Ett team av geovetenskapliga forskare vid Virginia Tech College of Science har utvecklat en ny teori för att förklara hur och varför injektionsinducerade jordbävningar fortsätter att inträffa även när injektionshastigheten sjunker.

Experter har vetat sedan 1960 -talet att när oljefältavloppsvatten pumpas i marken med djupa injektionsbrunnar, jordbävningar kan uppstå. Under det senaste decenniet har injektionsinducerade jordbävningar har blivit vanliga förekomster i olje- och gasbassänger över hela världen, särskilt i centrala USA, och eventuellt i Kina och Kanada, också.

Olje- och gasproduktion åtföljs ofta av mycket bräckt grundvatten, även känd som oljefält saltlösning. Dessa vätskor kan vara fem till sex gånger saltare än havsvatten, så de är giftiga för markbaserade ekosystem och har liten nytta. Som ett resultat, oljefält saltlösning anses vara en avfallsprodukt som tas om hand genom att pumpa tillbaka den i djupa geologiska formationer.

När vätskor pumpas in i djupa injektionsbrunnar, de förändrar det naturligt förekommande vätsketrycket i djupa geologiska formationer. Dessa förändringar i vätsketrycket kan destabilisera fel, som leder till jordbävningar, såsom den skadliga magnitude-5.8-händelsen i Pawnee, Oklahoma, i september 2016.

Bland de mer irriterande vetenskapliga frågorna om injektionsinducerade jordbävningar är varför de verkar bli djupare på platser som Oklahoma och Kansas, där injektionshastigheterna har sjunkit på grund av en kombination av jordbävningsbegränsande åtgärder och minskande olje- och gasproduktion.

I en studie publicerad 5 augusti i Energi- och miljövetenskap , Ryan M. Pollyea, biträdande professor vid institutionen för geovetenskap, och ett team av studentforskare föreslog en ny teori om att själva avloppsvattnet spelar en viktig roll i de processer som orsakar injektionsinducerade jordbävningar.

"Vi vet att jordbävningar blir djupare i Oklahoma, "sade Pollyea, som leder Computational Geofluids Lab på Virginia Tech, "så vi försöker ta reda på vilka förhållanden som gör detta möjligt. Vår forskning tyder på att det orsakas av kombinationen av geologin, naturliga vätskor i källarstenarna, och själva avloppsvattnet. "

Även om forskare har vetat i decennier att djupa vätskeinjektioner kan utlösa jordbävningar, Pollyea sa att tidigare forskning missar några följddetaljer om hur de uppstår. Specifikt, han påpekade att oljefält saltlösning har mycket olika egenskaper, som densitet och viskositet, än rent vatten, och dessa skillnader påverkar de processer som får vätsketryck att utlösa jordbävningar.

"Grundtanken är att oljefält saltlösning har mycket upplöst fast material, vilket gör avloppsvattnet tyngre än naturligt förekommande vätskor i djupa geologiska formationer, "sa Richard S. Jayne, medförfattare till studien och tidigare doktorand student vid Virginia Tech som nu är forskningshydrogeolog vid Sandia National Laboratory, "så sjunker det täta avloppsvattnet, ökar vätsketrycket, och orsakar djupare jordbävningar än vad som kan förutses om vätskorna har samma materialegenskaper. "

Med hjälp av superdatorer vid Virginia Techs division Advanced Research Computing, Pollyea och hans team testade sin idé genom att producera mer än 100 modeller för avfallshantering av oljefält med olika kombinationer av geologiska egenskaper, avloppsvattentemperatur, och avloppsvattentäthet. Med denna beräkningsmetod, laget isolerade både förhållanden och fysiska processer som förändrar vätsketryck i de geologiska formationerna.

"Vi fann att det verkligen finns två olika processer som driver vätsketryck djupt in i källaren, där jordbävningar inträffar, "saidys Pollyea." Den första kallas tryckdiffusion, som uppstår när avloppsvatten tvingas in i geologiska formationer som redan är fulla av vatten. Denna process har varit känd länge, men den andra processen sker när avloppsvatten med hög densitet sjunker och driver vätskor med lägre densitet ur vägen. "

Enligt denna nya teori, densitetsskillnaden mellan avloppsvatten och djupa källarvätskor är mycket viktigare för orsakad jordbävning än vad som tidigare var känt. "Detta är ett av de områden som har försummats inom forskning om inducerad seismicitet, "sa Megan Brown, en biträdande professor i geologi som specialiserat sig på vätskeutlöst seismicitet vid Northern Illinois University och inte var inblandad i denna studie. "Densitetsdrivna trycktransienter är en intuitiv följd av en densitetsskillnad mellan injicerade vätskor och formationsvätskor."

Även om förekomsten av jordbävningar har minskat i centrala USA sedan toppåren 2014 och 2015, denna nya teori förklarar inte bara varför jordbävningar blir djupare i Oklahoma, men det förklarar också varför flera jordbävningar med magnitud 5+ drabbade Oklahoma 2016, när injektionshastigheterna minskade över hela landet.

"En fascinerande aspekt av vår studie är att sjunkande avloppsvatten inte kräver pumpning för att vandra djupare under jorden, "sade Pollyea, "faktiskt, de kommer att fortsätta sjunka under sin egen vikt i årtionden efter att injektionerna upphört, och vår studie visar att avloppsvattnet inte behöver vara mycket tyngre för att detta ska inträffa. "

När det gäller jordbävningsbegränsning och regleringsmetoder, den här studien har långtgående konsekvenser:Forskargruppen påpekade att saltlösning med hög densitet förekommer i många olje- och gasbassänger i USA Men de hävdade också att användning av denna studie i praktiken kräver mycket mer information om vätskorna. "Denna studie betonar behovet av platsspecifik data och ökat urval, "sa Brown, eftersom "densitetsskillnader som en drivande faktor för närfältstrycktransienter också kan leda till åtgärder före injicering."

Pollyea sa att hans forskargrupp fortsätter att arbeta med sin nya teori för de hydrogeologiska processer som orsakar inducerade jordbävningar. "Vi är verkligen intresserade av att veta hur våra idéer om vätskekemi påverkar regionalt expansiva injektionsoperationer på platser som Oklahoma och Texas, "sa Pollyea." Och en av våra senaste M.S. akademiker, Graydon Konzen (medförfattare till en studie), har gjort ett spännande nytt arbete inom detta område. "