Der Anstieg von durch Injektionen verursachten Erdbeben in den USA

Während des letzten Jahrzehnts erlebten Menschen in den zentralen USA viel mehr kleine bis mittelgroße Erdbeben als je zuvor. Obwohl Oklahoma weit entfernt von den Grenzen zwischen tektonischen Platten liegt, begann die seismische Aktivität dort um das Jahr 2009 zuzunehmen und erreichte 2015 und Anfang 2016 ihren Höhepunkt. Vor 2009 erlebte Oklahoma typischerweise nur ein oder zwei kleine Erdbeben mit einer Stärke von mehr als 3,0 pro Jahr. Bis 2015 war diese Zahl auf mehr als 900 Erdbeben pro Jahr gestiegen, von denen 30 eine Momentstärke von mehr als 4,0 hatten (was stark genug ist, um den Ruin zu verursachen). Ein Beben mit einer Stärke von 5,7 ereignete sich 2011 in der Nähe der Stadt Prag, Okla., Aufgrund eines bereits bestehenden Fehlers und verursachte schwere Schäden an mehreren Häusern und Schulgebäuden. In den letzten sechs Jahren wurden mehr als 1.500 Berichte über zerstörerische Erschütterungsereignisse in zuvor friedlichen Gebieten dokumentiert. Diese erhöhte Seismizität wurde wahrscheinlich durch menschliche industrielle Aktivitäten verursacht. Ungefähr acht Millionen Menschen lebten in Gebieten mit vermehrten Erdbeben, und die für die öffentliche Sicherheit zuständigen Beamten wollten die Gründe für die Zunahme und die potenziellen Bedrohungen für die Gesellschaft verstehen.

Ursachen für induzierte Erdbebenereignisse.

Erdwissenschaftler stellten sich der Herausforderung, induzierte Erdbeben besser zu verstehen. Wissenschaftliche Erkenntnisse hatten gezeigt, dass einige Erdbeben durch industrielle Aktivitäten des Menschen verursacht wurden, hauptsächlich durch Entsorgung durch Injektion von salzigem Abwasser, das mit Öl und Gas in Produktionsbohrungen gewonnen wurde. Es wurde angenommen, dass die meisten induzierten Erdbeben durch Änderungen des Flüssigkeitsdrucks in der Nähe bereits vorhandener tiefer Fehler verursacht wurden. Die Abwasserflüssigkeiten in tiefen Entsorgungsbrunnen befanden sich oft mehr als eine Meile unter der Erde, und die Abwasserentsorgung erhöhte den Druck auf Flüssigkeiten, die bereits den Porenraum besetzten. Dieser Druckanstieg löste oder schwächte den Fehler und erleichterte so das Auftreten eines Erdbebens.

Diese Hypothese, die die Ursache der induzierten Erdbeben erklärt, wurde in einem Experiment von Rangely, Colorado, aus dem Jahr 1969 bestätigt, in dem der Flüssigkeitsdruck in einem Reservoir durch Pumpen angehoben und abgesenkt wurde. Erdbeben wurden häufiger, wenn der Druck erhöht wurde, wie die Hypothese voraussagte, und selten, wenn der Druck gesenkt wurde. Es wurde auch gezeigt, dass Hydraulic Fracturing (Fracking) - ein Gas- und Erdölrückgewinnungsprozess, bei dem mithilfe von Flüssigkeitsinjektionen Risse im Gestein geöffnet werden, damit eingeschlossenes Gas oder Rohöl durch ein Rohr zu einem Bohrlochkopf an der Oberfläche fließen kann - Erdbeben verursacht Die Hauptursache für induzierte Erdbeben in British Columbia und West-Alberta sowie einige Standorte in den USA. Fracking selbst war jedoch nicht die Hauptursache für induzierte Erdbebenaktivitäten in Oklahoma und an mehreren anderen Orten in den USA, an denen die Erdbeben am häufigsten auftraten resultiert aus Abwasserinjektion. Ein bemerkenswertes Erdbeben mit Flüssigkeitsgewinnung, ein Ereignis der Stärke 4,8, fand im Oktober 2011 in der Nähe von Fashing, Texas, statt. Andere induzierte Erdbeben wurden durch das Auffüllen von Stauseen in Nevada und South Carolina ausgelöst. In den meisten Fällen stimulieren solche industriellen Aktivitäten keine Erdbeben. Flüssigkeitsinjektionsraten und -volumina, Fehlerorientierungen, akkumulierte Spannungen und Gesteinseigenschaften müssen optimal sein, um Erdbeben auszulösen.

Wissenschaftler hatten Fehler und sowohl natürliche als auch induzierte Erdbeben untersucht, um die Größen und Orte zukünftiger induzierter Erdbeben besser zu verstehen und vorherzusagen. Die Stärke oder Größe des Erdbebens hängt mit dem Bereich zusammen, der bei dem Fehler bricht. Wissenschaftler untersuchten Aufzeichnungen über mehrere Beispiele historischer natürlicher Erdbeben, die in den letzten 300 Jahren in den zentralen und östlichen USA aufgetreten waren, darunter ein Ereignis der Stärke 7,3 im Jahr 1886 in der Nähe von Charleston, SC, und die Reihe von Schocks der Stärke 7,5, die auftraten 1811–12 in der Nähe von New Madrid, Mo. Erdbeben im Osten Nordamerikas traten in Form von Schwärmen seismischer Aktivität bei nicht erkannten Fehlern in Zentral-Virginia, Ost-Tennessee, Ost-Kanada und Neuengland auf. Viele dieser Ereignisse gingen auf industrielle Aktivitäten zurück und standen daher höchstwahrscheinlich nicht im Zusammenhang mit menschlichen Aktivitäten. In den letzten Jahren hatten Wissenschaftler darüber diskutiert, ob induzierte Erdbeben große Erdbeben bei nahe gelegenen alten Verwerfungen auslösen könnten, bei denen aufgebaute Spannungen bereit waren, gelöst zu werden. Das Erdbeben in Prag 2011, Okla., Beantwortete diese Frage, indem es zeigte, dass Erdbeben bis zu einer Stärke von 5,7 bei bereits bestehenden langen Fehlern brechen können. Daher war das Vorhandensein antiker Verwerfungen ein wichtiger Faktor für die genaue Vorhersage der Größe eines Erdbebens. Die Größe und Lage von Fehlern war jedoch an vielen Orten in den zentralen und östlichen USA, wie beispielsweise in Oklahoma, nur unzureichend bekannt, und die US Geological Survey, andere staatliche und föderale Behörden sowie akademische Einrichtungen und in Partnerschaft mit haben wissenschaftliche Anstrengungen unternommen die Erdölindustrie, um die Standorte derjenigen zu identifizieren, die möglicherweise am gefährlichsten waren.

Das Prager Ereignis 2011 war das größte induzierte Erdbeben in den USA, bis 2016 in der Nähe von Pawnee, Oklahoma, ein Erdbeben der Stärke 5,8 auftrat, das möglicherweise ausgelöst wurde. An anderer Stelle wurden jedoch stärker induzierte Erdbeben beobachtet. In der Nähe von Koynanagar, Indien, wurde 1967 vermutet, dass ein verheerendes Zittern der Stärke 6,3 durch hohe Wassermengen in einem Reservoir ausgelöst wurde, und die Gasentzugsaktivität in Usbekistan war wahrscheinlich die Ursache für schädliche natürliche Erdbeben der Stärke 7,0 im Jahr 1976 und 1984. Solche Daten legen nahe, dass induzierte Erdbeben, die größer als die von Prag sind, möglich sind. Darüber hinaus erkannten Geologen Fehler und prähistorische Erdbebenbrüche, die durch Erdbeben der Stärke 7,0 in Oklahoma und Colorado verursacht wurden. Untersuchungen von Erdbeben in kontinentalen Innenräumen außerhalb der USA zeigten, dass solch große natürliche Erdbeben weit entfernt von Plattengrenzen möglich waren. Viele Wissenschaftler glaubten, dass induzierte Erdbeben auch große Erdbeben bei unentdeckten alten Verwerfungen auslösen könnten. Sollte sich jedoch ein induziertes Ereignis mit einer Stärke von mehr als 5,6 ergeben, hätte es mit größerer Wahrscheinlichkeit eine Stärke näher an 6,0 als an 7,0, ähnlich wie bei induzierten Erdbeben in analogen Regionen.

Erhöhung der Erdbebengefahr.

Sowohl induzierte als auch natürliche Erdbeben verursachen ähnliche Bodenerschütterungen. Im Vergleich zu natürlichen Erdbeben sind induzierte Erdbeben jedoch häufig flacher und erschüttern den Boden möglicherweise nicht so heftig weit entfernt vom Epizentrum des Erdbebens. Obwohl subtile Unterschiede beim Schütteln zwischen den beiden Typen beobachtet worden waren, waren weitere Untersuchungen erforderlich, um diese Schütteleigenschaften zu verstehen.

Projektionen der Bodenerschütterung, die vom US Geological Survey durchgeführt wurden, zeigten, dass induzierte Erdbeben die Gefahr in Oklahoma und anderen Orten, an denen industrielle Prozesse die Spannungen in der Erde beeinflussen, erhöhten, wie in der Einjahresprognose 2016 für induzierte und natürliche Erdbeben gezeigt. Die Gefahrenberechnung erforderte Informationen darüber, wo und wie oft Erdbeben auftreten könnten, ihre maximale Größe und das wahrscheinliche Ausmaß der Bodenerschütterung. Um die Häufigkeit des induzierten Erdbebens 2016 vorherzusagen, haben die Wissenschaftler die Erdbebenfrequenz 2015 stark berücksichtigt, die seismologische Standardtheorie verwendet - wobei die größten induzierten Erdbeben im Allgemeinen eine Stärke von 6,0 oder weniger haben sollen - und ein neues Bodenbewegungsmodell angewendet, das dies ermöglichte Bessere Schätzungen des Schüttelns bei flachen Erdbeben.

Die Ergebnisse zeigten, dass Oklahoma, Kansas, Texas, Arkansas, New Mexico und Colorado im Jahr 2016 eine Wahrscheinlichkeit von mehr als 1 zu 100 hatten, Schäden zu erschüttern, wobei die höchsten Chancen (etwa 1 zu 10) in Teilen von Nord-Oklahoma und Süd-Kansas auftraten. Es wurde gezeigt, dass die von der Prognose projizierten induzierten Erdbeben durchaus in der Lage sind, in dieser Region zu ruinieren, wenn die industrielle Aktivität unvermindert anhält. Aufgrund dieser Prognosen waren nur wenige überrascht, als am 13. Februar in der Nähe von Fairview, Okla., Ein Erdbeben der Stärke 5,1 ausbrach.

Die Erdbebenhäufigkeit in dieser Region schien jedoch zwischen 2015 und 2016 abzunehmen. Im ersten Halbjahr 2016 ging beispielsweise die Anzahl der Erdbeben in der Nähe von Irving und Dallas von etwa vier Ereignissen der Stärke 3,0 oder höher auf Null zurück. Diese Reduzierung könnte mit dem Ölpreis (der in den Jahren 2015 und 2016 erheblich gesunken ist und dadurch die Gewinnung und Abwasserinjektion verringert hat) und regulatorischen Maßnahmen zusammenhängen, die das Volumen des in tiefe Bohrlöcher gepumpten Abwassers verringern. Die ersten Daten gaben Hoffnung, dass die Rate der induzierten Erdbeben 2016 weiter sinken wird; Die Injektionsaktivitäten wurden jedoch in Gebieten mit hohen Seismizitätsraten fortgesetzt, und es war nicht bekannt, ob geringere Injektionsvolumina induzierte Erdbeben beseitigen oder nur verzögern würden.

Während die Zunahme der Häufigkeit induzierter Erdbeben in den zentralen USA am deutlichsten war, wurden induzierte Erdbeben auch an mehreren Standorten in Kalifornien beobachtet, darunter in den Gebieten Geysire und Coso Geothermie. Darüber hinaus zeigte eine Studie aus dem Jahr 2015 geringfügige Veränderungen der Erdbebenraten in Südkalifornien und stellte fest, dass zusätzliche induzierte Aktivitäten in der Nähe von Standorten mit Erdölförderaktivitäten auftreten können. Da die Rate natürlicher Erdbeben in diesem Gebiet viel höher war als in den zentralen USA, war es schwieriger zu identifizieren, welche Erdbeben induziert wurden und welche natürlich waren. Die Wissenschaftler untersuchten weiterhin induzierte Erdbeben, um zukünftige Erdbebeneffekte besser abzuschwächen.