Forskare vid EPFL och Swiss Federal Office of Energy har utarbetat strategier för att minska jordbävningsrisken i samband med geotermisk energi, CO ₂ lagring och andra mänskliga aktiviteter som sker djupt under jorden.

Även om de flesta jordbävningar kan hänföras till naturliga orsaker, vissa utlöses – direkt eller indirekt – av mänsklig aktivitet. Dessa mindre skakningar, känd som "inducerad seismicitet, "är en av de största utmaningarna med djup geotermisk energi, CO ₂ lagring, och andra aktiviteter som involverar injicering av gaser och vätskor djupt under jorden.

Forskare vid EPFL:s Laboratory of Soil Mechanics (LMS) och Swiss Federal Office of Energy (SFOE) har utarbetat nya strategier för att minska risken för jordbävning orsakad av människor. Deras resultat har publicerats i Geophysical Journal International .

Specialträning av djupa geotermiska reservoarer

Djupa geotermiska system ger en hållbar, förnybar, energikälla med noll koldioxid och är förenliga med den schweiziska regeringens energistrategi för 2050 och dess löfte att bli koldioxidneutral. Men tekniken som används i Schweiz, känd som Enhanced Geothermal Stimulation (EGS), har mött motgångar efter att ha utlöst jordbävningar i Basel 2006 och i St. Gallen 2013.

EGS involverar en process som kallas hydraulisk insprutning, där trycksatt vätska injiceras i varm, torr, ogenomtränglig sten – cirka 3 km eller mer under jordens yta – för att skapa en konstgjord geotermisk reservoar. Problemet är att denna process kan orsaka mikroseismicitet, eller mindre skakningar och jordbävningar.

När vattnet injiceras under jorden och fyller stenmatrisen, det interstitiella portrycket ökar. "Det finns en allmän uppfattning att detta är den enda orsaken till inducerad seismicitet, " säger Barnaby Fryer, doktorandassistent vid LMS och tidningens huvudförfattare. "Men det är inte så enkelt. Tektonisk stress, eller felgeometri och rörelse, spelar också in."

En delikat balansgång

Fel orsakas av vertikala och horisontella krafter som verkar på delar av jordskorpan. De delas in i en av tre kategorier:normala eller förlängningsfel (där de två sektionerna dras isär), reverserings- eller kompressionsfel (där de två sektionerna trycker mot varandra), och slip-slip-fel (där de två sektionerna rör sig horisontellt).

Det gemensamma EPFL- och SFOE-teamet utgick från premissen att fel är mer stabila - och sannolikheten för en jordbävning därför minskad - när differentialspänningen (dvs skillnaden mellan maximala och lägsta spänningar) är lägre. "Den iakttagelsen väckte en uppenbar fråga, säger Gunter Siddiqi, biträdande sektionschef för energiforskning vid SFOE och tidningens andre författare. "Vilken typ av fel har vi att göra med, och vad kan vi göra för att begränsa stora skalv och skakningar?"

Forskarna kom på idén att "träna" reservoaren innan stimuleringsprocessen börjar. Vid ett omvänt fel, som innebär höga horisontella spänningar, kall vätska injiceras under jorden under en period av minst 12 månader. "När reservoaren svalnar, rocken kontrakt, " förklarar Fryer. "Detta sänker de horisontella krafterna som verkar på den, vilket minskar differentiell stress och gör jordbävningar mindre sannolika."

Ökar trycket

Tvärtemot vad många tror, Att injicera högtrycksvätskor i jordskorpan orsakar inte alltid jordbävningar. "I nästan alla reservoarer, det är bara de horisontella spänningarna som förändras markant, " säger Fryer. "Med ett normalt fel, vertikala spänningar är mycket större än horisontella spänningar. När du injicerar en vätska i berget, det interstitiella trycket stiger. Detta, i tur och ordning, ökar de horisontella spänningarna och stänger gapet mellan de horisontella och vertikala värdena."

Med andra ord, att injicera vätskor på detta sätt kan faktiskt stabilisera felet, förutsatt att spänningarna inuti reservoaren är tillräckligt känsliga för förändringar i interstitiellt tryck. "Det är därför det är så viktigt att förstå egenskaperna hos en reservoar innan du börjar injicera, " tillägger Fryer.

Lovande ansökningar

Denna forskning ger viktiga insikter för industrin, potentiellt hjälpa företag att ta fram sätt att minska sannolikheten för inducerad seismicitet. "Att förstå alla möjliga scenarier och agera därefter kan bana väg för några lovande verkliga tillämpningar, säger Siddiqi.