Hydraulisk sprickbildning för olje- och gasproduktion kan utlösa jordbävningar, stora och små. Ett nytt tillvägagångssätt för att hantera risken för dessa skalv kan hjälpa operatörer och tillsynsmyndigheter att bromsa tillräckligt tidigt för att förhindra olägenheter och minska risken för egendomsskador och personskador.

Tillvägagångssättet, utvecklat av fyra forskare vid Stanford University och publicerat den 28 april i Bulletin från Seismological Society of America , fokuserar på en beräkning av risken för att skakningar som utlösts av ett givet projekt kommer att märkas i omgivande samhällen – långt innan jordbävningar växer tillräckligt stora för att göra skada.

Hydraulisk spräckning, eller fracking, innebär att vätskor under högt tryck pumpas in i brunnar som borrats ner i och över bergformationer tusentals fot under jord. Trycket skapar små jordbävningar som bryter stenen, tvinga upp befintliga sprickor eller skapa nya. Petroleum rinner då lättare ut ur de spruckna stenarna och in i brunnen. "Målet är att göra många små jordbävningar, men ibland är de större än planerat, " sade studiens medförfattare William Ellsworth, en geofysikprofessor vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskap (Stanford Earth).

Genom att ta utgångspunkt i den lokala risken för störande skakningar, den nya strategin står i kontrast till den nuvarande vanliga praxisen för att hantera fracking-relaterade skalv baserat på storlek. Under ett system som kallas trafikljusprotokoll, operatörer har grönt ljus att fortsätta så länge jordbävningarna är relativt små. Större jordbävningar kan kräva att en operatör justerar eller stoppar arbetet. Systemet används i stor utsträckning för att hantera riskerna med fracking för olja och gas i USA, Kanada, Kina och Europa, och även för geotermisk energiutveckling i Sydkorea, Europa och USA.

"Underförstått, Jag tror att tillsynsmyndigheter har haft risker i bakhuvudet, " sa studiens medförfattare Greg Beroza, en geofysikprofessor vid Stanford. "Men riskbaserade ramverk har inte använts tidigare - kanske för att det kräver lite extra analys."

Jordbävningens storlek ger en grov proxy för hur mycket skada som kan förväntas, och det är en åtgärd som tillsynsmyndigheter och operatörer kan övervaka i realtid. Problemet är att skalv av samma storlek kan innebära mycket olika risker från en plats till en annan på grund av skillnader i befolkningstäthet. "Ett projekt beläget i ett praktiskt taget obebodt område i västra Texas skulle innebära en mycket lägre risk än ett liknande projekt nära en stad, " förklarade Ellsworth.

Dessutom, geologiska faktorer inklusive jordbävningsdjup, förkastningsgeometri och lokala markförhållanden kan påverka hur en jordbävnings energi – och potential att göra skada – förstärks eller försvinner när den färdas under jorden. Allt detta sammanhang är nyckeln till att finslipa en acceptabel mängd skakningar och fastställa trafikljuströsklar i enlighet därmed.

"Områden som Oklahoma, med byggnader som inte är designade för att motstå kraftiga skakningar, eller områden som förväntar sig förstärkt skakning på grund av mjuk jord, kan redogöra för sina behov i samhället med detta tillvägagångssätt, " sa studiens medförfattare Jack Baker, en professor i civil- och miljöteknik som leder Stanford Center for Induced and Triggered Seismicity med Beroza, Ellsworth och Stanford geofysiker Mark Zoback.

Stanford-forskarna utvecklade matematiska tekniker för att redogöra för nätet av riskfaktorer som formar sannolikheten för att en jordbävning genererar märkbara eller skadliga skakningar på en specifik plats. De byggde på dessa tekniker för att göra en översättning till jordbävningens magnitud. Detta gjorde det möjligt för dem att skapa riktlinjer för att ta fram nya trafikljusprotokoll som fortfarande använder jordbävningsstorlek för att tydligt avgränsa mellan green, gula och röda zoner, men med mycket mer anpassning till lokala angelägenheter och geologi.

"Om du berättar för mig vilken exponering du har i ett visst område - befolkningstäthet, platsförstärkning, avstånd till städer eller kritisk infrastruktur – vår analys kan spotta ut siffror för grön-, trösklar för gult och rött ljus som är ganska väl informerade om verkliga risker, " sade huvudstudieförfattaren Ryan Schultz, en Ph.D. student i geofysik.

Analysen gör det också möjligt, han lade till, att börja med en viss risknivå som anses acceptabel – säg, en 50-procentig chans för störande skakningar vid närmaste hushåll – och beräkna den maximala jordbävningsstyrkan som skulle hålla risken på eller under den nivån. "Det här handlar om att göra det tydligare vilka val som görs, Schultz sa, "och underlätta en konversation mellan operatörer, tillsynsmyndigheter och allmänheten."

I allmänhet, författarna rekommenderar att trösklarna för gult ljus ställs in cirka två magnitudenheter under det röda ljuset. Enligt deras analys, detta skulle resultera i att 1 procent av fallen hoppade från den gröna zonen direkt till röd. "Om du stoppar operationen precis vid eller före tröskeln för skada, du antar att du har perfekt kontroll, och ofta är det inte verkligheten, " sade Schultz. "Ofta, de största jordbävningarna inträffar efter att du har stängt av pumparna."