Avloppsvatten som skapas under olje- och gasproduktion och bortskaffas genom djupinsprutning i underliggande berglager är den troliga orsaken till en ökning av jordbävningar i södra Kansas sedan 2013, en ny rapport i Bulletin från Seismological Society of America avslutar.
Fram till 2013, jordbävningar var nästan ovanliga i Harper och Sumner län, platsen för den senaste tidens intensiva olje- och gasproduktion. Men mellan 2013 och 2016, 127 jordbävningar av magnituden 3 eller mer inträffade i Kansas, med 115 av dem äger rum i Harper och Sumner län. Före 1973, det har inte rapporterats några jordbävningar i området, och endast en jordbävning på magnitud 2,0 mellan 1973 och 2012.
Med hjälp av data som samlats in av ett nätverk av seismiska stationer installerade av U.S. Geological Survey, huvudforskaren Justin Rubinstein och hans kollegor analyserade 6, 845 jordbävningar som inträffade i länen mellan mars 2014 och december 2016.
De fann att den dramatiska uppgången i seismicitet korrelerade i tid och plats med ökningar av avloppsvattenavfall som började 2012 - och att minskningar i seismicitet under den tiden också motsvarade minskningar i deponeringshastigheter.
Mellan 1974 och 2012, det fanns inga jordbävningar på magnituden 4 eller större i studieområdet. Mellan 2012 och 2016, sex sådana jordbävningar inträffade. "Sannolikheten för att denna taktförändring sker slumpmässigt är ungefär 0,16 %, " skriver Rubinstein och kollegor i BSSA-studien.
Kansas hade den näst högsta statliga jordbävningsfrekvensen i centrala USA mellan 2013 och 2016, kommer in bakom Oklahoma, där en liknande dramatisk ökning av seismiciteten också har kopplats till avloppsvatteninjektion.
I södra Kansas studieområde, avloppsvatteninjektion minskade avsevärt under 2015, faller från i genomsnitt 5 miljoner fat per månad från juli till december 2014 till 3,8 miljoner fat per månad i mars 2015. Denna minskning berodde sannolikt delvis på en nedgång i olje- och gasproduktionen då priserna för dessa råvaror sjönk, forskarna sa, noterar att priset på ett fat olja sjönk med hälften mellan augusti 2014 och januari 2015.
Under samma tid, Kansas Corporation Commission utvecklade regler för att begränsa avloppsvatteninjektion i studieområdet, med reglerna som träder i kraft i juli 2015. Sedan dess, avloppsvatteninjektion i undersökningsområdet har minskat med nästan 50 procent.
Det finns en motsvarande minskning av seismiciteten under 2015, men Rubinstein sa att det är svårt att säga hur mycket ekonomiska förändringar eller ny reglering bidrog till den trenden. "Vi kan inte reda ut det helt. Men det råder ingen tvekan om att ekonomi spelar en roll här eftersom injektionen började falla innan de nya reglerna trädde i kraft."
"Det verkar sannolikt att regleringar har en effekt, " han sa, "men vi skulle behöva prata med enskilda [olja och gas] operatörer för att avgöra omfattningen av den effekten."
Forskarna säger att vätskor som injiceras i den kristallina bergkällaren under olje- och gasplatserna i Kansas ökade trycket i bergporerna och minskade friktionen längs förkastningar för att utlösa dessa inducerade jordbävningar. Inte alla anläggningar för avloppsvatteninjektion har jordbävningar förknippade med dem, Rubinstein noterade. I vissa fall, vätsketrycken kanske inte kan komma till djup där jordbävningar inträffar, eller så kan det finnas vissa ställen i bergkällaren som är mer känsliga än andra för vätskeeffekter.
Det är också svårt att veta hur länge dessa påfrestningar kan fortsätta att producera jordbävningar, han lade till. Seismicitet relaterad till en injektionsbrunn i Youngstown, Ohio 2013 varade bara några veckor, medan vätskeinjektion vid Rocky Mountain Arsenal i Colorado upphörde 1966 men betydande seismicitet fortsatte i området fram till 1980-talet.
"Det är svårt att säga hur länge det kommer att pågå med tanke på att det vi tittar på i Kansas är en mycket högre injektionshastighet än på de platser där seismiciteten avtog snabbt, och många, många fler brunnar, " sa Rubinstein. "Om de stänger av all injektion, förfallet kan fortfarande ta år, bara för att det har skett en så dramatisk förändring i det regionala tryckfältet."
Rubinstein kommer att fortsätta arbeta i Kansas för att lära sig mer om huruvida seismologer konsekvent kan se förskott och jordbävningssvärmar i det seismiska rekordet. "Vi har ett otroligt nätverk där, och ett av de bäst dokumenterade fallen av inducerad seismicitet med allmänt tillgängliga seismiska data, " han sa.
