أصبحت الزلازل التي يصنعها الإنسان، أو ما يسمى بالزلازل المستحثة، مصدر قلق متزايد في الآونة الأخيرة لدى العلماء.
تناولت دراسة جديدة، نُشرت في Proceedings of the National Academy of Sciences، هذه الزلازل بالبحث، في محاولة لتجنبها.
ماهي الزلازل المستحثة؟
تعرف الزلازل المستحثة بأنها الزلازل التي تحدث بسبب الأنشطة البشرية، ويمكن أن تنتج عن مجموعة متنوعة من الأنشطة، بما في ذلك التنقيب عن النفط والغاز، حيث يمكن أن تتسبب عمليات التكسير الهيدروليكي في إحداث زلزال عند حقن المياه والمواد الكيميائية تحت الأرض لكسر الصخور وتحرير النفط والغاز.
يمكن أن تحدث هذه الزلازل أيضًا أثناء الضخ الاصطناعي للمياه الجوفية، عندما تضخ المياه في الطبقات الجوفية لرفع منسوب المياه.
كما يمكن أن يتسبب التعدين في إحداث زلزال مستحثة عندما يتم إزالة الصخور من الأرض، مما يتسبب في تغيير الضغط على الصخور المحيطة.
يمكن أن تكون الزلازل المستحثة صغيرة أو كبيرة، ويمكن أن تحدث في أي مكان في العالم.
أشهر الزلازل المستحثة
في بعض الحالات، يمكن أن تكون الزلازل المستحثة خطيرة، مما يؤدي إلى وقوع إصابات أو أضرار بالممتلكات.
في تكساس 2020، وقع زلزال بقوة 5.5 درجة على مقياس ريختر في مقاطعة هاريس بولاية تكساس الأمريكية في 14 فبراير 2020، نجم عن عمليات التكسير الهيدروليكي في المنطقة.
وفي أوكلاهوما 2011، وقع زلزال بقوة 5.7 درجة على مقياس ريختر في مقاطعة مور بولاية أوكلاهوما الأمريكية في نجم عن عمليات التكسير الهيدروليكي في المنطقة.
وفي اليابان 2016، وقع زلزال بقوة 7.1 درجة على مقياس ريختر في مقاطعة فوكوشيما باليابان نجم عن عمليات الضخ الاصطناعي للمياه الجوفية في المنطقة.
كما شهدت إيطاليا 2012 زلزالا بقوة 6.2 درجة على مقياس ريختر في مقاطعة لاكويلا نجم عن التعدين في المنطقة.
في حالات قليلة، كانت “الزلازل المستحثة” قوية بما يكفي لإثارة القلق، وتسببت في إيقاف المشاريع، على سبيل المثال في زلزال بازل بسويسرا 2006، أو خلفت أضرارًا جسيمة كما حدث في بوهانج بكوريا الجنوبية 2017.
كيف نوقفها؟
أسفرت الأبحاث المكثفة عن محاولات ناجحة لتجنب مثل هذه الأحداث الجامحة كما هو الحال في مشروع هلسنكي للطاقة الحرارية الأرضية في عام 2018.
تقول الدراسة الجديدة إن مفتاح تجنب الزلازل الكبيرة المستحثة بشكل منهجي، هو فهم العمليات الفيزيائية الأساسية بشكل أفضل.
أفاد الدكتور لي وانغ وزملاؤه من قسم الميكانيكا الجيولوجية والحفر العلمي بجامعة أوسلو بالنرويج، أن خشونة الصدوع الموجودة مسبقا وعدم تجانس الإجهاد المرتبط بها في الخزانات الجيولوجية تلعب دورا رئيسيا في التسبب في مثل هذه الأحداث الجامحة.
تجمع الدراسة بين تجارب حقن السوائل الجديدة تحت المراقبة الصوتية التي أجريت في مختبر GFZ الجيوميكانيكي مع نتائج النمذجة العددية.
يقول المؤلف الأول الدكتور وانغ الذي صمم وأجرى التجارب والنمذجة: “وجدنا أن الصدوع الخشنة والسلسة في الصخور تصرفت بشكل مختلف تماما خلال تجاربنا المعملية. هذه ملاحظة مثيرة حيث أثبتنا التوطين التدريجي للنشاط الزلزالي المجهري الذي يشير إلى انتقال الإجهاد قبل الأحداث الكبيرة المستحثة أثناء حقن السوائل “.
تسلط الزلازل الناتجة عن الحقن في المختبر الضوء على الدور المهم لخشونة الصدع
من الصعب تحديد خصائص خشونة الصدوع والكسور النشطة على طول الصدوع التكتونية بالإضافة إلى الصدوع الموجودة مسبقًا ولكن غير النشطة في الخزانات الجيولوجية.
للتغلب على الدقة غير الكافية عند تصوير أو مراقبة مثل هذه الأخطاء في الطبيعة، قامت مجموعة البحث “بتصغير الحجم” إلى مقياس الديسيمتر لإعداد أخطاء معملية ذات خشونة سطحية محددة.
بعد ذلك تم ضغطها إلى حالات الإجهاد الحرجة تقريبًا باستخدام جهاز ضغط MTS ثلاثي المحاور.
تم تجهيز عينات الصخور أيضًا بأجهزة استشعار متعددة بما في ذلك أجهزة قياس الزلازل المعملية القائمة على الضغط البيزو لرصد آلاف الزلازل الصغيرة، ما يسمى بالانبعاثات الصوتية، التي تشير إلى التشوه داخل الصخور المضغوطة قبل أن تنكسر.
بعد ذلك تم حقن السوائل في العينات التي تحاكي حقن السوائل في الخزانات الجيولوجية.
التحكم في الزلازل
يقول جورج دريسن، الأستاذ في قسم الميكانيكا الجيولوجية والحفر العلمي في GFZ، الذي أشرف على الدراسة وبدأها: “مكننا التحكم في الظروف الحدودية واستخدام شبكة مراقبة كثيفة في المختبر من تصوير تطور الزلازل المختبرية المستحثة بالإضافة إلى التشوه الزلزالي البطيء واشتقاق المعلمات الرئيسية مثل انزلاق الصدع ومعدل الانزلاق، مما يوفر صورة شاملة لفهم فيزياء الزلازل الناجمة عن الحقن بشكل أفضل”.
بالمقارنة مع الصدوع الملساء، فإن الانزلاق الناتج عن الحقن على الصدوع الخشنة ينتج عنه مجموعات محلية مكانية من الانبعاثات الصوتية التي تحدث حول درجات عالية من التوتر.
هناك تكون معدلات الانزلاق المحلي المستحث أعلى، مصحوبة بعدد أكبر نسبيًا من الأحداث الكبيرة.
تُقاس هذه الآلية عادةً بـ “قيمة جوتنبرج-ريختر ب” كمقياس للإجهاد.
يقوم حقن السوائل أولاً بإعادة تنشيط بقع الصدع من خلال الانزلاق الزلزالي البطيء والتسبب في أحداث زلزالية قليلة وصغيرة فقط، يليها توطين تدريجي يؤدي في النهاية إلى أحداث مستحثة كبيرة.
يقول البروفيسور. ماركو بونهوف، رئيس قسم الميكانيكا الجيولوجية والحفر العلمي في GFZ: “هذه الدراسة لها آثار مهمة على الزلازل المستحثة: فهي تعني أنه عند مراقبة حقن السوائل في الخزانات الجيولوجية في الوقت الحقيقي، قد يسمح ذلك بتحديد عمليات التوطين هذه قبل نشوء الأحداث المستحثة الأكبر مما يسمح بتجنبها”.
تعد هذه الدراسة جزءًا من مبادرة بحثية بدأت مؤخرًا تهدف إلى التنبؤ بشكل أفضل بالزلازل المستحثة في الخزانات الجيولوجية وفي النهاية أيضًا الزلازل الطبيعية الكارثية الكبيرة.
جزء من هذه المبادرة هو جلب العمليات من النطاق الميداني إلى المختبر حيث يمكن التحكم في المعلمات الحدودية ويمكن إعادة إنتاج العمليات التي تؤدي إلى الأحداث الزلزالية.
ويخلص ماركو بونهوف إلى القول: “إن الأساليب الجديدة لمعالجة البيانات وضبط أساليب الزلازل الكلاسيكية لتحليل الزلازل، والموجودة الآن أيضًا في المختبر، تشكل الأساس لفهم عمليات تشوه الصخور بمزيد من التفصيل.
تتضمن الدراسات مثل تلك التي نشرها وانغ وزملائه الآن إمكانية التخفيف من المخاطر الزلزالية التي يتسبب فيها الإنسان، وهو شرط مسبق للوصول إلى القبول العام عند استخدام باطن الأرض الجيولوجي لتخزين الطاقة واستخراجها كعنصر أساسي في تحول الطاقة.
تابعنا على نبض