Ansträngningar för att stoppa jordbävningar som orsakats av människor genom att stänga av brunnar för injektion av avloppsvatten som betjänar intilliggande olje- och gasfält kan förenkla utmaningen, enligt en ny studie från seismologer vid Southern Methodist University, Dallas.

Seismologerna analyserade en sekvens av jordbävningar på Dallas Fort Worth International Airport och fann att även om avloppsvatteninjektion stoppades efter ett år, jordbävningarna fortsatte.

Sekvensen av skalv började 2008, och avloppsvatteninjektion stoppades 2009. Men jordbävningar fortsatte i minst sju år till.

"Detta säger oss att högvolyminjektion, även om det bara är för en kort tid, när det är nära ett allvarligt stressat fel, kan inducera långvarig seismicitet, " sa SMU-seismologen Paul O. Ogwari, som utvecklade en unik metod för dataanalys som gav studieresultaten.

Jordbävningarna kan fortsätta även nu, sa Ogwari, vars analys sträckte sig till och med 2015.

Studiens resultat tyder på att stänga av injektionsbrunnar som reaktion på jordbävningar, som vissa stater som Oklahoma och Arkansas gör, kanske inte har den önskade effekten att omedelbart stoppa ytterligare jordbävningar, sa seismologen Heather DeShon, en medförfattare på studien och en docent vid SMU Earth Sciences Department.

"DFW-jordbävningssekvensen började på Halloween 2008 - innan Oklahomas seismicitet hade ökat markant, " sade DeShon. "Denna studie återbesöker vad som tekniskt var den allra första moderna inducerade jordbävningssekvensen i denna region och visar att även om avloppsvatteninjektorn i det här fallet hade stängts av mycket snabbt, injektionsaktiviteten störde fortfarande felet, så det genererade jordbävningar även sju år senare."

Det fenomenet är inte ovanligt. Seismologer såg den typen av jordbävningssvar från ett utslag av jordbävningar orsakade av människor i Colorado efter avloppsvatteninjektion under 1960-talet vid Rocky Mountain Arsenal nära Denver. På samma sätt i det fallet, injektionen startade och stoppades, men jordbävningarna fortsatte.

En sådan möjlighet har inte förståtts väl utanför vetenskapliga kretsar, sa DeShon. Hon är medlem i SMU-seismologiteamet som har studerat och publicerat mycket om deras vetenskapliga rön relaterade till den ovanliga strömmen av jordbävningar orsakade av människor i norra Texas.

"Uppfattningen är att om olje- och gasavloppsinjektorerna leder till detta, då ska du bara stänga av injektionsbrunnarna, " Sa DeShon. "Men Pauls studie visar att det finns mycket att lära sig om processens fysik, och genom att övervaka kontinuerligt i flera år."

Ogwari, DeShon och andra SMU-seismolog Matthew J. Hornbach rapporterade fynden i den peer-reviewed Journal of Geophysical Research i artikeln "The Dallas-Fort Worth Airport Earthquake Sequence:Seismicity Beyond Injection Period."

Kända jordbävningar på DFW-flygplatsen är fler än 400

DFW-flygplatsens oöverträffade jordbävningskluster var de första som någonsin dokumenterats i historien om norra Texas-regionens oljerika geologiska system, känt som Fort Worth Basin. Skalven är också den första av flera sekvenser i bassängen kopplade till storskalig förvaring under ytan av avfallsvätskor från olje- och gasverksamhet.

Jordbävningarna på DFW flygplats började 2008, liksom högvolymsavloppsvatteninjektion av saltlake. Det mesta av den seismiska aktiviteten inträffade under de första två månaderna efter att injektionen började, främst inom 0,62 miles, eller 1 kilometer, från brunnen. Andra kluster vandrade sedan vidare till nordost om brunnen under de kommande sju åren. Skalven utlöstes på ett redan existerande regionalt fel som har en trend på 3,7 miles, eller 6 kilometer, nordost till sydväst.

Ogwari, en postdoktorand forskare vid SMU Roy M. Huffington Earth Sciences Department, analyserade år av befintlig seismisk data från regionen för att ta en djupare titt på DFW Airport-sekvensen, som uppgick till 412 jordbävningar till och med 2015.

När man tittar på data för dessa skalv, Ogwari upptäckte att de hade fortsatt i minst sju år in i 2015 längs 80 % av felet, trots att injektionen avbröts efter bara 11 månader i augusti 2009.

Antalet skalv minskade, men omfattningen har aldrig minskat

I ett annat viktigt resultat från studien, Ogwari fann att omfattningen av jordbävningarna på DFW flygplats inte minskade med tiden, men istället höll sig stadigt. Magnituren varierade från 0,5 till 3,4, där den största inträffade tre år efter att injektionen vid brunnen stoppades.

"Vad vi har sett här är att storleken är konsekvent över tid inom felet, ", sa Ogwari. "Vi förväntar oss att se de större händelserna under injektionen eller omedelbart efter injektionen, följt av abrupt förfall. Men istället ser vi att felet fortsätter att producera jordbävningar med liknande magnituder som vi såg under injektionen."

Samtidigt som antalet jordbävningar minskade - det var 23 händelser i månaden från 2008 till 2009, men bara 1 händelse i månaden efter maj 2010 – omfattningen förblev densamma. Det tyder på att felet inte läker helt.

"Vi vet inte varför det är " Sa Ogwari. "Jag tror att det är en fråga som finns där ute och kan behöva mer forskning."

Mer övervakning behövs för jordbävningar orsakade av människor

Svarar på den frågan, och andra, om de komplexa egenskaperna och beteendet hos förkastningar och jordbävningar, kräver mer omfattande övervakning än vad som för närvarande är möjligt med tanke på de medel som avsatts för att övervaka skalv.

Övervakning av felen involverar strategiskt placerade stationer som "lyssnar" och spelar in vågor av intensiv energi som ekar genom marken, sa DeShon.

Fort Worth Basin inkluderar Barnettskiffern, en stor gasproducerande geologisk formation, ovanpå den djupa Ellenberger-formationen som används för lagring av avloppsvatten, som överlagrar ett källarlager i granit. Det gamla flygplatsfelsystemet sträcker sig genom alla enheter.

Friktion hindrade felet från att glida i miljontals år, men under 2008 störde höga volymer injicerat avloppsvatten flygplatsfelet. Det fick felet att glida, frigör lagrad energi i vågor. De mest kraftfulla vågorna "känndes" när jorden skakade.

"De detaljerade fysiska ekvationerna som relaterar avloppsvattenprocesser till felprocesser är fortfarande lite av en fråga, "DeShon sa. "Men generellt sett är den gynnade hypotesen att den injicerade vätskan ändrar trycket tillräckligt för att ändra förhållandet mellan den nedåtgående spänningen och de horisontella spänningarna, som gör att felet glider."?

Jordbävningar i norra Texas var oerhörda fram till 2008, så när de började kännas, seismologer försökte installera bildskärmar. När skalven dog, övervakningsstationerna togs bort.

"Som det ser ut nu, vi missar början av skalven. Monitorerna tas bort när jordbävningarna slutar kännas, " DeShon sa. "Men den här studien säger oss att det finns mer i det än de "filtade" jordbävningarna. Vi måste veta hur sekvenserna börjar, och även hur de slutar. Om vi ​​någonsin ska förstå vad som händer, vi behöver början, mitten — och slutet. Inte bara mitten, efter att de känns."

Innovativ metod utnyttjad för att studera jordbävningsaktivitet

Övervakare som SMU-teamet installerade på DFW-flygplatsen togs bort när seismisk aktivitet verkade ha tystnat 2009.

Ogwari antog att han kunde titta på historiska data från avlägsna övervakningsstationer som fortfarande finns på plats för att extrahera information och dokumentera historien om jordbävningarna på DFW-flygplatsen.

De avlägsna stationerna är en del av USA:s permanenta nätverk som övervakas och underhålls av U.S. Geological Survey. Den närmaste är 152 miles, 245 kilometer, bort.

Jordbävningsvågformer, som mänskliga fingeravtryck, är unika. Ogwari använde den lokala stationens övervakningsdata för att träna programvara för att identifiera DFW-jordbävningar på de avlägsna stationerna. Ogwari tog varje jordbävnings digitala fingeravtryck och sökte igenom år av data, korskorrelerande vågformer från både närliggande och regionala stationer och identifierade 412 DFW Airport-händelserna.

"Jordbävningarna är små, mindre än magnitud tre, " sa DeShon. "Så på de riktigt avlägsna stationerna är det som att söka efter en nål i en höstack, sålla dem från alla andra små jordbävningar som händer över hela USA."

Varje väg är unik för varje jordbävning, och seismologer registrerar varje vågs rörelse upp och ner, norr till söder, och öst till väst. Från det analyserade Ogwari utvecklingen av seismicitet på DFW-flygplatsfelet över tid och rum. Han kunde titta på data från de avlägsna monitorerna och hitta seismisk aktivitet på flygplatsen så sent som 2015.

"Jordbävningar som inträffar nära i rymden har vanligtvis en högre grad av likhet, "Sade Ogwari. "När separationsavståndet ökar, minskar likheten."

För att förstå stressen på felet, forskarna modellerade också platsen och tidpunkten för trycket i bergets porer när det injicerade vattnet infiltrerade.

För de olika jordbävningsklustren, forskarna fann att portrycket ökade längs förkastningen med varierande hastighet, beroende på hur långt klustren var från injektionsbrunnen, hastigheten och tidpunkten för injektion, och hydraulisk permeabilitet för felet.

Analysen visade portrycksförändringar i förkastningen från injektionsbrunnen där jordbävningarna startade 2008; vid platsen för skalven i maj 2010 längs förkastningen; och vid den norra kanten av seismiciteten.

Kommer DFW-flygplatsfelet att fortsätta att glida och utlösa jordbävningar?

"Vi vet inte, "Ogwari sa. "Vi kan inte säga hur länge det kommer att fortsätta. SMU och TexNet, Texas Seismic Network, fortsätta att övervaka både DFW flygplatsfel och andra fel i bassängen."