Hur företag borrar efter olja och gas och gör sig av med avloppsvatten kan utlösa jordbävningar, ibland på oväntade ställen.

I västra Texas, jordbävningsfrekvensen är nu 30 gånger högre än de var 2013. Studier har också kopplat jordbävningar till oljefältsoperationer i Oklahoma, Kansas, Colorado och Ohio.

Kalifornien ansågs vara ett undantag, en plats där oljefältsoperationer och tektoniska förkastningar tydligen samexisterade utan större problem. Nu, ny forskning visar att statens naturliga jordbävningsaktivitet kan dölja skalv orsakade av industri.

Som seismolog, Jag har undersökt inducerade jordbävningar i USA, Europa och Australien. Vår senaste studie, släpptes den 10 november, visar hur Kaliforniens oljefältsoperationer sätter stress på tektoniska förkastningar i ett område bara några mil från San Andreas-förkastningen.

Seismisk ökning

Industriinducerade jordbävningar har varit ett ökande problem i centrala och östra USA i mer än ett decennium.

De flesta av dessa jordbävningar är för små för att kännas, men inte alla. 2016, en jordbävning med magnituden 5,8 skadade byggnader i Pawnee, Oklahoma, och ledde till att statliga och federala tillsynsmyndigheter stängde av 32 brunnar för avloppsvatten i närheten av ett nyligen upptäckt fel. Stora jordbävningar är sällsynta långt från tektoniska plattgränser, och Oklahoma som upplever tre jordbävningar på magnituden 5 eller större på ett år, som hände 2016, var oerhört.

Oklahomas jordbävningsfrekvens sjönk med lägre oljepriser och tillsynsmyndigheternas beslut att kräva att företag minskar sin brunninjektionsvolym, men det finns fortfarande fler jordbävningar där idag än 2010.

Ett välbekant mönster har dykt upp i västra Texas under de senaste åren:Drastiskt ökande jordbävningshastigheter långt bortom den naturliga takten. En jordbävning med magnituden 5 skakade västra Texas i mars.

Hur det fungerar

Grunden till det inducerade jordbävningsproblemet är två olika typer av vätskeinsprutningsoperationer:hydraulisk sprickbildning och avloppsvatten.

Hydraulisk frakturering innebär att man sprutar in vatten, sand och kemikalier vid mycket höga tryck för att skapa flödesvägar för kolväten som fångas i täta stenformationer. Omhändertagande av avloppsvatten innebär att vätskor sprutas in i djupa geologiska formationer. Även om avloppsvatten pumpas vid låga tryck, denna typ av operation kan störa naturliga tryck och påfrestningar över stora ytor, flera mil från injektionsbrunnar.

Tektoniska förkastningar under geotermiska och oljereservoarer är ofta osäkert balanserade. Även en liten störning av det naturliga tektoniska systemet - på grund av djup vätskeinjektion, kan till exempel få fel att glida och utlösa jordbävningar. Konsekvenserna av vätskeinjektioner är lätta att se i Oklahoma och Texas. Men vad är konsekvenserna för andra platser, som Kalifornien, var jordbävningsbenägna förkastningar och oljefält ligger i närheten?

Kaliforniens oljefälts dolda risk

Kalifornien ger en särskilt intressant möjlighet att studera vätskeinjektionseffekter.

Staten har ett stort antal oljefält, jordbävningar och många instrument som upptäcker även små händelser, och det ansågs vara i stort sett fritt från onaturliga jordbävningar.

Min kollega Manoo Shirzaei från Virginia Tech och jag undrade om inducerade jordbävningar kunde maskeras av närliggande naturliga jordbävningar och därför missades i tidigare studier. Vi genomförde en detaljerad seismologisk studie av Salinas-bassängen i centrala Kalifornien. Studieområdet sticker ut på grund av dess närhet till San Andreas-förkastningen och för att avfallsvätskor injiceras med höga hastigheter nära seismiskt aktiva förkastningar.

Med hjälp av satellitradarbilder från 2016 till 2020, Shirzaei gjorde en överraskande observation:Vissa regioner i Salinas-bassängen lyfte med cirka 1,5 centimeter per år, lite över en halv tum. Denna höjning var en första indikation på att vätsketrycket är ur balans i delar av San Ardo-oljefältet. Ökande vätsketryck i bergporerna sträcker den omgivande bergmatrisen som en svamp som pumpas full med vatten. Den resulterande reservoarexpansionen höjer krafterna som verkar på de omgivande tektoniska förkastningarna.

Nästa, vi undersökte seismiska data och fann att vätskeinjektion och jordbävningar var starkt korrelerade under mer än 40 år. Förvånande, detta sträckte sig 15 miles från oljefältet. Sådana avstånd liknar det stora rumsliga fotavtrycket för injektionsbrunnar i Oklahoma. Vi analyserade det rumsliga mönstret av 1, 735 seismiska händelser inom studieområdet och hittade kluster av händelser nära injektionsbrunnar.

Andra områden i Kalifornien kan ha en liknande historia, och mer detaljerade studier behövs för att skilja naturliga från inducerade händelser där.

Hur man minskar jordbävningsrisken

De flesta avloppsvattenavfallsbrunnar och hydrauliska spräckningsbrunnar leder inte till jordbävningar som kan kännas, men brunnarna som orsakar problem har tre saker gemensamt:

• Dessa är injektionsbrunnar med hög volym;
• De injicerar i mycket permeabla klippformationer; och
• Dessa formationer är belägna direkt ovanför tektoniska förkastningar i den djupare geologiska källaren.

Även om det första problemet kan vara svårt att lösa eftersom en minskning av volymen av avfallsvätskor skulle kräva en minskning av mängden producerad olja, placeringen av injektionsbrunnar kan planeras mer noggrant. Den seismiska säkerheten för olje- och gasoperationer kan ökas genom att välja geologiska formationer som är bortkopplade från djupa förkastningar.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.