckle, orsakade ökningen av jordbävningar.

Eftersom förhållandena i underytan varierar och en perfekt storm av problem måste finnas för att en avloppsvatteninjektionsbrunn ska framkalla en jordbävning, endast en relativt liten del av injektionsbrunnarna orsakar skakningar. Detta gör det svårt för tillsynsmyndigheter och energiindustrin att avgöra var de kan placera brunnar.

Som svampar gjorda av sten, akviferer lagrar vätska i sina porer. Injicerat avloppsvatten ökar vätsketrycket i akvifärens porer och i sprickor (sprickor) i berget. En jordbävning utlöses när vätskan som trycker mot berget påverkar ett befintligt förkastning som redan är nära att glida. Om forskare kan upptäcka områden med förhöjt vätsketryck i akvifärens porer, de kanske kan förutsäga var inducerade jordbävningar sannolikt skulle inträffa.

Geologerna spårade ökningen av portrycket genom att notera en skillnad i hur seismiska vågor från senaste jordbävningar, förmodligen injektionsinducerad, agera jämfört med hur vågor från äldre, naturligt förekommande jordbävningar. Gruppen studerade vad geologer kallar skjuvvågor, eller S-vågor, tittar noga på deras anisotropi, ett fenomen där vågor delar sig i två delar där en komponent av vågen färdas längs sprickorna i berget och den andra komponenten färdas vinkelrätt eller nästan vinkelrätt mot sprickans orientering.

I de naturligt förekommande jordbävningarna som inte innebär högt tryck, vågkomponenten som rör sig längs sprickorna rör sig snabbare än vågkomponenten som rör sig vinkelrätt mot sprickorna. I de inducerade jordbävningarna i Kansas, geologerna fann motsatsen.

"Sådana förändringar, eller "vänder", i snabb S-vågsorientering hade tidigare dokumenterats i naturliga jordbävningar och vulkaniska miljöer där det finns zoner som är kritiskt stressade av porvätsketryck, ", sa Tsoflias. "Vår observation av S-vågsvängningar i de senaste jordbävningarna i södra Kansas ger för första gången bevis på ökande portryck i regionen från seismologiska data."