Cutremurele uriașe pot prezice cele mai mici, cauzate de oameni

Cutremurele uriașe, îndepărtate, pot ajuta oamenii de știință să identifice locurile în care oamenii sunt susceptibili de a declanșa cutremurări mai mici atunci când injectează fluid în adâncime în depozitele geologice.

Oamenii de știință știu de zeci de ani că injectarea unor volume uriașe de lichid în subteran – cum ar fi deșeurile provenite din fracturarea hidraulică sau fracking – poate declanșa cutremure. Dar în cele mai multe cazuri nu, iar oamenii de știință nu pot prezice când și unde vor avea loc astfel de cutremure induse de om.

În 12 iulie Ştiinţă, seismologii raportează că cutremure masive declanșează unde seismice care pot declanșa tremurături în apropierea puțurilor de evacuare a apelor uzate, aflate la o jumătate de lume distanță. Cutremurele mici pot fi un semn de avertizare că o defecțiune este aproape de rupere.

„Când vedem declanșarea de la distanță, pare să prefigureze cutremure induse mai mari”, spune coautorul Nicholas van der Elst de la Observatorul Pământului Lamont-Doherty al Universității Columbia din Palisades, NY. „Arata că defecțiunile ating un punct de cotitură”.

Preocupările cu privire la cutremurele cauzate de oameni au crescut în ultimii ani, deoarece activitatea cutremurelor a crescut în locuri neașteptate. Din 1967 până în 2000, centrul și estul Statelor Unite au suferit în medie 21 de cutremure pe an cu magnitudinea 3 sau mai mare. Din 2010 până în 2012, regiunea a avut peste 300 de astfel de cutremure, relatează William Ellsworth, seismolog la US Geological Survey din Menlo Park, California, în același număr al Ştiinţă.

O creștere a cutremurelor în Arkansas, Colorado, Ohio, Texas și în alte părți pare să coincidă cu o creștere a extragerii de gaze naturale și petrol din formațiunile de șist din acele state. Petrolul și gazele nu curg ușor prin șisturi impermeabile, așa că companiile petroliere forează puțuri orizontale și pompează fluid sub presiune pentru a fractura o mică secțiune de rocă (SN: 9/8/12, p.20). Acest proces de fracturare în sine nu provoacă cutremure, spune Ellsworth. Dar fluidul de fracturare iese la suprafață împreună cu petrolul sau gazul. Contaminat de un amestec de substanțe chimice, fluidul este eliminat atunci când companiile îl injectează adânc în subteran, unde pune presiune pe defecțiuni.

„De fiecare dată când schimbăm regimul fluidului în subteran, am putea aduce o defecțiune mai aproape de eșec”, spune Ellsworth.

Statele Unite ale Americii găzduiesc zeci de mii de puțuri de eliminare a apelor uzate. „Marea majoritate”, spune Ellsworth, „nu par să inducă cutremure”. Oamenii de știință nu înțeleg de ce doar unii prezintă un risc.

Descoperirea lui van der Elst și colegii săi îi poate ajuta pe oamenii de știință să identifice locurile în care vor apărea cutremure. Examinând activitatea seismică din Midwest din 2003 până în 2013, cercetătorii au descoperit că cutremurele îndepărtate păreau să inițieze mici tremurături în apropierea unor puțuri de evacuare a apelor uzate, care la rândul lor au prevestit cutremure mai mari. La fiecare dintre cele trei locații, în Oklahoma, Texas și Colorado, echipa a constatat creșteri ale activității seismice în zilele care au urmat cel puțin unui cutremur masiv, un cutremur cu magnitudinea 8,8 din 2010 în Chile, un eveniment cu magnitudinea 9,1 din 2011 în Japonia și un cutremur cu magnitudinea 8,6. în Sumatra în 2012. La șase până la 20 de luni după cutremurele inițiale, fiecare dintre cele trei locuri a suferit cutremure cu magnitudinea de la 4,3 la 5,7.

Undele seismice de la temblor giganți au perturbat probabil fluidele din falii, crescând presiunea, spune van der Elst.
Dacă operatorii pot identifica când o defecțiune este pe cale să se rupă, pot ajusta cantitatea de lichid pe care o injectează într-o puț sau pot opri complet injecția. Cu toate acestea, utilitatea acestei prevestiri ca instrument de monitorizare este limitată, deoarece cutremure mari care pot declanșa tremurături de la distanță apar doar rar, spune Cliff Frohlich, seismolog la Universitatea Texas din Austin. Se întâmplă aproximativ o dată pe an.

O altă limitare este că nu toate zonele de apă uzată care au produs cutremure în timpul studiului au răspuns la declanșarea de la distanță. Van der Elst sugerează că atunci când o sondă este foarte aproape de o defecțiune, doar câteva luni – mai degrabă decât ani sau decenii – de injecție de fluid pot crea presiune și pot cauza alunecarea unei defecțiuni. În aceste cazuri, există puține șanse ca un cutremur mare să se întâmple înainte ca defecțiunea să atingă punctul de vârf.

Chiar și cu avertismente, lucrarea îi ajută pe oamenii de știință să înțeleagă mai bine natura cutremurelor induse, la fel ca și un studiu separat în Ştiinţăpublicat pe 11 iulie. Poate oferi o modalitate de a evalua riscul seismic de pompare a apei în și afară a solului. Examinând un câmp geotermal din California, cercetătorii au descoperit că volumul net de apă retras a reflectat tiparul de activitate seismică al câmpului din ultimii 30 de ani. Rezultatele ar putea ajuta la ghidarea deciziilor cu privire la cantitatea de apă care trebuie extrasă și injectată în astfel de instalații și ar putea face lumină asupra forțelor care generează cutremure legate de om.

În lucrare, Emily Brodsky și Lia Lajoie, de la Universitatea din California, Santa Cruz, au analizat activitatea seismică din 1981 până în 2012 la câmpul geotermal Salton Sea, care se află lângă capătul sudic al faliei San Andreas din California. La centrala geotermală, apa caldă este extrasă din sol pentru a rula turbinele și apoi o parte din apă este recaptată și repusă în pământ. Pe parcursul celor 30 de ani, la fața locului au avut loc mii de cutremure cu magnitudinea de aproximativ 5 grade.

După ce au contabilizat statistic replicile, cercetătorii au descoperit că modelul cutremurelor induse în timp a fost legat de volumul de apă extras minus apa injectată. Deoarece se retrage mai multă apă decât este înlocuită într-un câmp geotermal, presiunea ar trebui să scadă în defecțiunile afectate. Deci, lucrările lui Brodsky și Lajoie sugerează că creșterea presiunii nu este singurul vinovat din spatele cutremurelor induse. Alți factori, cum ar fi tasarea, pot pune accent pe o defecțiune, spune Brodsky. „Echilibrul de accent a fost pe efectul lichidului injectat”, spune ea. „Se pare că există cazuri în care extracția contează.”

Următorul pas este să studiem alte câmpuri geotermale și locuri de eliminare a apelor uzate pentru a vedea dacă apar relații similare. Cunoașterea modului în care cantitatea de fluide afectează activitatea seismică este importantă pentru planificare, Frohlich spune.

În cea mai mare parte, cutremurele legate de eliminarea apelor uzate au fost mici până la moderate și nu au cauzat prea multe daune. Dar o astfel de injecție de lichid are loc doar de câteva decenii. Este prea devreme pentru a ști cât de riscante sunt cu adevărat aceste puțuri și dacă merită riscul, spune Brodsky. Când astfel de fântâni erau limitate la locuri îndepărtate, cum ar fi West Texas, micile bubuituri din pământ nu au deranjat pe nimeni, adaugă Frohlich. Acum că sunt construite în apropierea zonelor dens populate precum Dallas, oamenii regândesc pericolele.