Ученые Технологического института Вирджинии обнаружили, что в регионах, где сброс сточных вод с нефтяных месторождений широко распространен, и где нагнетаемая вода имеет более высокую плотность, чем глубинные естественные жидкости, землетрясения становятся глубже с той же скоростью, что и сточные воды.
Возможно, что более важно, исследовательская группа ученых-геофизиков обнаружила, что процент сильных землетрясений увеличивается с глубиной и может вызвать, хотя и меньшее количество, землетрясения большей магнитуды спустя годы после снижения или полного прекращения инъекций.
Исследование, проведенное под руководством Райана М. Поллиа из отдела наук о Земле Технического колледжа Вирджинии, было опубликовано 16 июля в журнале Nature Communications. Это показывает, что в таких областях, как Оклахома и южный Канзас, есть свидетельства того, что сточные воды нефтяных месторождений, закачиваемые под землю в формацию Арбакл, имеют гораздо более высокую плотность, чем природные флюиды, залегающие в более глубоких разломах сейсмогенной зоны.
Проблема: сточные воды опускаются и увеличивают давление жидкости глубоко под землей, когда они имеют более высокую плотность, чем жидкости, которые уже находятся там естественным образом. Такие глубокие изменения давления - на глубине до 5 миль и более - могут вызывать более сильные землетрясения, даже несмотря на то, что общее число землетрясений уменьшается.
"Землетрясения в настоящее время являются обычным явлением в центральной части Соединенных Штатов, где количество землетрясений магнитудой 3 или более увеличилось примерно с 19 в год до 2008 года до более 400 в год с тех пор", - сказал Поллиа, доцент кафедры геолого-геофизических наук. и директор Лаборатории вычислительных геофлюидов в Технологическом институте Вирджинии.(Поллиа добавляет, что общее количество землетрясений в год снижается с 2016 года.)
«Во многих случаях эти землетрясения происходят, когда сточные воды нефтяных месторождений удаляются путем закачки их в глубокие геологические формации», - добавил Полли. «Поскольку сточные воды закачиваются глубоко под землю, давление жидкости возрастает и мигрирует от нагнетательных скважин. Это дестабилизирует разломы и вызывает «индуцированные закачкой» землетрясения, такие как разрушительное землетрясение магнитудой 5,8, которое произошло в Пауни, штат Оклахома, в 2016 году».
Поллиа выступил автором исследования вместе с Мартином Чепменом, доцентом геолого-геофизических исследований и директором Технической сейсмологической обсерватории Вирджинии; и Ричард С. Джейн и Хао Ву, оба аспиранты Технологического института Вирджинии. В исследовании использовалось компьютерное моделирование и анализ данных о землетрясениях в обширной области северной Оклахомы и южной части Канзаса - примерно 30 000 квадратных миль.
«Это был удивительный результат, - сказал Чепмен. «Это предполагает, что опускание сточных вод увеличивает давление жидкости на больших глубинах и может вызвать более сильные землетрясения».
Проанализировав данные о землетрясениях, исследователи обнаружили, что количество землетрясений силой более 4 баллов увеличилось более чем на 150 процентов с 2017 по 2018 год, в то время как количество землетрясений силой 2,5 балла или выше уменьшилось на 35 процентов за тот же период. Грубо говоря, общее количество землетрясений начинает уменьшаться, но процент землетрясений большей магнитуды увеличивается.
«Наши модели показывают, что сточные воды с высокой плотностью могут продолжать опускаться и увеличивать давление жидкости на глубине 5 и более миль в течение 10 или более лет после прекращения закачки», - сказал Поллиа. «Существует большая доля землетрясений высокой магнитуды на глубинах более 5 миль в северо-центральной части Оклахомы и южном Канзасе, но на этих глубинах происходит меньше землетрясений. Это означает, что частота землетрясений большой магнитуды снижается медленнее. чем общая частота землетрясений."
Исследование также показало, что давление жидкости, вызванное опусканием сточных вод, остается в окружающей среде гораздо дольше, чем считалось ранее.«Наши модели показывают, что сточные воды с высокой плотностью продолжают опускаться и повышать давление жидкости в течение 10-15 лет после прекращения закачки, и это может продлить опасность землетрясений в таких регионах, как Оклахома и Канзас», - сказал Поллиа.
Важно отметить, что Полли и его коллеги не говорят, что все операции по удалению сточных вод с нефтяных месторождений вызывают землетрясения, и при этом они не предсказывают сильное и потенциально разрушительное землетрясение в регионе Среднего Запада. Исследование также не указывает на то, что рост давления, обусловленный плотностью, происходит везде, где происходят операции по очистке сточных вод нефтяных месторождений.
Исследователи знали с 1960-х годов, что закачка жидкостей глубоко под землю может вызвать землетрясения, сказал Поллиа, но это исследование впервые показало, что плотность самой сточной воды играет роль в возникновении землетрясений. Чем тяжелее флюид, тем больше эффект вытеснения природных флюидов и тем больше изменение давления флюида. А именно: возьмите чашку соленой морской воды, насыщенной растворенными частицами, и вылейте ее в стакан обычной водопроводной воды. Прежде чем они смешаются, более тяжелая океанская вода опустится на дно, вытеснив «более легкую» воду из-под крана наверх.
"В предыдущих моделях порового давления предполагалось, что плотность закачиваемых флюидов такая же, как и плотность вмещающих пород, но реальный мир отличается, и закачиваемые флюиды часто тяжелее", - сказал Шемин Гэ, профессор и заведующий кафедрой геологических наук Университета Колорадо, который не участвовал в исследовании. «В этом исследовании изучается влияние более тяжелых флюидов на поровое давление и, следовательно, на возникновение землетрясений. Более тяжелые закаченные флюиды имеют тенденцию мигрировать вниз, что, что интересно, отслеживает возникновение землетрясений».
По словам исследовательской группы, новое исследование предлагает ученым, регулирующим органам и политикам новую основу для управления сбросом сточных вод с нефтяных месторождений и связанной с этим опасностью землетрясений. В таких местах, как Оклахома, где принимаются меры по смягчению последствий землетрясений, результаты этого исследования могут быть особенно важными, поскольку сочетание постоянного и усиливающегося давления жидкости предполагает, что скорость сильных землетрясений, вероятно, снижается медленнее, чем общая частота землетрясений.
Финансирование этого исследования поступило от Геологической службы США, Программа по предотвращению землетрясений.