O krok bliżej do dokładnych przewidywań dotyczących trzęsień ziemi
Wydobywanie ropy i gazu z ziemi wymaga użycia ogromnych ilości wody. Ponieważ woda ta ulega silnemu zanieczyszczeniu podczas procesu ekstrakcji, jest ona usuwana przez ponowne wstrzyknięcie jej do gruntu pod bardzo wysokim ciśnieniem. Woda pod ciśnieniem przepływa przez przepuszczalne skały i pradawne linie uskoków, co może prowadzić do ich reaktywacji. Prawdopodobnie najlepiej udokumentowanym przypadkiem tego zjawiska jest niedawne trzęsienie ziemi o sile 5, które miało miejsce w stanie Oklahoma, w Stanach Zjednoczonych. „Obecnie sejsmiczność indukowaną poprzez zwiększone ciśnienie płynu można zaobserwować na całym świecie, a w niektórych przypadkach wiąże się ona z trzęsieniami ziemi o średniej i dużej sile”, wyjaśniają Marco Scuderi i Cristiano Collettini, koordynatorzy finansowanego ze środków UE projektu FEAT. Nadciśnienie cieczy wskazano jako jeden z podstawowych mechanizmów, które ułatwiają poślizg wzdłuż uskoków tektonicznych powodujący trzęsienie ziemi. Jednak teoria elastycznej dyslokacji w połączeniu z prawem tarcia sugeruje, że nadciśnienie płynu może hamować dynamiczne niestabilności, które wywołują trzęsienia ziemi. „Ta zagadka stanowi poważne wyzwanie dla naszego zrozumienia fizyki trzęsień ziemi, z istotnymi implikacjami dla sejsmicznych zdarzeń naturalnych i wywołanych przez człowieka”, mówi Scuderi. Jak twierdzi Scuderi, brak informacji na temat roli ciśnienia płynu w indukowanych zdarzeniach sejsmicznych wskazuje na znaczną lukę w wiedzy. Aby wypełnić tę lukę, w ramach projektu FEAT opracowano nowe techniki eksperymentalne do testowania istniejących praw tarcia w określonych warunkach brzegowych charakterystycznych dla sejsmiczności indukowanej. Dwa kluczowe wyniki Jeśli chodzi o nasze zrozumienie podstawowej fizyki nukleacji w trzęsieniu ziemi, naukowcy z zespołu projektu FEAT osiągnęli dwa kluczowe wyniki. Najpierw naukowcy symulowali warunki sejsmiczności indukowanej, gdzie ścieki są odprowadzane pod ziemią pod wysokim ciśnieniem. „Odkryliśmy, że kiedy ciśnienie płynu osiągnie krytyczną wartość, może wywołać poślizg sejsmiczny uskoku, nawet gdy uskok ma właściwości reologiczne, które powinny sprzyjać asejsmicznemu pełzaniu”, wyjaśnia Collettini. „Sugeruje to, że podczas procedur iniekcyjnych ciśnienie płynu powinno pozostawać poniżej progu krytycznego, aby zmniejszyć ryzyko indukowanych trzęsień ziemi”. Po drugie poprzez odtworzenie pełnego spektrum zachowań związanych z poślizgami w laboratorium – od asejsmicznego pełzania po powolne i regularne trzęsienia ziemi – naukowcy odkryli, że prekursorowe spowolnienie prędkości fali sejsmicznej poprzedza spadek naprężenia spowodowany trzęsieniem ziemi. „Ma to istotne implikacje dla zrozumienia procesów osłabiania stref uskoków poprzedzających trzęsienie ziemi i wdrażania systemów wczesnego ostrzegania”, dodaje Collettini. „W przyszłości postęp techniczny umożliwi na detekcję takich sygnałów wzdłuż naturalnych uskoków, a nasze obserwacje sugerują, że trzęsienie ziemi może zostać wykryte tuż przed jego wystąpieniem”. „Święty Graal” Ze względu na innowacyjny charakter tych eksperymentów badacze projektu musieli przezwyciężyć liczne wyzwania, zarówno pod względem technicznym, jak i obliczeniowym. Przykładowo, jak wyjaśnia Scuderi, zanim eksperymenty mogły się rozpocząć, naukowcy musieli ulepszyć istniejący aparat do odkształcania skał z dodatkowymi czujnikami w celu zmaksymalizowania ilości informacji, które można przetwarzać. Nawet po zebraniu danych musieli opracować nowe techniki analizowania rejestrowanych informacji. Zespół projektu miał również kilka pozytywnych niespodzianek. „Nieoczekiwaną niespodzianką było to, że po kilku miesiącach pracy nad analizą prędkości fal sejsmicznych i nowym podejściem do ich analizy, udało nam się znaleźć wyraźny i stały czynnik poprzedzający niepowodzenie”, mówi Scuderi. „Możliwość przewidywania trzęsień ziemi jest niczym Święty Graal dla każdego geofizyka i choć nadal daleko nam do dokładnych prognoz, taka konsekwencja w identyfikacji czynników poprzedzających niepowodzenie w przypadku uskoków eksperymentalnych stanowi istotny krok naprzód, co jest bardzo ekscytujące”.
Słowa kluczowe
FEAT, trzęsienia ziemi, geofizyka, sejsmiczność indukowana