Människoskapade jordbävningar i Oklahoma, USA, är starkt kopplade till det djup på vilket avloppsvatten från olje- och gasindustrin injiceras i marken, enligt en ny studie ledd av University of Bristol.

Oklahoma har varit en seismisk hotspot under det senaste decenniet, med antalet skadliga jordbävningar – inklusive jordbävningen i Pawnee med magnituden 5,8 2016 – som regelbundet påverkar invånarnas liv, leder till rättstvister mot brunnsoperatörer.

Den konstgjorda, eller inducerad, jordbävningar utgör en ökad risk för kritisk infrastruktur som en stor kommersiell oljelagringsanläggning i Cushing, gör dem till ett hot mot den nationella säkerheten.

Sambandet mellan "seismicitet" - frekvensen av jordbävningar - och djup vätskeinjektion i underjordiska bergformationer är väl etablerad, men vetenskapsmän, beslutsfattare, och olje- och gasindustrin har blivit förvirrad av den aldrig tidigare skådade ökningen av jordbävningsaktivitet. På sin topp, det har skett en cirka 800-faldig ökning av det årliga antalet jordbävningar i Oklahoma sedan 2011.

Oklahomas brunnsoperatörer har injicerat i genomsnitt 2,3 miljarder fat vätska per år i marken sedan 2011. Avloppsvatten slängs rutinmässigt på djup en till två km under markytan, långt under nivån för färskt grundvatten. Också, saltvatten injiceras djupt under jorden för att möjliggöra utvinning av olja och gas.

Nu en stor studie av University of Bristol och involverar University of Southampton, Delfts tekniska universitet och resurser för framtiden, publiceras idag i tidskriften Vetenskap , visar slutgiltigt att Oklahomas seismicitet är starkt kopplad till vätskeinjektionsdjup.

Huvudförfattare till studien, Dr Thea Hincks, Senior forskarassistent vid University of Bristols School of Earth Sciences, sa:"Vårt nya modelleringsramverk ger en målinriktad, bevislig grund för att hantera en avsevärd minskning av inducerad seismicitet i Oklahoma, med omfattande möjligheter för tillämpning på andra håll i världen. Detta markerar ett steg framåt för att förstå utvecklingen av seismicitet i Oklahoma-regionen."

Med hjälp av en kraftfull datormodell som inkluderar registreringar av injektionsbrunnar och jordbävningsdata från US Geological Survey, teamet undersökte sambanden mellan injektionsvolym, djup, och plats, såväl som geologiska egenskaper, under en sexårsperiod.

Studien använde innovativ ny programvara, Uninet, som utvecklades av medförfattaren professor Roger Cookes grupp vid Delft University of Technology och är fritt tillgänglig för akademiska användare från LightTwist Software. Uninet har tidigare använts för att utveckla kausala riskmodeller för flygindustrin.

Teamet fann att de gemensamma effekterna av djup och volym är avgörande, och att injektionsvolymen blir mer inflytelserik - och mer sannolikt att orsaka jordbävningar - på djup där skiktade sedimentära bergarter möter kristallina källarstenar. Detta beror på att djupare brunnar möjliggör enklare åtkomst för vätskor till spruckna källarstenar som är mycket mer benägna för jordbävningar.

Dr Tom Gernon, Docent i geovetenskap vid University of Southampton, och medförfattare till studien, sa:"De underliggande orsakerna till Oklahomas inducerade jordbävningar är en öppen och komplex fråga, inte minst för att det finns över 10, 000 injektionsbrunnar, med många olika operatörer och driftsegenskaper, allt i ett område av komplex geologi.

"Tack vare en innovativ modell som kan analysera stora och komplexa datamängder, vår studie etablerar för första gången en tydlig koppling mellan seismicitet och vätskeinjektionsdjup."

Studien visar också hur en höjning av injektionsbrunnars djup till ovanför källarstenarna i nyckelområden avsevärt kan minska den årliga energi som frigörs av jordbävningar – och därigenom minska de relativa sannolikheterna för större, skadliga jordbävningar. Aktuella regleringsåtgärder inkluderar att kräva att operatörer antingen minskar injektionen eller höjer brunnar över källaren, ofta med ett ospecificerat belopp.

Professor Willy Aspinall, vid University of Bristol och Aspinall &Associates, vem tänkte på studien, tillade:"Detta nya diagnostiska fynd har potentiella implikationer för forskare, tillsynsmyndigheter och civila myndigheter oroade över inducerad seismicitet, både i USA och internationellt. Forskningen adresserar ett växande behov av en bredare förståelse för hur operativ, rumsliga och geologiska parametrar kombineras för att påverka inducerad seismisk risk.

"Vår analys tillåter att regleringsåtgärder utvärderas på ett rationellt sätt, kvantitativ grund i termer av seismiska effekter."