När människor pumpar ner stora volymer vätska i marken, de kan utlösa potentiellt skadliga jordbävningar, beroende på den underliggande geologin. Detta har varit fallet i vissa olje- och gasproducerande regioner, där avloppsvatten, ofta blandad med olja, kasseras genom att injicera det tillbaka i marken - en process som har utlöst betydande seismiska händelser de senaste åren.

Nu MIT-forskare, arbetar med ett tvärvetenskapligt team av forskare från industri och akademi, har utvecklat en metod för att hantera sådan mänskligt inducerad seismicitet, och har visat att tekniken framgångsrikt minskade antalet jordbävningar som inträffade i ett aktivt oljefält.

Deras resultat, dyker upp idag i Natur , kan hjälpa till att mildra jordbävningar orsakade av olje- och gasindustrin, inte bara från insprutning av avloppsvatten producerat med olja, men också det som produceras från hydraulisk sprickbildning, eller "fracking". Teamets tillvägagångssätt kan också hjälpa till att förhindra skalv från andra mänskliga aktiviteter, såsom fyllning av vattenreservoarer och akviferer, och lagring av koldioxid i djupa geologiska formationer.

"Utlöst seismicitet är ett problem som går långt utöver att producera olja, " säger studiens huvudförfattare Bradford Hager, Cecil och Ida Green professor i geovetenskap vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap. "Detta är ett enormt problem för samhället som kommer att behöva konfronteras om vi säkert ska kunna injicera koldioxid i underytan. Vi visade vilken typ av studie som kommer att vara nödvändig för att göra detta."

Studiens medförfattare inkluderar Ruben Juanes, professor i civil- och miljöteknik vid MIT, och medarbetare från University of California vid Riverside, University of Texas i Austin, Harvard Universitet, och Eni, ett multinationellt olje- och gasföretag med säte i Italien.

Säkra injektioner

Både naturliga och mänskligt inducerade jordbävningar inträffar längs geologiska fel, eller sprickor mellan två stenblock i jordskorpan. Under stabila perioder, stenarna på vardera sidan av ett förkastning hålls på plats av trycket som genereras av omgivande stenar. Men när en stor volym vätska plötsligt injiceras i höga hastigheter, det kan rubba ett fels vätskestressbalans. I vissa fall, denna plötsliga injektion kan smörja ett fel och få stenar på båda sidor att glida och utlösa en jordbävning.

Den vanligaste källan till sådana vätskeinjektioner är från olje- och gasindustrins omhändertagande av avloppsvatten som tas upp tillsammans med olja. Fältoperatörer gör av med detta vatten genom injektionsbrunnar som kontinuerligt pumpar tillbaka vattnet till marken vid högt tryck.

"Det produceras mycket vatten med oljan, och att vatten injiceras i marken, som har orsakat ett stort antal skalv, " noterar Hager. "Så, ett tag, oljeproducerande regioner i Oklahoma hade fler skalv på magnituden 3 än Kalifornien, på grund av allt detta avloppsvatten som injicerades."

På senare år har ett liknande problem uppstod i södra Italien, där injektionsbrunnar på oljefält som drivs av Eni utlöste mikroseismer i ett område där stora naturligt förekommande jordbävningar tidigare inträffat. Företaget, letar efter sätt att lösa problemet, sökte konsultation från Hager och Juanes, både ledande experter på seismicitet och underjordiska flöden.

"Detta var en möjlighet för oss att få tillgång till högkvalitativ seismisk data om underytan, och lär dig hur du gör dessa injektioner på ett säkert sätt, säger Juanes.

Seismisk ritning

Teamet använde sig av detaljerad information, ackumulerat av oljebolaget under flera år av drift i oljefältet Val D'Agri, en region i södra Italien som ligger i en tektoniskt aktiv bassäng. Uppgifterna inkluderade information om regionens jordbävningsrekord, går tillbaka till 1600-talet, samt strukturen av stenar och förkastningar, och tillståndet hos underytan som motsvarar de olika injektionshastigheterna för varje brunn.

Forskarna integrerade dessa data i en kopplad underjordisk flödes- och geomekanisk modell, som förutsäger hur spänningarna och spänningarna i underjordiska strukturer utvecklas som volymen av porvätska, såsom från injektion av vatten, ändringar. De kopplade denna modell till en modell för jordbävningsmekanik för att översätta förändringarna i underjordisk stress och vätsketryck till en sannolikhet att utlösa jordbävningar. De kvantifierade sedan graden av jordbävningar i samband med olika hastigheter av vatteninjektion, och identifierade scenarier som sannolikt inte skulle utlösa stora skalv.

När de körde modellerna med hjälp av data från 1993 till 2016, förutsägelserna av seismisk aktivitet matchade med jordbävningsrekorden under denna period, validera deras tillvägagångssätt. De sprang sedan modellerna framåt i tid, till och med år 2025, att förutsäga regionens seismiska svar på tre olika injektionshastigheter:2, 000, 2, 500, och 3, 000 kubikmeter per dag. Simuleringarna visade att stora jordbävningar kunde undvikas om operatörerna höll injektionshastigheten på 2, 000 kubikmeter per dag – en flödeshastighet som kan jämföras med en liten allmän brandpost.

Enis fältoperatörer implementerade teamets rekommenderade hastighet vid oljefältets enda vatteninjektion väl under en 30-månadersperiod mellan januari 2017 och juni 2019. Under denna tid, laget observerade bara några små seismiska händelser, vilket sammanföll med korta perioder då operatörerna gick över den rekommenderade injektionshastigheten.

"Seismiciteten i regionen har varit mycket låg under dessa två och ett halvt år, med cirka fyra skalv av 0,5 magnitud, i motsats till hundratals skalv, upp till 3 magnitud, som hände mellan 2006 och 2016, " säger Hager.

Resultaten visar att operatörer framgångsrikt kan hantera jordbävningar genom att justera injektionshastigheter, baserat på den underliggande geologin. Juanes säger att lagets modelleringsmetod kan hjälpa till att förhindra jordbävningar relaterade till andra processer, som byggande av vattenreservoarer och lagring av koldioxid – så länge det finns detaljerad information om en regions underyta.

"Det krävs mycket ansträngning för att förstå den geologiska miljön, säger Juanes, vem noterar det, om kolsekvestering utfördes på utarmade oljefält, "sådana reservoarer kan ha den här typen av historia, seismisk information, och geologisk tolkning som du kan använda för att bygga liknande modeller för kolbindning. Vi visar att det åtminstone är möjligt att hantera seismicitet i en operativ miljö. Och vi erbjuder en plan för hur man gör det."

Denna forskning fick stöd, till viss del, av Eni.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.