I arbete som ger insikt i omfattningen av de risker som jordbävningsfel generellt innebär, seismologer har utvecklat en modell för att bestämma storleken på en jordbävning som kan utlösas av underjordisk injektion av vätskor som produceras som en biprodukt av hydraulisk sprickbildning.

Hydraulisk spräckning, eller "fracking, "är ett förfarande för utvinning av petroleum där miljontals liter vatten (liksom sand och kemikalier) injiceras djupt i underjordiska skifferbäddar för att spricka berget och släppa ut naturgas och olja. Enligt United States Geological Survey, fracking själv utlöser vanligtvis inte jordbävningar. Istället, den ökade risken för seismicitet är starkare kopplad till den efterföljande injektionen av avloppsvattnet från fracking och andra oljeutvinningsprocesser i massiva deponeringsbrunnar som är tusentals meter under jorden.

Tidigare försök att modellera sambandet mellan injektion av avloppsvatten och utlösning av jordbävningar föreslog att den maximala storleken på den seismiska aktivitet som induceras på detta sätt skulle vara proportionell mot volymen av de injicerade vätskorna. Dock, denna tolkning tar inte hänsyn till det faktum att jordbävningar kan växa bortom det område som påverkas av vätsketryck, säger Jean Paul Ampuero, professor i seismologi vid Caltech och medförfattare till en ny studie om ämnet som visas i tidskriften Vetenskapliga framsteg den 20 december.

Kombinera teori och datasimuleringar av dynamiska jordbävningsbrott, Ampuero och hans kollegor utvecklade en modell som förklarar hur storleken på injektionsinducerade jordbävningar beror på inte bara volymen vätska som injiceras utan också energin som lagras vid fel i närheten. Resultatet är en modell som kvantifierar avståndet som en jordbävning kan sprida sig bortom ett injektionsställe - vilket i sin tur förutsäger den maximala storleken på en inducerad seismisk händelse.

"Jordbävningar som orsakas av mänskliga aktiviteter som involverar underjordisk injektion av vätskor eller gas är en växande oro, en fara som måste kontrolleras för att utveckla en säkrare och renare energiframtid, "Säger Ampuero.

Denna inducerade seismicitet har varit föremål för betydande forskning de senaste åren och lockar också forskare som, som Ampuero, är främst intresserade av att reda ut fysiken för naturliga jordbävningar. "Detta kan vara det närmaste forskare någonsin kommer att komma till ett storskaligt kontrollerat jordbävningsförsök, "Säger Ampuero. För det nya arbetet, Ampuero samarbetade med Martin Galis, postdoktor vid King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) i Saudiarabien.

Det är viktigt att notera att den nya modellen bara förutsäger den största möjliga storleken på en jordbävning snarare än vad jordbävningsstorleken faktiskt kommer att vara, säger forskarna. Den definierar övre gränser baserat på mängden uppdämd energi i jordskorpan före vätskeinsprutning.

Den nya modellen ger insikt i naturliga jordbävningar, skapa en ram för att förstå vad som får jordbävningar att sluta skaka. Jordbävningar kan utlösas av trycket och störningen som orsakas av vätskeinjektion, men de kan växa bortom den zon som omedelbart påverkas av avloppsvatteninsprutningen genom att utnyttja tektonisk energi som redan lagras i närheten. Som är fallet för inducerad seismicitet, naturliga jordbävningar kan starta i små delar av jordskorpan där energin är koncentrerad. Hur stora de växer bestäms av mängden energi i omgivande regioner.

Tidningen har titeln "Inducerad seismicitet ger insikt om varför jordbävningsbrott slutar." Ampuero och Galis medförfattare inkluderar Paul Martin Mai från KAUST och Frédéric Cappa från Université Côte d'Azur i Nice och Institut Universitaire de France i Paris. Finansiering kom från National Science Foundation, KAUST, och Agence Nationale de la Recherché i Frankrike.

Detta är den andra studien denna månad från Ampuero som ger ny inblick i jordbävningsvetenskap. Den 1 december, Ampuero och kollegor från Centre national de la recherché scientifique i Paris fann att det är möjligt att observera störningar i jordens gravitation nästan omedelbart efter en jordbävning, öka potentialen för användning av dessa störningar som en del av ett system för tidig varning. (Dessa störningar färdas med ljusets hastighet, medan de snabbaste seismiska vågorna av en jordbävning förökar sig med flera kilometer per sekund, vilket innebär att övervakning av störningarna kan förbättra befintliga system för tidig varning med sekunder eller till och med minuter.)

Ampuero och hans kollegor fann att seismometrar i Kina och Sydkorea tog upp störningar i jordens gravitation under jordbävningen 9.1 Tohoku i Japan 2011 via signaler som uppträdde som små accelerationer på seismometrar mer än en minut innan marken under seismometrarna började skaka.