Süstimisest põhjustatud maavärinad USA-s

Viimase kümnendi jooksul kogesid USA keskosas elavad inimesed palju rohkem väikese kuni keskmise suurusega maavärinaid kui kunagi varem. Näiteks kuigi Oklahoma asub kaugel tektooniliste plaatide vahelistest piiridest, hakkas seismiline aktiivsus seal suurenema umbes 2009. aastal ning saavutas haripunkti 2015. aastal ja 2016. aasta alguses. Enne 2009. aastat oli Oklahomas tavaliselt vaid üks või kaks väikest maavärinat, mille magnituudid olid suuremad kui 3,0. aastas. 2015. aastaks oli see arv tõusnud enam kui 900 maavärinani aastas, millest 30 oli hetkeline suurusjärk suurem kui 4,0 (mis on piisavalt tugev, et hävingut põhjustada). Üks 5,7-suurune maavärin tabas 2011. aastal Praha linnas Okla lähedal varasemat viga ning põhjustas mitmetele majadele ja koolihoonetele tõsiseid kahjustusi. Viimase kuue aasta jooksul on varem rahulikes piirkondades dokumenteeritud üle 1500 teate hävitavatest värisemisündmustest. Selle suurenenud seismilisuse põhjustasid tõenäoliselt inimeste tööstustegevused. Umbes kaheksa miljonit inimest elas suurenenud maavärinaga piirkondades ning avaliku turvalisuse eest vastutavad ametnikud soovisid mõista selle suurenemise põhjuseid ja võimalikke ohte ühiskonnale.

Maavärina põhjustatud sündmuste põhjused.

Maateadlased võtsid vastu väljakutse, et paremini mõista põhjustatud maavärinaid. Teaduslikud tõendid on näidanud, et mõned maavärinad olid põhjustatud inimeste tööstustegevusest, peamiselt õli, gaasi ja kaevandatud soolase reovee ladestamisega kaevudesse. Arvati, et enamik põhjustatud maavärinaid on põhjustatud vedeliku rõhu muutustest eelnevate sügavate rikete lähedal. Süvaveekaevudes asuvad reoveevedelikud asusid sageli rohkem kui miili maa all ja reovee ärajuhtimine suurendas survet vedelikuplokkidele, mis juba hõivavad pooriruumi. See rõhutõus kinnitamata või nõrgendas tõrget, muutes seeläbi maavärina toimumise lihtsamaks.

See hüpotees, mis selgitab põhjustatud maavärinate põhjust, kinnitati 1969. aasta Rangely, Colo. Eksperimendis, kus vedeliku rõhku reservuaaris tõsteti ja langetati pumpamise teel. Maavärinad muutusid sagedamini rõhkude tõstmisel, nagu hüpotees ennustas, ja haruldased, kui rõhku vähendati. Hüdrauliline purustamine (fraktsioneerimine) - gaasi ja nafta taaskasutamise protsess, mille käigus vedeliku sissepritse abil tekivad kivimisse lõhed, võimaldavad kinni jäänud gaasi või toornafta voolata läbi toru pinna kaevupeasse - näitasid samuti põhjustavat maavärinaid ja leiti, et Briti Columbias ja Alberta lääneosas, aga ka mõnedes USA alades põhjustatud maavärinate peamiseks põhjustajaks. Fracking ise ei olnud siiski põhjustatud põhjustatud maavärina aktiivsuse põhjustaja Oklahomas ja mitmetes teistes USA kohtades, kus maavärinad olid enamasti aset leidnud tekkinud reovee sissepritse tagajärjel. Üks tähelepanuväärne vedeliku ekstraheerimise maavärin, suurusjärgus 4,8, toimus 2011. aasta oktoobris Texase osariigis Fashingi lähedal. Teised põhjustatud maavärinad vallandasid Nevada ja Lõuna-Carolina veehoidlad. Enamasti ei stimuleeri selline tööstustegevus maavärinaid. Maavärinate esilekutsumiseks peavad vedeliku sissepritsimiskiirused ja -mahud, rikke suundumused, akumuleeritud pinged ja kivimi omadused olema optimaalsed.

Teadlased olid uurinud rikkeid ja nii looduslikke kui ka põhjustatud maavärinaid, et paremini mõista ja ennustada tulevaste maavärinate suurust ja asukohti. Maavärina tugevus või suurus on seotud alaga, mis rikke tõttu rebeneb. Teadlased kontrollisid USA-i kesk- ja idaosas viimase 300 aasta jooksul aset leidnud ajalooliste looduslike maavärinate mitme näite andmeid, sealhulgas 7,3-magnituudine sündmus 1886. aastal Charlestoni lähedal SC-s ja 7,5-magnituudised löögisarjad, mis tabasid 1811–12 New Madriidi lähedal, Mo. Põhja-Ameerika idaosas toimusid maavärinad seismilise aktiivsuse sülemidena tundmatutele vigadele Kesk-Virginias, Tennessee idaosas, Kanada idaosas ja Uus-Inglismaal. Paljud neist sündmustest eelnesid tööstustegevusele ja seega polnud need tõenäoliselt seotud inimtegevusega. Viimase paari aasta jooksul on teadlased arutanud, kas põhjustatud maavärinad võivad põhjustada suuri maavärinaid iidsete rikete lähedal, mille korral sisseehitatud pinged olid vabastamiseks valmis. 2011. aastal Prahas (Okla) toimunud maavärin vastas sellele küsimusele, näidates, et kuni 5,7-magnituudised maavärinad võivad olemasolevate pikkade rikete korral rebeneda. Seetõttu oli maavärina suuruse täpseks ennustamiseks oluline tegur iidsete rikete olemasolu. Rikete suurus ja asukoht olid USA kesk- ja idaosas, näiteks Oklahomas, paljudes kohtades halvasti mõistetavad ning USA geoloogiakeskus, muud osariikide ja föderaalagentuurid ning akadeemilised asutused tegid teaduslikke jõupingutusi partnerluses naftatööstusele, et teha kindlaks kõige ohtlikumate asukohtade asukohad.

2011. aasta Praha sündmus oli USA-s suurim rekordiliselt registreeritud maavärin, kuni 2016. aastal toimus Oklahomas Pawnee lähedal maavärin, mille tugevus oli 5,8 ja mis võis olla põhjustatud. Tugevamaid maavärinaid täheldati aga ka mujal. India Koynanagari lähedal 1967. aastal arvati, et reservuaaris oleva kõrge veetasemega on vallandatud laastav magnituud - 6,3 värisemine - Usbekistanis võis gaasi eemaldamise tegevus tõenäoliselt kahjustada 1976. aastal aset leidnud 7,0-magnituudilisi maavärinaid. ja 1984. Sellised andmed viitasid sellele, et Prahast suuremad maavärinad olid võimalikud. Lisaks tunnistasid geoloogid rikete ja eelajalooliste maavärinate rebendeid, mis olid põhjustatud Oklahoma ja Colorado 7,0-magnituudistest maavärinatest. USA-st väljaspool asuvate mandriosade maavärinate uuringud näitasid, et sellised suured looduslikud maavärinad olid võimalikud plaatide piiridest kaugel. Paljud teadlased uskusid, et põhjustatud maavärinad võivad vallandada iidsete rikete korral ka suured maavärinad. Kui aga põhjustatud indikatiivse sündmuse suurusjärk on suurem kui 5,6, on selle tõenäosus lähemal 6,0-le kui 7,0-le, sarnaselt analoogiliste piirkondade põhjustatud maavärinatega.

Maavärinaohu suurendamine.

Nii põhjustatud kui ka looduslikud maavärinad põhjustavad maapinna raputamist samal tasemel. Võrreldes looduslike maavärinatega on indutseeritud maavärinad sageli madalamad ja ei pruugi raputada maad maavärina epitsentrist vägivaldselt kaugel. Ehkki kahe tüübi vahelises raputamises oli täheldatud väikseid erinevusi, oli nende raputamisomaduste mõistmiseks vaja rohkem uuringuid.

USA geoloogiakeskuse tehtud maapinna raputamise prognoosid näitasid, et põhjustatud maavärinad suurendasid ohtu Oklahomas ja teistes kohtades, kus tööstuslikud protsessid mõjutavad maakera pingeid, nagu on näidatud 2016. aastal nii põhjustatud kui ka looduslike maavärinate üheaastases prognoosis. Ohu arvutamisel oli vaja teavet selle kohta, kus ja kui sageli maavärinad võivad aset leida, nende maksimaalsest suurusest ja maapinna raputamise tõenäolisest tasemest. 2016. aasta põhjustatud maavärina sageduse prognoosimiseks kaalusid teadlased 2015. aasta maavärina sagedust tugevalt, kasutasid standardset seismoloogilist teooriat - suurimate põhjustatud maavärinatega, mille üldine suurusjärk on tavaliselt 6,0 või väiksem - ning rakendasid uut maapealse liikumise mudelit, mis andis madalate maavärinate raputamise täpsemad hinnangud.

Tulemustest selgus, et Oklahoma, Kansase, Texase, Arkansase, New Mexico ja Colorado tõenäosus raputada kahjusid on 2016. aastal suurem kui üks sajast ning suurim tõenäosus (umbes 1 kümnest) on Oklahoma põhjaosas ja Kansase lõunaosas.. Prognoosi kohaselt põhjustatud maavärinad osutusid selles piirkonnas üsna võimsaks varemete tekitamiseks, kui tööstustegevus ei vähene. Nende prognooside põhjal olid vähesed üllatunud, kui Okla osariigis Fairview lähedal 13. veebruaril tabas 5,1-magnituudine maavärin.

Maavärinate sagedus selles piirkonnas näis aga aastatel 2015–2016 vähenevat. 2016. aasta esimesel poolel langes näiteks Irvingi ja Dallase lähedal aset leidvate maavärinate arv umbes neljalt korral, mille suurusjärk oli 3,0 või suurem, nullini. See alandamine võib olla seotud nafta hinnaga (mis langes 2015. ja 2016. aastal märkimisväärselt, vähendades seeläbi kaevandamist ja reovee sissejuhtimist) ja regulatiivsete meetmetega, mis vähendasid sügavatesse puuraukudesse pumbatava reovee mahtu. Esialgsed andmed andsid lootust, et põhjustatud maavärinate määr väheneb 2016. aastal jätkuvalt; süstimistegevused jätkusid kõrge seismilisusega piirkondades ja polnud teada, kas madalamad süstimismahud kõrvaldavad põhjustatud maavärinad või lükkavad need lihtsalt edasi.

Kui indutseeritud maavärinate sageduse suurenemine oli kõige märgatavam USA keskosas, oli indutseeritud maavärinaid täheldatud ka Californias mitmes kohas, sealhulgas geisrite ja Coso geotermilise energia piirkondades. Lisaks näitas 2015. aasta uuring väikseid muutusi Lõuna-Californias toimunud maavärinate esinemissageduses ja märkis, et täiendav indutseeritud aktiivsus võib toimuda nafta ekstraheerimisega seotud kohtade läheduses. Kuna looduslike maavärinate määr oli selles piirkonnas palju suurem kui USA keskosas, oli keerulisem kindlaks teha, millised maavärinad olid põhjustatud ja millised olid looduslikud. Teadlased jätkasid põhjustatud maavärinate uurimist, et tulevasi maavärina tagajärgi paremini leevendada.