De opkomst van door injectie veroorzaakte aardbevingen in de VS.

In het afgelopen decennium hebben mensen in de hele centrale VS veel meer kleine tot middelgrote aardbevingen meegemaakt dan ooit tevoren. Hoewel Oklahoma bijvoorbeeld ver van de grenzen tussen tektonische platen ligt, begon de seismische activiteit daar rond het jaar 2009 toe te nemen en piekte het in 2015 en begin 2016. Vóór 2009 ervoer Oklahoma doorgaans slechts één of twee kleine aardbevingen met een magnitude groter dan 3,0 per jaar. Tegen 2015 was dat aantal gestegen tot meer dan 900 aardbevingen per jaar, waarvan 30 een momentomvang hadden van meer dan 4,0 (wat sterk genoeg is om de ondergang te veroorzaken). Een aardbeving met een magnitude van 5,7 trof in de buurt van de stad Praag, Okla., In 2011 een reeds bestaande fout en veroorzaakte ernstige schade aan verschillende huizen en schoolgebouwen. In de afgelopen zes jaar werden meer dan 1.500 meldingen van destructieve schudgebeurtenissen gedocumenteerd in voorheen vreedzame gebieden. Die verhoogde seismiciteit werd waarschijnlijk veroorzaakt door menselijke industriële activiteiten. Ongeveer acht miljoen mensen woonden in de gebieden met verhoogde aardbevingen en ambtenaren die verantwoordelijk waren voor de openbare veiligheid wilden de redenen voor de toename en de potentiële bedreigingen voor de samenleving begrijpen.

Oorzaken van gebeurtenissen veroorzaakt door aardbevingen.

Aardwetenschappers gingen de uitdaging aan om geïnduceerde aardbevingen beter te begrijpen. Wetenschappelijk bewijs had aangetoond dat sommige aardbevingen werden veroorzaakt door menselijke industriële activiteiten, voornamelijk door verwijdering door injectie van zout afvalwater geëxtraheerd met olie en gas in productieputten. De meeste geïnduceerde aardbevingen werden verondersteld te zijn veroorzaakt door veranderingen in vloeistofdruk in de buurt van reeds bestaande diepe fouten. De afvalwatervloeistoffen in diepe bergingsputten bevonden zich vaak meer dan anderhalve kilometer onder de grond, en de afvoer van afvalwater verhoogde de druk op vloeistoffen die de poriënruimte al bezetten. Die drukstijging maakte de fout los of verzwakte, waardoor het gemakkelijker werd voor een aardbeving.

Die hypothese die de oorzaak van geïnduceerde aardbevingen verklaart, werd gevalideerd in een Rangely, Colo. -Experiment uit 1969, waarbij de vloeistofdruk in een reservoir door pompen werd verhoogd en verlaagd. Aardbevingen kwamen vaker voor wanneer de druk werd verhoogd, zoals de hypothese voorspelde, en zeldzaam wanneer de druk werd verlaagd. Hydraulisch breken (fracking) - een gas- en petroleumterugwinningsproces waarbij vloeistofinjectie wordt gebruikt om scheuren in gesteente te openen om ingesloten gas of ruwe olie door een pijp naar een putkop aan de oppervlakte te laten stromen - bleek ook aardbevingen te veroorzaken en bleek de belangrijkste oorzaak zijn van geïnduceerde aardbevingen in British Columbia en West-Alberta, evenals enkele locaties in de VS Fracking zelf was echter niet de belangrijkste oorzaak van aardbevingsactiviteiten in Oklahoma en verschillende andere plaatsen in de VS, waar de aardbevingen het meest waren het resultaat van injectie van afvalwater. Een opmerkelijke aardbeving met vloeistofextractie, een gebeurtenis met een kracht van 4,8, vond plaats in oktober 2011 nabij Fashing, Texas. Andere veroorzaakte aardbevingen werden veroorzaakt door het vullen van reservoirs in Nevada en South Carolina. In de meeste gevallen stimuleren dergelijke industriële activiteiten geen aardbevingen. Vloeistofinjectiesnelheden en -volumes, foutoriëntaties, geaccumuleerde spanningen en rotseigenschappen moeten allemaal optimaal zijn om aardbevingen te veroorzaken.

Wetenschappers hadden fouten en zowel natuurlijke als geïnduceerde aardbevingen bestudeerd om de omvang en locaties van toekomstige aardbevingen beter te begrijpen en te voorspellen. De omvang of grootte van de aardbeving is gerelateerd aan het gebied dat de fout breekt. Wetenschappers onderzochten records van verschillende voorbeelden van historische natuurlijke aardbevingen die de afgelopen 300 jaar in de centrale en oostelijke VS hadden plaatsgevonden, waaronder een gebeurtenis van magnitude 7,3 in 1886 bij Charleston, SC, en de reeks schokken van ongeveer magnitude 7,5 die toesloeg in 1811–12 nabij New Madrid, Mo. Aardbevingen in het oosten van Noord-Amerika vonden plaats in de vorm van zwermen van seismische activiteit op niet-herkende fouten in centraal Virginia, oostelijk Tennessee, oostelijk Canada en New England. Veel van die gebeurtenissen dateren van vóór industriële activiteiten en waren dus hoogstwaarschijnlijk niet gerelateerd aan menselijke activiteiten. In de afgelopen paar jaar hadden wetenschappers gedebatteerd of geïnduceerde aardbevingen grote aardbevingen zouden kunnen veroorzaken op nabijgelegen oude fouten waarin opgebouwde spanningen klaar waren om te worden losgelaten. De aardbeving in Praag, Okla. 2011 in 2011 beantwoordde die vraag door aan te tonen dat aardbevingen tot een kracht van magnitude 5,7 zouden kunnen breken op reeds bestaande lange fouten. Daarom was de aanwezigheid van oude fouten een belangrijke factor bij het nauwkeurig voorspellen van de omvang van een aardbeving. De omvang en locatie van fouten bleven echter op veel plaatsen in de centrale en oostelijke VS, zoals Oklahoma, slecht begrepen en er werden wetenschappelijke inspanningen geleverd door de US Geological Survey, andere staats- en federale instanties en academische instellingen en in samenwerking met de aardolie-industrie om de locaties te identificeren van degenen die potentieel de gevaarlijkste waren.

Het evenement in Praag in 2011 was de grootste aardbeving die ooit in de VS is opgetekend, tot een aardbeving met een kracht van 5,8 in 2016 plaatsvond in de buurt van Pawnee, Oklahoma, die mogelijk is veroorzaakt. Elders werden echter sterkere aardbevingen waargenomen. In de buurt van Koynanagar, India, werd in 1967 vermoedelijk een verwoestende trilling van magnitude 6,3 veroorzaakt door hoge waterniveaus die in een reservoir waren opgeslagen, en gasonttrekking in Oezbekistan was waarschijnlijk de oorzaak van de aardbevingen met een kracht van magnitude 7,0 in 1976 en 1984. Dergelijke gegevens suggereerden dat geïnduceerde aardbevingen groter dan die van Praag mogelijk waren. Bovendien erkenden geologen fouten en prehistorische aardbevingsbreuken die werden veroorzaakt door aardbevingen met een kracht van 7,0 in Oklahoma en Colorado. Onderzoek naar aardbevingen in continentale interieurs buiten de VS toonde aan dat zulke grote natuurlijke aardbevingen mogelijk waren ver van de plaatgrenzen. Veel wetenschappers waren van mening dat veroorzaakte aardbevingen ook grote aardbevingen zouden kunnen veroorzaken op onontdekte oude fouten. Als een geïnduceerde gebeurtenis met een magnitude groter dan 5,6 echter resulteert, zou deze waarschijnlijk een magnitude hebben die dichter bij 6.0 dan bij 7.0 ligt, vergelijkbaar met geïnduceerde aardbevingen in analoge regio's.

Het risico op aardbevingen vergroten.

Zowel veroorzaakte als natuurlijke aardbevingen veroorzaken vergelijkbare niveaus van grondschudden. In vergelijking met natuurlijke aardbevingen zijn geïnduceerde aardbevingen echter vaak ondieper en zullen ze de grond niet zo gewelddadig ver van het epicentrum van de aardbeving schudden. Hoewel subtiele verschillen in schudden tussen de twee typen waren waargenomen, was er meer onderzoek nodig om die schudeigenschappen te begrijpen.

Projecties van grondschudden uitgevoerd door de US Geological Survey gaven aan dat geïnduceerde aardbevingen het gevaar in Oklahoma en andere plaatsen waar industriële processen de spanningen binnen de aarde beïnvloeden, hebben vergroot, zoals blijkt uit de eenjarige voorspelling van 2016 voor zowel geïnduceerde als natuurlijke aardbevingen. De gevarenberekening vereiste informatie over waar en hoe vaak aardbevingen zouden kunnen voorkomen, hun maximale grootte en de waarschijnlijke niveaus van grondschudden. Om de frequentie van de aardbeving in 2016 te voorspellen, hebben wetenschappers de aardbevingsfrequentie van 2015 zwaar overwogen, de standaard seismologische theorie gebruikt - met de grootste aardbevingen die naar verwachting over het algemeen een magnitude kleiner dan of gelijk aan 6,0 hebben - en een nieuw grondbewegingsmodel toegepast dat betere schattingen van schudden voor ondiepe aardbevingen.

De resultaten toonden aan dat Oklahoma, Kansas, Texas, Arkansas, New Mexico en Colorado in 2016 een kans van meer dan 1 op 100 hadden om schade te schudden, met de hoogste kans (ongeveer 1 op 10) in delen van Noord-Oklahoma en Zuid-Kansas. De geprojecteerde aardbevingen die in de prognose waren voorspeld, bleken in dat gebied behoorlijk in staat te zijn tot ondergang als de industriële activiteit onverminderd doorging. Op basis van die prognoses waren er maar weinigen verbaasd toen op 13 februari een aardbeving met een kracht van 5,1 in Fairview, Okla., Toesloeg.

De frequentie van aardbevingen in die regio leek tussen 2015 en 2016 echter te dalen. In de eerste helft van 2016 daalde het aantal aardbevingen bij bijvoorbeeld Irving en Dallas van ongeveer vier gebeurtenissen met een kracht van 3.0 of meer tot nul. Die verlaging houdt mogelijk verband met de olieprijs (die in 2015 en 2016 aanzienlijk is gedaald, waardoor de winning en de injectie van afvalwater is verminderd) en regelgevende maatregelen die het volume afvalwater dat in diepe boorgaten wordt gepompt, hebben verminderd. De eerste gegevens gaven hoop dat de percentages van geïnduceerde aardbevingen in 2016 zouden blijven dalen; de injectie-activiteiten gingen echter door in gebieden met een hoge mate van seismiciteit, en het was niet bekend of lagere injectievolumes geïnduceerde aardbevingen zouden elimineren of ze alleen maar zouden vertragen.

Hoewel de toename van de frequentie van geïnduceerde aardbevingen het meest merkbaar was in de centrale VS, waren er ook geïnduceerde aardbevingen waargenomen op verschillende locaties in Californië, waaronder de geisers en de geothermische energiegebieden van Coso. Bovendien toonde een onderzoek uit 2015 kleine veranderingen in het aantal aardbevingen in Zuid-Californië en merkte op dat er extra geïnduceerde activiteit zou kunnen plaatsvinden in de buurt van locaties met petroleumwinningsactiviteiten. Aangezien het aantal natuurlijke aardbevingen in dat gebied veel hoger was dan in de centrale VS, was het moeilijker om vast te stellen welke aardbevingen werden veroorzaakt en welke natuurlijk waren. Wetenschappers gingen door met het onderzoeken van veroorzaakte aardbevingen om toekomstige aardbevingseffecten beter te verzachten.