دانلود رایگان مقاله طبقه بندی بر اساس لرزه نگاری

چکیده

         برای به کار گیری از بهترین روشهای ایمنی ، زمین لرزه های دست ساز انسان باید به عنوان تابعی از منشأ آنها متفاوت باشند.حداقل چهار نوع تنظیمات مختلف را می توان تشخیص داد که در آن فعالیت های انسانی می تواند لرزه ایجاد کند: (1) برداشت مایعات از یک مخزن چینه شناسی در زیر زمین می تواند باعث فشردگی حفره ها و فروپاشی حجم پوشاننده یعنی لرزه جاذبه ای  (گراوی کوییک) شود. هرچه مخزن عمیق تر باشد، حجم و بزرگی زلزله بیشتر است. (2) فاضلاب یا تزریق مجدد گاز باعث كاهش اصطكاك در حجم و در امتداد سطوح گسلی می شود و باعث فعال شدن خزش یا فعال شدن ناگهانی ناپیوستگی های تكتونیكی، یعنی زلزله های مجدد می شود. (3) تزریق مایع در فشار فوق لیتاستاتیک باعث ایجاد شکست توسط آب و ریز لرزه ای، یعنی ساختار آب می شود (4) استخراج مایعات یا تزریق مایعات، پر کردن یا خالی کردن دریاچه های مصنوعی بار سنگین را تغییر می دهد که حداکثر تنش اصلی در شرایط تکتنیک کششی، حداقل فشار اصلی در شرایط تکتونیکی انقباضی و فشار متوسط اصلی در شرایط ضربه ای، یعنی  لرزه های بار است. بیش از مقادیر فشار داده شده، افزایش بار لیتوستاتیک می تواند به فعال شدن گسل های طبیعی منجر شود، در حالی که کاهش آن ممکن است به عنوان گسل های رانش کمک کند. به عنوان مثال، پر کردن یک دریاچه مصنوعی ممکن است زلزله عادی مرتبط با گسل را  ایجاد کند. بنابراین، هر شرایط ویژگی های خاص خود را دارد و اطلاع از مکانیسم های مختلف ممکن است در به کارگیری اقدامات احتیاطی مناسب در فعالیت های مختلف صنعتی کمک کند.

1. مقدمه

         لرزه خیزی اخیر نیز به یک مساله علمی و اجتماعی مرتبط شده است (ساکال ، 2009؛ گریگولی و همکاران, 2017). گرچه لرزه ها در برابر شدت لرزه های طبیعی و انسانی همیشه مستقیم نیستند (داهم و همکاران, 2015), لرزه ها ناشی از تزریق مایع یا سیال به طور حتم توسط رالی و همکاران (1976) اثبات شده است. تزریق مایع به زیر سطح زمین با عملیات صنعتی, به خصوص دفع فاضلاب, ذخیره سازی گاز یا زمین گرمایی مربوط است (هالی و همکاران, 1968;  , 2007; زوباک شورای تحقیقات ملی, 2013). همچنین ثابت شده است که فعالیت های انسانی میتواند اندازه رخدادها را به عنوان تابعی از حجم و میزان تزریق شده سیال تعیین کند(وینگارتن;  2014, مک گر ، 2015) و افزایش فشار سیال (هسیه و بردهوفت، 1981) به خصوص در اوکلاهاما, میزان لرزه خیزی یا شدت لرزه را با توجه به تزریق فاضلاب در عمق نشان داده است که افزایش شدیدی داشته است (السوورث، 2013؛ کرنان و همکاران, 2014). زمین‌لرزه همچنین با بارگذاری اثرات بر روی دریاچه‌ها و حفاری‌های سنگ مصنوعی کشف شد (سیمپسون، ۱۹۷۶، ۱۹۸۶). این گزارش خاطر نشان ساخت که فعالیت‌های صنعتی، انرژی را برای پدیده زمین‌شناسی تامین نمی‌کنند، بلکه آن‌ها را به کاهش اصطکاک بر روی سازه‌های تکتونیک یا زمین ساخت که در حال حاضر در حالت بحرانی شکست فشار هستند، در زمانی که سیالات فشار منافذ را افزایش می‌دهند، تسریع می‌کنند (والش و زوباک، ۲۰۱۵).

            شواهدی از لرزه‌ها ناشی از تزریق مایع پساب در مخازن نفت تهی شده، به خوبی ایجاد شده‌اند (شاپیرو و همکاران، ۲۰۱۰؛ استبیلی و همکاران، ۲۰۱۵؛ بوتینلی و همکاران، ۲۰۱۶)، و همچنین برای ذخیره‌سازی گاز تثبیت شده است.( رویز باراجاس و همکاران، ۲۰۱۷ و مراجع در آن). بنابراین، یک سیاست مبتنی بر پایه لرزه‌ای ، مورد نیاز است (جیاردینی ، ۲۰۰۹ ؛ مک گار و همکاران ، ۲۰۱۵ ؛ لنگنبروچ و زوباک ، ۲۰۱۶). به همین دلیل، وزارت صنایع دولت ایتالیا خطوط راهنما را برای فعالیت‌های صنعتی زیرسطحی در آینده معرفی کرد (گروه کاری MISE - CIRM ۲۰۱۴). براساس مروری بر تنظیمات مختلف زمین‌شناسی موجود، این مقاله یک طبقه‌بندی از انواع مختلف لرزه‌ای ایجاد شده را برای تمایز بین چندین محیط تکتونیک و اثرات اختلالات انسانی پیشنهاد می‌کند. تعدادی از طبقه‌بندی‌های مفید پیش از این پیشنهاد شده‌اند، اما این مقاله به ترتیب با توجه به فشارهای هیدرواستاتیک(ساختار ابی) و لیتواستاتیک (فشار سنگ ایستایی) به ترتیب مورد بررسی قرار می‌گیرد. فشار هیدرواستاتیک(ساختار ابی) به طور متوسط ۱۰ MPa در کیلومتر افزایش می‌یابد. فشار  لیتواستاتیک (فشار سنگ ایستایی) به ترتیب s۱، s۳، s۲ در  تنظیمات تکتونیکی(زمین ساخت) کششی ، انقباضی و اعتصابی است. بارگذاری لیتواستاتیک(ساختار ابی)، rgz که در آن r =  چگالی سنگ است، g شتاب ثقل و z = عمق) با عمق بین ۲۳ تا ۲۷ MPa در کیلومتر، با فرض چگالی ۲.۳ یا ۲.۷ گرم بر سانتی متر مکعب افزایش می‌یابد. نسبت بین فشار منفذی و بارگذاری لیتواستاتیک (ساختار آبی) (هاببرت و روبی ، ۱۹۵۹) به طور متوسط ۰.۳۵ در پوسته بالا کم‌عمق است، اما این نسبت به لیتواستاتیک (مثلا، ۰.۹) با عمق افزایش می‌یابد (سیبسون، ۱۹۹۲). مقدار اصطکاک استاتیک (m) در پوسته بالایی به طور متوسط <۰.۶ می‌باشد (زوباک و تاونند، 2001). تغییرات کوچک این مقادیر می‌توانند تنش انحرافی را در یک منطقه مشخص تغییر داده و لرزه‌ها را القا کنند. تغییرات شیمیایی و دمایی در ترکیب سنگ و مایعات ممکن است به طور قابل‌توجهی بر مقادیر متوسط تاثیر بگذارد (به عنوان مثال، فسیل، ۲۰۱۰).

2. انواع لرزه‌ها در ارتباط با فعالیت‌های انسانی

         اصطلاحات ناشی از لرزه نگاری القا شده و ایجاد شده، برای ایجاد لرزه‌ها توسط عملیات‌های صنعتی و لرزه‌ای طبیعی و پیش‌بینی آن توسط فعالیت‌های انسانی، مورد استفاده قرار می‌گیرند (هورنباخ و همکاران، ۲۰۱۵). تغییر در میان این دو نوع لرزه‌ای ظریف است، زیرا پوسته به طور گسترده در حالت بحرانی فشار قرار دارد و اغلب لرزه‌ای القا شده می‌تواند به عنوان تشدید در نظر گرفته شود. در اینجا، به دلیل سادگی، همه لرزه‌ نگاریهای انسانی را در نظر می‌گیریم، که دلالت بر فعال کردن گسل های بلقوه آماده برای حرکت ، صرف‌نظر از اهمیت تکتونیکی منطقه‌ای آن‌ها دارد. پایه اصلی تحلیل فعالیت‌های مختلف انسانی با توجه به انحراف از فشار ایستایی و فشار طبیعی است.

          2.1 حذف گاز یا نفت از یک فاصله کانونی می‌تواند باعث فشرده‌سازی حفره و ریزش حجم بالای زمین شود که لرزه‌ها و فرونشست را تحریک می‌کند. مثالی از این امر، میدان گرونینگن در هلند (وان ویسر و تینن،, 2015 برونزی) است که در آن مخزن گاز در حدود ۳ کیلومتر در عمق متخلخل میدان شن های ماسه ای یافت شده در رودخانه واقع شده‌است. مکانیزم‌های کانونی لرزه‌ها در میدان‌های القا شده توسط میدان گاز,گسل های طبیعی را نشان می‌دهند. نشان‌داده شده‌است که شدت لرزه های با گسل های عادی، اتلاف انرژی گرانشی ذخیره‌شده و عمق حجم لرزه‌ای فعال شده حدود یک سوم طول دیوار (یعنی, دگلیونی و همکاران, 2015) هستند. این نشان دهنده عمق مخزن, هرچه حجم و اندازه زلزله بزرگ‌تر باشد. در مثال, گرونینگن  حذف سیال از حفره‌های ماسه‌ای, امکان فروپاشی ضخامت لایه توالی چینه شناسی را فراهم می‌آورد. از آنجا که مخزن در عمق ۳ کیلومتری قرار دارد, حداکثر حجمی که می‌تواند تجهیز شود حدود ۴۰ کیلومتر مکعب است که مربوط به اتلاف انرژی یک زلزله در حدود ۳ / ۳ کیلومتر مکعب است که در ۳.۶, بزرگ‌ترین مقدار ثبت‌شده در میدان گاز است (وان ویز و همکاران, 2014). برای پشتیبانی از برداشت ساده از فشرده‌سازی وتغییر تدریجی و فروپاشی مخروطی ، بهره‌برداری میدان گازی یک فرونشست حدود ۲۰ e30 سانتیمتر (وان ویسر و تین، 2015، برونزی) ایجاد کرده‌است. با توجه به (زوباک و زینک 2002), تغییرات فشار تخلخل ممکن است منجر به توضیح خطای ناشی از فرسایش مایع در طول تولید شود. با این حال, حذف نفت از مخازن( Valhall و Ekofisk، والاله و اکوفیسک )در دریای شمال, لرزه‌خیزی یا شدت لرزه گسل طبیعی را ایجاد کرده‌است که می‌تواند به عنوان سقوط گرانشی صخره‌های زیرین تفسیر شود. این نوع شدت لرزه ناشی از نوع اول در شکل 1 ، یعنی گراویک ها ایجاد شده است.

           2.2 اب شور یا تزریق مجدد گازها در زیر سطحی بالاتر از آستانه طبیعی، افزایش فشار منفذی و کاهش اصطکاک در حجم و در نتیجه خطوط گسل را فراهم می‌کند که اجازه تغییر تدریجی یا فعال شدن ناگهانی ناپیوستگی های تکتونیکی می شود. این پدیده با هر نوع مایع تزریق‌شده در زمین گرمایی نشان داده می‌شود (به عنوان مثال، زمین گایزر در شمال کالیفرنیا ، ایبرهارت فیلیپس و اوپنهایمر ، 1984 ، یا نیروگاه بازل در سوئیس ، کرافت و همکاران ، 2009). در تزریق فاضلاب از قبیل تشکیل (,Arbuckle اربكل ) در میدان نفتی اوکلاهاما (کرنان و همکاران، ۲۰۱۳) یا مخزن زیگونگ در جنوب غربی استان سیچوان چین (لی و همکاران، ۲۰۱۳؛ دل پتر و دیز، ۲۰۱۵؛ وایت و فاکسال ، ۲۰۱۶). ثابت شده‌است که پوسته در وضعیت بحرانی فشار، نزدیک به شکست قرار دارد و اختلالات کوچک فشار منافذ ممکن است ، فعال‌سازی گسیختگی سنگ را در امتداد سطوح مرتبط با گسل را با توجه به میدان تنش منطقه‌ای تعیین کند (به عنوان مثال، دگرساز + زوباک ، ۲۰۱۷). بنابراین، افزایش فشار منفذی به مقادیر بزرگتر از آنچه که به طور طبیعی در یک حجم پوسته اتفاق میافتد، ممکن است فعالسازی عیب، صرفنظر از تنظیمات تکتونیک، را تعیین کند. با این حال تشخیص بین مصرف تزریق مایع و تحریک بسیار مهم است که آشفتگی زیادی از فشار منافذ ایجاد میکند.یشترین مقدار گزارش شده برای این نوع لرزه ها  یا شدت لرزه در اوکلاهما، M  5.8در رویداد  pawnee ۲۰۱۶ است (لنگنبروچ و زوباک ، ۲۰۱۶). فشار میدان دور ممکن است به تولید زمین لرزه حتی در چندین کیلومتر فاصله با توجه به چاه های تزریق رخ دهد (یک و همکاران، ۲۰۱۶). وابستگی زمانی زمین لرزه مرتبط به فاصله، میزان فشار ارایه شده و نفوذپذیری بستگی دارد (به عنوان مثال، جوانز و همکاران، ۲۰۱۶؛ آلبانو و همکاران، ۲۰۱۷ و مراجع در آن).

Abstract

         In order to adopt the best safety procedures, man-made earthquakes should be differentiated as a function of their origin. At least four different types of settings can be recognized in which anthropogenic activities may generate seismicity: (I) fluid removal from a stratigraphic reservoir in the underground can trigger the compaction of the voids and the collapse of the overlying volume, i.e., graviquakes; the deeper the reservoir, the bigger the volume and the earthquake magnitude; (II) wastewater or gas reinjection provides the reduction of friction in volumes and along fault planes, allowing creep or sudden activation of tectonic discontinuities, i.e., reinjection quakes; (III) fluid injection at supra-lithostatic pressure generates hydrofracturing and micro-seismicity, i.e., hydrofracturing quakes; (IV) fluid extraction or fluid injection, filling or unfilling of artificial lakes modifies the lithostatic load, which is the maximum principal stress in extensional tectonic settings, the minimum principal stress in contractional tectonic settings, and the intermediate principal stress in strike-slip settings, i.e., load quakes; over given pressure values, the increase of the lithostatic load may favour the activation of normal faults, whereas its decrease may favour thrust faults. For example, the filling of an artificial lake may generate normal fault-related seismicity. Therefore, each setting has its peculiarities and the knowledge of the different mechanisms may contribute to the adoption of the appropriate precautions in the various industrial activities.

1. Introduction

         Induced seismicity has become a relevant scientific and social issue (Suckale, 2009; Grigoli et al., 2017). Even if the discrimination for natural versus anthropogenic seismicity is not always straightforward (Dahm et al., 2015), seismicity induced by fluid injection was definitely proven by Raleigh et al. (1976). Fluid injection into the subsurface is associated with industrial operations, particularly wastewater disposal, gas storage or geothermal exploitation (Healy et al., 1968; Zoback, 2007; National Research Council, 2013). It has also been demonstrated that human activities can determine the magnitude of the events as a function of the volume and rate of fluid injected (McGarr, 2014; Weingarten et al., 2015) and the fluid pressure increase (Hsieh and Bredehoeft, 1981). Particularly in Oklahoma, the rate of seismicity had a drastic increase due to wastewater injection at depth (Ellsworth, 2013; Keranen et al., 2014). Earthquakes were discovered to be also controlled by loading effects on artificial lakes and quarry excavations (Simpson, 1976, 1986). It pointed out that industrial activities do not supply energy to the geological phenomena, but they only accelerate them in lowering the friction on tectonic structures already at a critical state of stress failure when fluids increase the pore pressure (Walsh and Zoback, 2015).

           Evidence of seismicity induced by injecting wastewater fluid in depleted oil reservoirs are well established (Valoroso et al., 2009; Shapiro et al., 2011; Stabile et al., 2014; Improta et al., 2015; Buttinelli et al., 2016), but also for gas storage (Ruiz-Barajas et al., 2017 and references therein). Therefore, a scientifically grounded policy on induced seismicity is required (Giardini, 2009; McGarr et al., 2015; Langenbruch and Zoback, 2016). For this reason, the Ministry of Industry of the Italian Government introduced guidelines for future subsurface industrial activities (MISE-CIRM Working Group, 2014). Based on a review of the existing different geological settings, this paper proposes a classification of different types of induced seismicity in order to discriminate among the several tectonic environments and the effects of the anthropogenic perturbations. A number of useful classifications have already been proposed, but this paper addresses rises on the relationship of induced seismicity with respect to the hydrostatic and lithostatic pressures, respectively. The hydrostatic pressure rises on average 10 MPa/km. The lithostatic pressure is s1, s3, s2 in extensional, contractional and strike-slip tectonic settings respectively. The lithostatic load (rgz, where r is the rock density, g is the gravity acceleration and z is the depth) increases with depth in general between 23 and 27 MPa/km, assuming a density of 2.3 or 2.7 g/cm3 . The ratio between pore pressure and lithostatic load (Hubbert and Rubey, 1959) is on average 0.35 in the shallow upper crust but it tends to increase close to lithostatic (e.g., 0.9) with depth (Sibson, 1992). Static friction (m) values in the upper crust are on average <0.6 (Zoback and Townend, 2001). Tiny variations of these values can modify the deviatoric stress in a given region and induce seismicity. Chemical and temperature variations in rock and fluid composition may significantly affect the average values (e.g., Fossen, 2010).

2. Types of seismicity associated with human activities

          The terms induced and triggered seismicity are used to differentiate seismicity generated by industrial operations and natural seismicity catalysed and anticipated by human activities (Hornbach et al., 2015). The transition among the two types of seismicity is subtle because the crust is widely at a critical state of stress and very often the induced seismicity can be considered as triggered. Here, for sake of simplicity, we consider all anthropogenic seismicity as induced, implying a potential activation of faults ready to move, regardless of their regional tectonic significance. The basic rationale is to analyse the different human activities with respect to deviations from the hydrostatic and lithostatic natural pressures.

          2.1. The removal of gas or oil from a stratigraphic interval can trigger the compaction of the voids and the collapse of the overlying volume, provoking seismicity and subsidence. An example is the Groningen field in Holland (Van Thienen-Visser and Breunese, 2015), in which the gas reservoir is located at about 3 km deep in the porous eolian-fluvial sandstones Permian Rotliegend Formation. Focal mechanisms of the induced seismicity generated by the gas field are indicating normal faulting. It has been shown that normal faults-related earthquakes are the dissipation of stored gravitational energy and the depth of the activated seismic volume is about one third of the length of the collapsing hanging wall (i.e., the graviquakes, Doglioni et al., 2015). It implies that the deeper the reservoir, the bigger the volume and the earthquake magnitude. In the Groningen example, the fluid removal from the voids of the sandstone could allow the collapse of the overlying thickness of the stratigraphic sequence. As the reservoir is at 3 km deep, the maximum volume that could be mobilized is around 40 km3 , which would correspond to an energy dissipation of an earthquake of about M 3.5e4, being M 3.6 the largest magnitude recorded in the gas field (Van Wees et al., 2014). To support the simple interpretation of compaction and creeping and the coseismic collapse, the gas field exploitation has generated a subsidence of about 20e30 cm (Van Thienen-Visser and Breunese, 2015). According to Zoback and Zinke (2002), poroelastic stress changes may explain fault reactivations by fluid depletion during production. However, the removal of oil from the Valhall and Ekofisk reservoirs in the North Sea has generated normal faulting-related seismicity, which can alternatively be interpreted as the gravitational fall of the overlying rocks. This is type I induced seismicity in Fig. 1, i.e., graviquakes.

          2.2. Saltwater or gas reinjection in the subsurface above the natural threshold provides the increase of pore pressure and the reduction of friction in volumes and along fault planes, allowing creep or sudden activation of tectonic discontinuities. This phenomenon has been demonstrated with any type of fluid injected in geothermal fields (e.g., the Geysers geothermal field in Northern California, Eberhart Phillips and Oppenheimer, 1984, or the Basel power plant in Switzerland, Kraft et al., 2009), in wastewater injection such as the Arbuckle Formation in the Oklahoma oil field (Keranen et al., 2013) or the Zigong reservoir in the southwest Sichuan Basin in China (Lei et al., 2013), and in methane or CO2 gas storage as for the Castor field offshore eastern Spain (Zoback and Gorelick, 2012; Del Potro and Diez, 2015; White and Foxall, 2016). The crust has been demonstrated to be at a critical state of stress, close to failure, and small perturbations of the pore pressure may determine the activation of rock rupture of sliding along well-oriented fault planes with respect to the regional stress field (e.g., Alt and Zoback, 2017). Therefore, the increase of the pore pressure to values larger than those naturally occurring in a crustal volume may determine the activation of faults, regardless the tectonic setting. However, it is important to distinguish between fluid injection disposal and stimulation that generates large perturbation of pore pressure. The maximum magnitude reported for this type of induced/triggered seismicity in Oklahoma is the Pawnee M 5.8 at 2016 event (Langenbruch and Zoback, 2016). Far-field pressurization may occur to generate seismicity even at several km distance with respect to the injection wells (Yeck et al., 2016). The time dependence of the associated seismicity depends on the distance, pressure gradient introduced and permeability (e.g., Juanes et al., 2016; Albano et al., 2017 and references therein). Lithologies and their related porosity can highly focus induced seismicity; e.g., diffused porosity may buffer higher pore pressure than concentrated porosity (Shah and Keller, 2017). In the Zigong reservoir, between early 2009 and mid-2011, more than 120,000 m3 of wastewater was pumped under a wellhead pressure of up to 6.2 MPa into carbonates at 2.5 km deep. This generated 7000 earthquakes, being two of ML 4e4.4. Seismicity was mostly concentrated between 2.5 and 4 km, beneath the well bottom, showing a half-moon distribution, but locally concentrated along pre-existing fractures and faults (Lei et al., 2013). Induced seismicity has been detected within a radius of 4e12 km from the injection point, as a function of the fluid volume (McGarr, 2014). Hydraulic diffusivity of the fluid in the rock volume around the well bottom has been computed up to 0.1 m2 /s (e.g., Lei et al., 2013). This is type II induced seismicity in Fig. 2, i.e., reinjection quakes.

چکیده

1. مقدمه

2.  انواع لرزه‌ها در ارتباط با فعالیت‌های انسانی

3. نکات نتیجه گیری

منابع

Abstract

1. Introduction

2. Types of seismicity associated with human activities

3. Concluding remarks

References