الزلزالية المتحرضة (المستحثة) عن تقنيات الطاقة (الجزء الأول)

شارك المنشور على حساباتك ...

مقدمة:

تسمى الزلازل التي تعزى إلى الأنشطة البشرية بالزلازل المستحثة.

في السنوات القليلة الماضية اجتذبت الأحداث الزلزالية المرتبطة بمشاريع تطوير الطاقة اهتماما عاما متزايدا.

على الرغم من أن جزءا صغيرا جدا من أنشطة الحقن والاستخراج في مئات الآلاف من مواقع تطوير الطاقة في الولايات المتحدة قد أدى إلى حدوث زلازال بمستويات ملحوظة للجمهور فقد تم قياس الأحداث الزلزالية الناجمة عن تطوير الطاقة أو المرتبطة بها على الأرجح والشعور بها في ألاباما وأركنساس وكاليفورنيا وكولورادو وإلينوي ولويزيانا وميسيسيبي ونبراسكا ونيفادا ونيو مكسيكو وأوهايو وأوكلاهوما وتكساس.

توقعا للقلق العام بشأن إمكانية أن تؤدي مشاريع تطوير الطاقة إلى تحفيز النشاط الزلزالي في الولايات المتحدة وجه الكونجرس الولايات المتحدة بأن تطلب وزارة الطاقة من المجلس الوطني للبحوث فحص حجم ونطاق وعواقب الزلازل الناجمة عن أنشطة حقن وسحب السوائل المتعلقة بتطوير الطاقة الحرارية الأرضية وتطوير النفط والغاز بما في ذلك استخلاص الغاز الصخري واحتجاز الكربون وتخزينه.

وكانت الدراسة أيضا لتحديد الثغرات في المعرفة والبحوث اللازمة لتعزيز فهم الزلازل المستحثة لتحديد الثغرات في منهجيات تقييم المخاطر الزلزالية المستحثة والبحوث لسد تلك الثغرات وتقييم الخيارات للخطوات نحو أفضل الممارسات فيما يتعلق بتنمية الطاقة وإمكانات الزلازل المستحثة.

ظهرت ثلاث نتائج رئيسية من الدراسة:

(1) لا تشكل عملية استعادة النفط الصخري خطرا كبيرا لإحداث أحداث زلزالية محسوسة.

(2) إن حقن المياه العادمة المستمدة من تقنيات الطاقة في باطن الأرض للتخلص منها يشكل بعض المخاطر للزلازل المستحثة ولكن تم توثيق عدد قليل جدا من الأحداث على مدى العقود العديدة الماضية مقارنة بالعدد الكبير من آبار التخلص العاملة.

(3) احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه بسبب الكميات الصافية الكبيرة من السوائل المحقونة قد يكون لديه القدرة على إحداث أحداث زلزالية أكبر.

تحدث الزلازل المستحثة المرتبطة بحقن السوائل أو سحبها في معظم الحالات بسبب التغير في ضغط السوائل المسامية أو التغير في الضغط في باطن الأرض في وجود فوالق ذات خصائص واتجاهات محددة وحالة إجهاد حرجة.

العامل الذي يبدو أن له النتيجة المباشرة الأكثر فيما يتعلق بالزلازل المستحثة هو توازن السوائل الصافي (التوازن الكلي للسوائل التي يتم إدخالها أو إزالتها من تحت السطح)، على الرغم من أن هناك عوامل إضافية قد تؤثر على الطريقة التي تؤثر بها السوائل على السطح السفلي. في حين أن الآليات العامة التي تخلق الأحداث الزلزالية المستحثة مفهومة جيدا، إلا أننا غير قادرين حاليا على التنبؤ بدقة بحجم أو حدوث مثل هذه الأحداث بسبب عدم وجود بيانات شاملة عن أنظمة الصخور الطبيعية المعقدة وعدم وجود نماذج تنبؤية تم التحقق من صحتها. مشاريع تكنولوجيا الطاقة المصممة للحفاظ على التوازن بين كمية السوائل التي يتم حقنها وسحبها، مثل معظم مشاريع تطوير النفط والغاز تنتج أحداثا زلزالية أقل من المشاريع التي لا تحافظ على توازن السوائل. تم التأكيد على أن التكسير الهيدروليكي في بئر لتطوير الغاز الصخري، والذي يتضمن حقن السوائل لكسر الصخر الزيتي وإطلاق الغاز في البئر، هو السبب وراء الأحداث الزلزالية الصغيرة المحسوسة في مكان واحد في العالم.

عادة ما يتضمن التخلص من مياه الصرف الصحي الناتجة عن إنتاج النفط والغاز بما في ذلك استخلاص الغاز الصخري، حقنها بضغوط منخفضة نسبيا في طبقات المياه الجوفية الكبيرة المسامية التي تستهدف بشكل خاص استيعاب كميات كبيرة من السوائل.

لا تشكل غالبية آبار التخلص من مياه الصرف الصحي خطراً على الزلازل المستحثة على الرغم من وقوع أحداث زلزالية مستحثة مع عدد محدود للغاية من الآبار.

إن التأثيرات طويلة المدى للزيادة الكبيرة في عدد آبار التخلص من مياه الصرف الصحي على النشاط الزلزالي المستحث غير معروفة.

قد يكون للمشاريع التي تحقن أو تستخرج كميات صافية كبيرة من السوائل على مدى فترات طويلة من الزمن، مثل مشروع احتجاز وتخزين الكربون، إمكانية حدوث أحداث زلزالية مستحثة أكبر، على الرغم من عدم وجود معلومات كافية لفهم هذه الإمكانية لأنه لا توجد مشاريع واسعة النطاق لاحتجاز وتخزين الكربون قيد التشغيل حتى الآن.

هناك حاجة إلى مواصلة البحث حول إمكانية حدوث الزلازل المستحثة في مشاريع احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه واسعة النطاق. يبدو أن الزلازل المستحثة في مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية مرتبطة بكل من اعتبارات توازن السوائل الصافي والتغيرات في درجات الحرارة الناتجة في باطن السطح. يبدو أن الأشكال المختلفة لتنمية موارد الطاقة الحرارية الأرضية لها إمكانات مختلفة لإنتاج أحداث زلزالية محسوسة.

تسبب التكسير الهيدروليكي عالي الضغط الذي تم إجراؤه في بعض مشاريع الطاقة الحرارية الأرضية في وقوع أحداث زلزالية كبيرة بما يكفي للشعور بها. كما أدت التغيرات في درجات الحرارة المرتبطة بتطور الطاقة الحرارية الأرضية للموارد الحرارية المائية إلى حدوث زلزال محسوس.

تم تنفيذ الاستجابة الحكومية للأحداث الزلزالية المستحثة من قبل عدد من الوكالات الفيدرالية ووكالات الولايات بطرق متنوعة. ومع ذلك مع احتمال زيادة أعداد الأحداث الزلزالية المستحثة بسبب التوسع في تطوير الطاقة، قد لا يكون لدى الوكالات الحكومية والمؤسسات البحثية موارد كافية لمعالجة الأحداث غير المتوقعة.

هناك ما يبرر التعاون التطلعي بين الوكالات لمعالجة الزلازل المحتملة المستحثة. يمكن تطوير منهجيات لتقييم المخاطر الكمية والاحتمالية لمخاطر الزلازل المستحثة. وينبغي إجراء مثل هذه التقييمات قبل بدء العمليات في المناطق ذات التاريخ المعروف من الزلازل المحسوسة وتحديثها استجابة للزلازل المرصودة والمحتملة. يمكن استخدام الممارسات التي تأخذ في الاعتبار الزلازل المستحثة قبل وأثناء التشغيل الفعلي لمشروع الطاقة في تطوير بروتوكول “أفضل الممارسات” الخاص بكل تكنولوجيا طاقة والموقع. على الرغم من أن الأحداث الزلزالية المستحثة لم تسفر عن خسائر في الأرواح أو أضرار كبيرة في الولايات المتحدة، فقد تم الشعور بآثارها محليا، وتثير بعض القلق بشأن النشاط الزلزالي الإضافي وعواقبه في المناطق التي يجري فيها تطوير الطاقة أو التخطيط لها. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لفهم ومعالجة المخاطر المحتملة المرتبطة بالزلازل المستحثة بشكل أفضل.

يبين الشكل(1) مواقع في الولايات المتحدة وكندا تحتوي على تقارير موثقة عن الزلازل الناجمة عن تطوير الطاقة من تقنيات الطاقة المختلفة.

الشكل(1)

على الرغم من أن الغالبية العظمى من الزلازل التي تحدث في العالم كل عام لها أسباب طبيعية إلا أن بعض هذه الزلازل وعدد من الأحداث الزلزالية الأقل قوة ترتبط بالأنشطة البشرية وتسمى “الأحداث الزلزالية المستحثة” أو “الزلازل المستحثة”.

تم توثيق النشاط الزلزالي المستحث منذ عشرينيات القرن العشرين على الأقل ويعزى ذلك إلى مجموعة من الأنشطة البشرية بما في ذلك تأثير الخزانات الكبيرة خلف السدود، والانفجارات الخاضعة للرقابة المتعلقة بالتعدين أو البناء، والتجارب النووية تحت الأرض، بالإضافة إلى ذلك يمكن لتقنيات الطاقة التي تتضمن حقن أو سحب السوائل من تحت الأرض أن تخلق أيضا أحداثا زلزالية مستحثة يمكن قياسها والشعور بها.

كانت الزلازل المستحثة المعروفة تاريخيا صغيرة بشكل عام من حيث حجم وشدة اهتزاز الأرض، في الآونة الأخيرة جذبت العديد من الأحداث الزلزالية الناجمة عن مشاريع تطوير تكنولوجيا الطاقة في الولايات المتحدة اهتماما عاما متزايدا، وعلى الرغم من أن أيا من هذه الأحداث لم يسفر عن خسائر في الأرواح أو أضرار إنشائية كبيرة إلا أن آثارها شعر بها السكان المحليون، وتعرض بعضهم أيضا لأضرار طفيفة في الممتلكات لا سيما في المناطق التي يكون فيها النشاط الزلزالي التكتوني (الطبيعي) غير شائع ويستمر تطوير الطاقة، إن هذه الأحداث الزلزالية المستحثة على الرغم من صغر حجمها يمكن أن تكون مزعجة للجمهور وتثير القلق بشأن النشاط الزلزالي المتزايد وعواقبه المحتملة.

تتناول هذه الدراسة الزلازل المستحثة التي قد تكون مرتبطة بأربعة تقنيات لتطوير الطاقة تتضمن حقن السوائل أو سحبها، والطاقة الحرارية الأرضية، وتطوير النفط والغاز التقليدي بما في ذلك الاستخلاص المعزز للنفط واستخلاص الغاز الصخري واحتجاز الكربون وتخزينه، وتنقسم هذه الفئات الواسعة من تقنيات الطاقة إلى فئات أكثر دقة بما في ذلك التخلص من مياه الصرف الصحي تحت الأرض، وذلك لإظهار تفاصيل الأحداث الزلزالية المستحثة من حيث صلتها بجوانب محددة لكل تكنولوجيا طاقة.

الزلازل المستحثة المتعلقة بحقن السوائل أو سحبها والآليات السببية:

تم قياس الأحداث الزلزالية والشعور بها في عدد محدود من مواقع تطوير الطاقة في الولايات المتحدة.

إن الأحداث الزلزالية الناجمة عن أو من المحتمل أن تكون مرتبطة بتنمية الطاقة تم توثيقها في ألاباما وأركنساس وكاليفورنيا وكولورادو وإلينوي ولويزيانا وميسيسيبي ونبراسكا ونيفادا ونيو مكسيكو وأوهايو وأوكلاهوما وتكساس.

إن إثبات أن حدثا زلزاليا معينا كان ناجما عن نشاط بشري غالبا ما يكون أمرا صعبا لأن الاستنتاجات حول العلاقة السببية تعتمد على البيانات المحلية، والزلازل السابقة، ورجحان الدراسات العلمية.

نقدم في هذه الدراسة أمثلة على الأحداث الزلزالية التي يعتقد عالميا أنها ناجمة عن الأنشطة البشرية، بالإضافة إلى الأحداث الزلزالية التي تكون الأدلة على السببية لها ذات مصداقية ولكنها أقل صلابة.

لقد أدت الأبحاث التي أجريت على بعض هذه الحوادث إلى فهم أفضل للآليات الفيزيائية المحتملة لإحداث الأحداث الزلزالية وسمحت بتحديد المعايير التي يمكن استخدامها للتنبؤ بما إذا كانت الأحداث الزلزالية المستحثة قد تحدث في المستقبل، وتشمل أهم المعايير مدى واتجاه حالة الضغط في القشرة الأرضية بالقرب من منطقة حقن أو سحب السوائل والوجود والاتجاه والخصائص الفيزيائية للفوالق القريبة وضغط السوائل المسامية (ضغط السوائل في مسام الصخور في العمق ويسمى ببساطة “ضغط المسام”) ومعدلات وأحجام السوائل التي يتم حقنها أو سحبها وخصائص الصخور في باطن الأرض.

تنجم الزلازل الناجمة عن النشاط البشري المتعلق بتقنيات الطاقة عن التغير في ضغط المسام والتغير في الإجهاد الذي يحدث في وجود فوالق ذات خصائص واتجاهات محددة وحالة إجهاد حرجة في الصخور.

بشكل عام تكون الفوالق الموجودة مستقرة تحت الضغوط الطبيعية الأفقية والرأسية المؤثرة على الصخور تحت السطح، ومع ذلك فإن الإجهاد القشري في أي منطقة معينة يكون دائما في حالة بحيث أن أي تغيير في الإجهاد على سبيل المثال من خلال التغيير في ضغط المسام تحت السطح نتيجة لحقن أو استخراج السوائل من البئر قد يغير الضغط المؤثر على فالق قريب.

قد يؤدي هذا التغيير في الضغط إلى الانزلاق أو الحركة على طول هذا الفالق مما يؤدي إلى حدوث حدث زلزالي.

يؤدي الانزلاق المفاجئ أو شبه الفوري على طول الفالق إلى إطلاق طاقة على شكل موجات طاقة (“موجات زلزالية”) تنتقل عبر الأرض ويمكن تسجيلها واستخدامها لاستنتاج خصائص إطلاق الطاقة على الفالق.

يقيس القدر “M” إجمالي كمية الطاقة المنبعثة من مصدر الحدث الزلزالي، في حين أن “شدة” الحدث الزلزالي هي مقياس لمستوى اهتزاز الأرض في أي موقع.

يرتبط كل من حجم الحدث الزلزالي وشدته القصوى ارتباطا مباشرا بالمساحة الإجمالية للفالق الذي يخضع للحركة – حيث تؤدي مساحة الانزلاق الأكبر على طول الفالق إلى حدث زلزالي أكبر.

على الرغم من أن الآليات العامة التي تخلق الأحداث الزلزالية المستحثة مفهومة جيدا إلا أن تقنيات النمذجة الحاسوبية الحالية لا يمكنها معالجة تعقيدات أنظمة الصخور الطبيعية بشكل كامل إلى حد كبير لأن النماذج تفتقر عموما إلى معلومات حول الإجهاد القشري المحلي، وخصائص الصخور، ومواقع الفوالق وخصائصها، و شكل وحجم الخزان الذي يتم حقن أو سحب السوائل فيه، وعندما تتوافر المعرفة الكافية بهذه المعلومات، تكون هناك إمكانية لعمل تنبؤات دقيقة بحدوث الزلازل. وبدون هذه المعلومات التفصيلية فيجب أن تستند تقييمات المخاطر والمخاطر إلى التحليل الإحصائي للبيانات الواردة من مناطق مماثلة. ستستمر القدرة على التنبؤ بالزلازل المستحثة في موقع معين لتطوير الطاقة في الاعتماد على كل من النمذجة النظرية والبيانات المتاحة بما في ذلك القياسات الميدانية، وعلى الأساليب الإحصائية.

تقنيات الطاقة وإمكاناتها الزلزالية المستحثة:

تتضمن كل من الطاقة الحرارية الأرضية وإنتاج النفط والغاز (بما في ذلك التكسير الهيدروليكي لإنتاج الغاز الصخري) وتقنيات احتجاز وتخزين الكربون حقن السوائل وسحبها، ولذلك فإن كل تقنية لديها القدرة على إحداث أحداث زلزالية يمكن الشعور بها.

من الممكن الشعور بالأحداث الزلزالية التي تزيد فيها M عن 2.0 خاصة إذا حدثت على أعماق ضحلة ولكن الأحداث الزلزالية الأصغر (M<2.0) لا يمكن الشعور بها بشكل عام.

يختلف معدل الحقن والضغط وأحجام السوائل ومدة الحقن باختلاف التكنولوجيا كما هو الحال مع الأحجام المحتملة للأحداث الزلزالية والمخاطر والمخاطر المحتملة للأحداث المستحثة الجدول الشكل(2) والذي يبين ملخص المعلومات حول الأحداث الزلزالية التاريخية التي سببها أو من المحتمل أن تكون مرتبطة بتطوير تكنولوجيا الطاقة في الولايات المتحدة.

الشكل(2)

الطاقة الحرارية الأرضية:

إن موارد الطاقة الحرارية الأرضية لها ثلاثة أنواع مختلفة فمنها التي يهيمن عليها البخار، حيث يوجد البخار بشكل أساسي في مسام أو كسور الصخور الساخنة، ومنها التي يهيمن عليها السائل، حيث يوجد الماء الساخن بشكل أساسي في الصخور ومنها أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المحسنة EGS، حيث يكون المورد عبارة عن صخور ساخنة وجافة تتطلب تحفيزا هندسيا.

على الرغم من أن الزلازل المستحثة قد تم توثيقها مع جميع الأنواع الثلاثة من موارد الطاقة الحرارية الأرضية، فإن تطوير الطاقة الحرارية الأرضية عادة ما يحاول الحفاظ على توازن الكتلة بين أحجام السوائل المنتجة والسوائل التي يتم استبدالها بالحقن لإطالة عمر مورد الطاقة.

يساعد توازن السوائل هذا في الحفاظ على ضغط الخزان ثابتًا إلى حد ما – بالقرب من القيمة الأولية لما قبل الإنتاج – ويمكن أن يساعد في تقليل احتمالية حدوث الزلازل المستحثة.

أظهر رصد الزلازل في حقول الطاقة الحرارية الأرضية التي يهيمن عليها السائل في غرب الولايات المتحدة حدوث عدد قليل نسبيا من الزلازل المستحثة. ومع ذلك في حقل البخار الحراري الأرضي في شمال كاليفورنيا، يؤدي الاختلاف الكبير في درجة الحرارة بين السائل المحقون وخزان الطاقة الحرارية الأرضية إلى تبريد كبير لصخور الخزان الساخنة تحت السطح، مما يتسبب في تقلص الصخور، مما يقلل من الضغوط المحصورة. تؤكد النتائج أن تكنولوجيا EGS في المراحل الأولى من التطوير تؤدي إلى قدر كبير من الزلازل المستحثة الملحوظة.

العديد من البلدان لديها مشاريع تجريبية لاختبار إمكانية الإنتاج التجاري وفي كل حالة من حالات تطوير EGS النشطة تم تسجيل بعض المستويات الثانوية على الأقل من النشاط الزلزالي.

تطوير النفط والغاز التقليدي وغير التقليدي بما في ذلك الاستخلاص المعزز للنفط والغاز الصخري:

في خزان النفط أو الغاز التقليدي عادة ما تكون الموائع الهيدروكربونية والسوائل المائية المرتبطة بها في مسام الصخر تحت ضغط طبيعي كبير.

تتدفق السوائل الموجودة في خزان النفط أو الغاز إلى السطح عند اختراقها بواسطة حفرة البئر ويتم ذلك بشكل عام عن طريق الضخ.

غالبا ما تصل خزانات النفط أو الغاز إلى نقطة لا يوجد فيها ضغط كاف حتى في وجود الضخ للسماح باستخلاص الهيدروكربون بشكل كاف.

يمكن استخدام تقنيات مختلفة بما في ذلك الاستخلاص الثانوي والاستخلاص الثالث وغالبا ما يشار إلى الأخير باسم الاستخلاص المعزز للنفط EOR لاستخراج بعض النفط والغاز المتبقيين.

تتضمن تقنيات الاستخلاص الثانوي والاستخلاص المعزز للنفط حقن السوائل في باطن الأرض لدفع المزيد من الهيدروكربونات المحتجزة خارج المسام في المكمن والحفاظ على ضغط مسام المكمن.

غالبا ما يستخدم الاستخلاص الثانوي حقن الماء أو الغمر بالمياه وغالبا ما تقوم تقنيات الاستخلاص المعزز للنفط بحقن ثاني أكسيد الكربون CO2.

يسمح حاليا بوجود ما يقرب من 151000 بئر حقن في الولايات المتحدة من أجل الاستخلاص الثانوي المختلط والاستخلاص المعزز للنفط والتخلص من مياه الصرف الصحي مع عدد قليل جدا من الحوادث الموثقة التي تسبب فيها الحقن أو كان من المحتمل أن يكون مرتبطا بأحداث زلزالية محسوسة.

لقد ارتبط الاستخلاص الثانوي من خلال الغمر بعدد قليل جدا من الأحداث الزلزالية، ومن بين عشرات الآلاف من الآبار المستخدمة في الاستخلاص المعزز للنفط في الولايات المتحدة لم تجد اللجنة أي وثائق في الأدبيات المنشورة عن الزلازل المستحثة، ولم يتم إثارة أي حالات من قبل الخبراء في المجال الذين تواصلت معهم اللجنة أثناء الدراسة.

قد يتسبب استخراج النفط والغاز (سحب السوائل) من الخزان في حدوث أحداث زلزالية، وتعتبر هذه الأحداث نادرة بالنسبة للعدد الكبير من حقول النفط والغاز حول العالم ويبدو أنها مرتبطة بانخفاض ضغط المسام عند سحب السوائل.

على غرار أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية تم تصميم مشاريع النفط والغاز التقليدية للحفاظ على ضغط المسام داخل الحقل عند مستوى ما قبل الإنتاج من خلال الحفاظ على التوازن بين السوائل التي يتم إزالتها من جزء واحد من المكمن والسوائل المحقونة في جزء آخر من المكمن.

إن العدد الصغير نسبيا من الأحداث الزلزالية المستحثة الناتجة عن هذه التقنيات مقارنة بالعدد الكبير من الآبار يرجع جزئيا إلى هذا الجهد المبذول للحفاظ على ضغط المسام الأصلي للخزان.

يمكن أن تحتوي التكوينات الصخرية أيضا على الهيدروكربونات – الغاز أو النفط.

أدت النفاذية المنخفضة للغاية لهذه الصخور إلى احتجاز الهيدروكربونات أثناء تطورها في الصخر ومنعتها إلى حد كبير من الهجرة خارج الصخر عبر الزمن الجيولوجي.

تمنع النفاذية المنخفضة أيضا الهيدروكربونات من التدفق بسهولة إلى حفرة البئر دون تحفيز الإنتاج من قبل المشغل.

يتم تطوير هذه الأنواع من المكامن “غير التقليدية” عن طريق حفر الآبار أفقيا عبر صخور المكمن واستخدام تقنيات التكسير الهيدروليكي لإنشاء كسور جديدة في المكمن للسماح للهيدروكربونات بالهجرة إلى أعلى حفرة البئر.

يوجد حوالي 35.000 بئر غاز صخري متكسر هيدروليكيا في الولايات المتحدة وتم وصف حالة واحدة فقط من الزلازل المحسوسة (M ~ 2.8) في الولايات المتحدة حيث يشتبه في التكسير الهيدروليكي لتطوير الغاز الصخري ولكن لم يتم تأكيده باعتباره السبب.

على الصعيد العالمي تم التأكد من حالة واحدة فقط من الزلازل المستحثة في إنجلترا (M 2.3) على أنها ناجمة عن التكسير الهيدروليكي لتطوير الغاز الصخري من المحتمل أن يكون العدد المنخفض جدا من الأحداث المحسوسة مقارنة بالعدد الكبير من الآبار المكسورة هيدروليكيا للغاز الصخري يرجع إلى قصر مدة حقن السوائل وكميات السوائل المحدودة المستخدمة في منطقة مكانية صغيرة.

آبار التخلص من المياه العادمة:

بالإضافة إلى حقن السوائل المرتبط مباشرة بتنمية الطاقة فإن آبار الحقن التي يتم حفرها للتخلص من مياه الصرف الصحي الناتجة أثناء إنتاج النفط والغاز شائعة جدا في الولايات المتحدة.

تعمل حاليا عشرات الآلاف من آبار التخلص من مياه الصرف الصحي في جميع أنحاء البلاد، على الرغم من أنه تم ربط عدد قليل فقط من الأحداث الزلزالية المستحثة بآبار التخلص هذه، إلا أن حدوث هذه الأحداث قد ولد قلقا عاما كبيرا، وقد أشار فحص هذه الحالات إلى وجود روابط سببية بين مناطق الحقن وفوالق لم يتم التعرف عليها سابقا في باطن الأرض، وعلى النقيض من آبار الاستخلاص المعزز للنفط التي يتم تحديد مواقعها وحفرها من أجل الحقن الدقيق في مكامن النفط والغاز ذات الخصائص الجيدة، فإن آبار الحقن المستخدمة فقط لغرض التخلص من مياه الصرف الصحي لا تحتوي عادة على مراجعة جيولوجية مفصلة يتم إجراؤها قبل الحقن، وغالبا ما لا يتم التحقق من البيانات المتاحة لإجراء مثل هذه المراجعة التفصيلية، وبالتالي فإن موقع الفوالق القريبة المحتملة لا يكون غالبا جزءا قياسيا من تحديد موقع وحفر آبار التخلص هذه، بالإضافة إلى ذلك فإن وجود فالق لا يعني بالضرورة زيادة احتمالية النشاط الزلزالي المستحث، مما يخلق تحديات لتقييم المواقع المحتملة لآبار الحقن التي ستقلل من احتمالية النشاط الزلزالي المستحث.

احتجاز الكربون وتخزينه:

لعدة سنوات استكشف الباحثون طرقا مختلفة لتقليل انبعاثات الكربون إلى الغلاف الجوي مثل احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتطوير وسائل لتخزينه (أو عزله) بشكل دائم تحت الأرض، وإذا كانت عملية احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه ناجحة من الناحية الفنية واقتصادية فمن الممكن أن تصبح تكنولوجيا مهمة للحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي.

من الصعب حاليا تقييم خطر الزلازل المستحثة من احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه بدقة مع عدد قليل فقط من الأحداث الصغيرة.

هناك مشاريع تجارية واسعة النطاق في الخارج والعديد من المشاريع التجريبية صغيرة الحجم جارية في الولايات المتحدة ولا يتوفر سوى القليل من البيانات لتقييم القدرة الزلزالية المستحثة لهذه التكنولوجيا وقد تضمنت هذه المشاريع حتى الآن كميات صغيرة جدا من الحقن.

يختلف احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه عن تقنيات الطاقة الأخرى من حيث أنه يتضمن الحقن المستمر لثاني أكسيد الكربون بمعدلات عالية تحت ضغط لفترات طويلة من الزمن وهو مخصص للتخزين الدائم (بدون سحب السوائل).

بالنظر إلى أن الحجم المحتمل للحدث الزلزالي المستحث يرتبط ارتباطا وثيقا بمنطقة تمزق الفالق، والذي يرتبط بدوره بحجم تغير ضغط المسام وحجم الصخور التي يوجد فيها، فإن احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه على نطاق واسع قد يكون لديه القدرة على التسبب في إحداث تأثير كبير للزلزالية المستحثة.

مشاريع احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه التي لا تسبب زيادة كبيرة في ضغط المسام أعلى من قيمته الأصلية من المرجح أن تقلل من احتمال إحداث أحداث زلزالية.

ملخص تكنولوجيا الطاقة:

يعد التوازن بين حقن وسحب السوائل أمرا بالغ الأهمية لفهم إمكانية حدوث الزلازل المستحثة فيما يتعلق بمشاريع تطوير تكنولوجيا الطاقة.

إن العوامل المهمة لفهم إمكانية توليد أحداث زلزالية محسوسة معقدة ومترابطة وتشمل: معدل الحقن أو الاستخراج وحجم ودرجة حرارة السوائل المحقونة أو المستخرجة وضغط المسام ونفاذية الطبقات الجيولوجية ذات الصلة والفوالق وخصائصها وظروف إجهاد القشرة والمسافة من نقطة الحقن وطول الفترة الزمنية التي يتم خلالها الحقن والسحب.

يبدو أن توازن السائل الصافي (التوازن الكلي للسوائل المدخلة والمزالة) له النتيجة الأكثر مباشرة على تغيير ضغط المسام في باطن الأرض مع مرور الوقت.

مشاريع تكنولوجيا الطاقة المصممة للحفاظ على التوازن بين كمية السوائل التي يتم حقنها وكمية السوائل التي يتم سحبها مثل الطاقة الحرارية الأرضية ومعظم مشاريع تطوير النفط والغاز قد تنتج أحداثًا زلزالية مستحثة أقل من التقنيات التي لا تحافظ على توازن السوائل.

من بين الحالات الموثقة جيدا للزلازل المستحثة المتعلقة بحقن السوائل يرتبط الكثير منها بعمليات تنطوي على كميات كبيرة من حقن السوائل على مدى فترات زمنية طويلة.

تشتمل معظم آبار التخلص من مياه الصرف الصحي عادة على الحقن بضغوط منخفضة نسبيا في طبقات المياه الجوفية المسامية الكبيرة التي تتمتع بنفاذية طبيعية عالية وهي موجهة بشكل خاص لاستيعاب كميات كبيرة من السوائل.

على الرغم من توثيق عدد قليل من حالات النشاط الزلزالي المستحث فإن غالبية آبار التخلص من مياه الصرف الصحي الخطرة وغير الخطرة لا تشكل خطرا على النشاط الزلزالي المستحث.

إن الآثار طويلة المدى لأي زيادات كبيرة في عدد آبار التخلص من مياه الصرف الصحي على النشاط الزلزالي المستحث غير معروفة وترتبط أكبر الأحداث الزلزالية المستحثة الواردة في الأدبيات التقنية بمشاريع لم توازن الكميات الكبيرة من السوائل المحقونة أو المستخرجة من الأرض داخل الخزان.

قد يكون الحجم الصافي للسائل الذي يتم حقنه أو استخلاصه بمثابة مؤشر للتغيرات في ظروف الإجهاد تحت السطح وضغط المسام ومعدلات الحقن والاستخراج وعوامل أخرى.

قد تلعب التأثيرات الميكانيكية الحرارية والكيميائية الميكانيكية أيضا دورا في تغيير ظروف الإجهاد تحت السطح. يبدو أن المشاريع التي تحتوي على كميات صافية كبيرة من السوائل المحقونة أو المستخرجة على مدى فترات طويلة من الزمن مثل آبار التخلص من مياه الصرف الصحي على المدى الطويل واحتجاز وتخزين الكربون لديها إمكانات أكبر لأحداث مستحثة أكبر.

يعتمد حجم وكثافة الأحداث المستحثة المحتملة على الظروف الفيزيائية في باطن الأرض مثل حالة الضغط في الصخور ووجود الفوالق وخصائص الفوالق وضغط المسام.

العلاقة بين النشاط الزلزالي المستحث والمشاريع ذات الحجم الكبير وطويلة الأجل كما هو الحال في مشاريع احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه واسعة النطاق لم يتم اختبارها لأنه لا توجد مشاريع واسعة النطاق حتى الآن.

فهم وإدارة المخاطر المرتبطة بالزلازل المستحثة من تطوير الطاقة:

إن خطر الزلازل المستحثة هو الوصف والقياس الكمي المحتمل للآثار الفيزيائية التي ستولدها الأنشطة البشرية المرتبطة بإنتاج الطاقة تحت السطح أو عزل ثاني أكسيد الكربون.

خطر الزلازل المستحثة هو الوصف والقياس الكمي المحتمل لكيفية تسبب الأحداث الزلزالية المستحثة في خسائر بما في ذلك الأضرار الإنشائية وتأثيراتها على البشر بما في ذلك الإصابات والوفيات.

إذا وقعت أحداث زلزالية في منطقة لا يوجد فيها مباني أو بشر فلا يوجد خطر، ويمكن أيضا توسيع مفهوم المخاطر ليشمل التكرار لهزات الأرض التي تشكل مصدر إزعاج للإنسان.

يمكن معالجة العديد من الأسئلة لفهم وربما قياس المخاطر والمخاطر المرتبطة بالزلزال المستحث المرتبط بتقنيات الطاقة، وتشمل الأسئلة المرتبطة بفهم الخطر ما إذا كانت تكنولوجيا الطاقة تولد أحداثًا زلزالية واضحة وما إذا كانت هذه الأحداث أكبر من 2.0 وما إذا كانت الأحداث تولد اهتزازا أرضيًا (الزلازل الضحلة لديها احتمالية أكبر للتسبب في اهتزاز الأرض المحسوس أكثر من الزلازل العميقة) وآثار الاهتزاز.

لا يحدث الخطر على المباني إلا إذا كان الاهتزاز متوسطًا أو أكبر لا يحدث خطر على المباني إذا شعر الإنسان بالاهتزاز ولكنه ليس قويا بما يكفي لإتلاف المباني.

يتطلب التحديد الكمي للمخاطر والمخاطر تقييمات احتمالية، والتي قد تكون إما إحصائية (استنادا إلى البيانات) أو تحليلية (استنادا إلى النماذج العلمية والهندسية)، ويمكن بعد ذلك استخدام هذه التقييمات لإنشاء “أفضل الممارسات” أو بروتوكولات محددة لتطوير مشاريع الطاقة.

يتضمن تحليل المخاطر لمشروع صناعي بأكمله مدى التوزيع المكاني للعملية والعوامل المتعددة في المنطقة التي قد تؤثر على الحدث الزلزالي.

في حين أن خطر حدوث أضرار طفيفة أو متوسطة أو كبيرة من اهتزاز الحدث المستحث قد يكون صغيرا من بئر فردية، فإن عددا كبيرا من الآبار الموزعة مكانيا قد يؤدي إلى احتمال أكبر لمثل هذا الضرر، وبالتالي فإن تحليل مخاطر عملية صناعية يشمل التوزيع المكاني الكامل للعملية والمباني التي قد يؤثر عليها الزلزال.

على الرغم من أن البيانات التاريخية تشير إلى أن الأحداث الزلزالية المستحثة لم تكن بشكل عام كبيرة جدا ولم تسفر عن أضرار إنشائية كبيرة، إلا أن الأحداث الزلزالية المستحثة تثير قلق المجتمعات المتضررة.

يمكن استخدام الممارسات التي تأخذ في الاعتبار الزلازل المستحثة قبل وأثناء التشغيل الفعلي لمشروع الطاقة في تطوير بروتوكول “أفضل الممارسات” الخاص بكل تكنولوجيا طاقة، والهدف من هذه البروتوكولات هو تقليل احتمالية حدوث حدث زلزالي محسوس والتخفيف من آثار الحدث في حالة وقوعه.

يمكن إنشاء نظام تحكم ضمن البروتوكول للاستجابة لحالة من الزلازل المستحثة مما يسمح بمستويات منخفضة من الزلازل، ولكن مع إضافة متطلبات المراقبة والتخفيف، بما في ذلك متطلبات تعديل أو حتى إيقاف العمليات إذا كانت الأحداث الزلزالية ذات خطورة تؤدي إلى قلق كبير على الصحة والسلامة العامة، ويرتبط النجاح النهائي لمثل هذا البروتوكول بشكل أساسي بقوة العلاقات التعاونية والحوار بين المشغلين والمنظمين ومجتمع البحث والجمهور.

أدوار الحكومة ومسؤولياتها في الولايات المتحدة الأمريكية:

وكالة حماية البيئة (EPA)، ومكتب إدارة الأراضي (BLM)، ووزارة الزراعة وخدمة الغابات (USFS)، وهيئة المسح الجيولوجي (USGS) – والوكالات الحكومية المختلفة لديها إشراف تنظيمي، وأدوار ومسؤوليات بحثية تتعلق بالجوانب المختلفة لأنشطة الحقن تحت الأرض المرتبطة بتقنيات الطاقة.

حتى الآن تعاملت هذه الوكالات المختلفة مع الأحداث الزلزالية المستحثة بإجراءات مختلفة ومحلية، وقد كانت هذه الجهود المبذولة للاستجابة للأحداث الزلزالية المحتملة ناجحة.

العديد من الأحداث التي يشتبه العلماء في أنها قد تكون مستحثة لا يتم تصنيفها على هذا النحو وذلك بسبب عدم وجود تأكيد أو دليل على أن تلك الأحداث كانت في الواقع ناجمة عن النشاط البشري.

في المناطق ذات النشاط الزلزالي المنخفض تاريخيا تميل تغطية الشبكة الزلزالية الوطنية إلى أن تكون أقل كثافة من المناطق الأكثر نشاطًا زلزاليا مما يجعل من الصعب اكتشاف الأحداث الصغيرة وتحديد مواقعها بدقة.

فهم وإدارة المخاطر المرتبطة بالزلازل المستحثة من تطوير الطاقة:

أدوار الحكومة ومسؤولياتها في الولايات المتحدة الأمريكية:

البحوث الخاصة باحتجاز وتخزين الكربون:

تهدف إلى:

استخدام بعض الحقول النشطة العديدة التي يتم فيها احتجاز ثاني أكسيد الكربون من أجل الاستخلاص المعزز للنفط لفهم المزيد عن النقص الواضح في الأحداث الزلزالية المستحثة في هذه المجالات ونظرا لأن ثاني أكسيد الكربون قابل للانضغاط في الطور الغازي، فهل من المهم فهم العوامل الأخرى التي تتجاوز ضغط المسام فيما يتعلق بعزل ثاني أكسيد الكربون؟
تطوير نماذج لتقدير حجم الزلزال المحتمل الذي يمكن أن يحدث نتيجة لاحتجاز وتخزين الكربون على نطاق واسع.
تطوير نماذج فيزيائية وكيميائية وميكانيكية للسوائل مفصلة لحقن ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج في طبقات المياه الجوفية المحتملة للتخزين.

حيث:

يتم التحكم عموما في ضغوط الحقن وأحجام السوائل الصافية في تقنيات الطاقة، مثل الطاقة الحرارية الأرضية وإنتاج النفط والغاز، لتجنب زيادة ضغط المسام في المكمن فوق ضغط مسام المكمن الأولي. وبالتالي تبدو هذه التقنيات أقل إشكالية من حيث إحداث الأحداث الزلزالية المحسوسة من التقنيات التي تؤدي إلى زيادة أو نقصان كبير في حجم السائل الصافي.
تختلف الاستجابات الزلزالية المستحثة للحقن أو الاستخراج من حيث السبب والحجم بين كل شكل من الأشكال الثلاثة المختلفة لموارد الطاقة الحرارية الأرضية. إن انخفاض درجة حرارة الصخور تحت السطح الناجم عن حقن الماء البارد في مجال الطاقة الحرارية الأرضية لديه القدرة على إنتاج أحداث زلزالية.
إن احتمال حدوث زلزال بسبب الاسترداد الثانوي والاستخراج المعزز للنفط منخفض.
لا تشكل عملية التكسير الهيدروليكي للبئر التي يتم تنفيذها حاليا لاستعادة الغاز الصخري خطرا كبيرا لإحداث أحداث زلزالية محسوسة.
تمتلك الولايات المتحدة حاليا ما يقرب من 30.000 بئرا للتخلص من مياه الصرف الصحي من الفئة التي تعالج حقن المحاليل الملحية والسوائل الأخرى المرتبطة بإنتاج النفط والغاز والهيدروكربونات للتخزين من بين إجمالي 151.000 بئر حقن من الفئة الثانية (والتي تشمل آبار الحقن لكل من الاستخلاص الثانوي والاستخلاص المعزز للنفط). تم الإبلاغ عن عدد قليل جدا من الأحداث الزلزالية المحسوسة إما بسبب آبار التخلص من مياه الصرف الصحي أو المرتبطة بها مؤقتا؛ أنتجت هذه الأحداث زلازل محسوسة بشكل عام أقل من M 4.0. لقد نجح تقليل أحجام الحقن ومعدلاته وضغوطه في تقليل معدلات الزلازل المرتبطة بحقن مياه الصرف الصحي.
إن الكميات المقترحة لحقن ثاني أكسيد الكربون السائل في مشاريع عزل واسعة النطاق أكبر بكثير من تلك المرتبطة بتقنيات الطاقة الأخرى. لا توجد خبرة في حقن السوائل على هذه المقاييس الكبيرة وهناك القليل من البيانات حول الزلازل المرتبطة بالمشاريع التجريبية لثاني أكسيد الكربون. إذا كانت الخزانات تتصرف بطريقة مماثلة لحقول النفط والغاز، فقد يكون لهذه الكميات الصافية الكبيرة القدرة على التأثير على ضغط المسام على مساحات شاسعة. بالمقارنة مع تقنيات الطاقة الأخرى، قد يكون لهذه المناطق المكانية الكبيرة القدرة على زيادة عدد وحجم الأحداث الزلزالية.

فالإجراء المقترح وبسبب الافتقار إلى الخبرة في مجال حقن السوائل على نطاق واسع لاحتجاز وتخزين الكربون، هناك حاجة إلى أبحاث مستمرة تدعمها الحكومة الفيدرالية حول إمكانية حدوث زلزال مستحث في مشاريع احتجاز وتخزين الكربون على نطاق واسع كجزء من الجهود البحثية المستمرة، يعد التعاون بين الوكالات الفيدرالية والمشغلين الأجانب لمواقع احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه أمرا مهما لفهم الأحداث الزلزالية المستحثة وتأثيراتها على عمليات احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه.

تقييم المخاطر:

تعتمد تقييمات المخاطر على الأساليب التي تنفذها، ولكن هذه الأساليب غير موجودة حاليا. تشمل أنواع المعلومات والبيانات المطلوبة لتوفير تقييم قوي للمخاطر ما يلي:

1- صافي ضغوط المسام، والضغوط في الموقع، ومعلومات عن الفوالق؛ 2- الخلفية الزلزالية. 3- إحصائيات إجمالية للزلازل المستحثة وحقن السوائل أو استخراجها.

والإجراءات المقترحة:

ينبغي تطوير منهجية مفصلة لإجراء تقييمات كمية واحتمالية للمخاطر الزلزالية المستحثة. سيكون الهدف من تطوير هذه المنهجية هو:

أ- إجراء التقييمات قبل بدء العمليات في المناطق ذات التاريخ المعروف من الزلازل المحسوسة.

ب- تحديث التقييمات استجابةً للزلازل المستحثة المرصودة.

يجب جمع البيانات المتعلقة بحقن السوائل (إحداثيات موقع البئر، وأعماق الحقن، وأحجام الحقن والضغوط، والأطر الزمنية) من قبل السلطات التنظيمية الفيدرالية والولائية في تنسيق مشترك وإتاحتها للجمهور (من خلال هيئة تنسيقية مثل هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية) .
في المناطق ذات الكثافة السكانية العالية، ينبغي للهيئات التنظيمية أن تفكر في طلب جمع البيانات لتسهيل تحديد الفوالق وتحليل المخاطر قبل بدء عمليات الطاقة.

وأفضل الممارسات:

يعد بروتوكول DOE الخاص بـ EGS نموذجا معقولا لمعالجة الزلازل المستحثة التي يمكن أن تكون بمثابة نموذج لتطوير البروتوكول لتقنيات الطاقة الأخرى.

والثغرة أنه لا يوجد عموما بروتوكول لأفضل الممارسات لمعالجة الزلازل المستحثة لكل تكنولوجيا طاقة. تقترح اللجنة تكييف بروتوكولات أفضل الممارسات وتكييفها مع كل تقنية للسماح باستمرار تطوير تكنولوجيا الطاقة.

والإجراءات المقترحة:

ينبغي وضع بروتوكولات لأفضل الممارسات لكل من تكنولوجيات الطاقة (الاستخلاص الثانوي والاستخراج المعزز للنفط لإنتاج النفط والغاز التقليدي، وإنتاج الغاز الصخري، واحتجاز وتخزين الكربون) من قبل خبراء في كل مجال، بالتنسيق مع الوكالات المرخصة، ومن المحتمل أن تتبع نموذج وزارة الطاقة بروتوكول EGS.

بالنسبة لجميع التقنيات يجب تطبيق البروتوكولات على:

1- السماح بالعمليات حيث حددت وكالات الدولة المناطق ذات الإمكانات العالية للزلازل المستحثة. أو 2- عملية قائمة يشتبه في أنها تسببت في حدوث زلزال يسبب قلقا كبيرًا على الصحة والسلامة العامة.

إن التطوير المتزامن لبرامج التوعية العامة من قبل الوكالات الفيدرالية أو وكالات الولاية بالتعاون مع الصناعة ومجتمع البحث يمكن أن يساعد المسؤولين العامين والمحليين في فهم ومعالجة المخاطر المرتبطة بالأحداث الزلزالية الصغيرة الحجم.

أدوار الحكومة ومسؤولياتها:

قد يتم إنتاج الزلازل المستحثة بواسطة عدد من تقنيات الطاقة المختلفة وقد تتضمن إما حقن السوائل أو استخراجها. ومع ذلك، فإن مسؤولية الإشراف على الزلازل المستحثة تتوزع بين عدد من الوكالات الفيدرالية ووكالات الولايات.
تمت معالجة الاستجابات للأحداث الزلزالية المتعلقة بتنمية الطاقة بطرق متنوعة تشمل الوكالات المحلية والولائية والفدرالية والمؤسسات البحثية.

قد لا تمتلك هذه الوكالات والمؤسسات البحثية الموارد اللازمة لمعالجة الأحداث غير المتوقعة، وقد تؤدي المزيد من الأحداث إلى الضغط على هذا النظام المخصص.

حاليا تتحمل وكالة حماية البيئة المسؤولية التنظيمية الأساسية عن حقن السوائل بموجب قانون مياه الشرب الآمنة، والذي لا يتناول الزلازل المستحثة. تعالج وكالة حماية البيئة قضية الزلازل المستحثة من خلال دراستها الحالية بالتشاور مع الوكالات الفيدرالية ووكالات الولايات الأخرى.
تتمتع هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية بالقدرة والخبرة اللازمة لمعالجة عمليات الرصد والأبحاث المرتبطة بالأحداث الزلزالية المستحثة، ومع ذلك فإن نطاق مهمتها ضمن برنامج تقييم المخاطر الزلزالية يركز على الزلازل الطبيعية ذات التأثير الكبير. ستكون هناك حاجة إلى موارد جديدة كبيرة إذا تم توسيع مهمة هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية لتشمل المراقبة الشاملة والأبحاث حول الزلازل المستحثة.

والثغرة:

لا توجد آليات حاليا للتنسيق الفعال لاستجابة الوكالات الحكومية للأحداث الزلزالية.

والإجراءات المقترحة:

ينبغي للوكالات ذات الصلة، بما في ذلك وكالة حماية البيئة، ووكالة المسح الجيولوجي الأمريكية، ووكالات إدارة الأراضي، وربما وزارة الطاقة، والوكالات الحكومية ذات السلطة والخبرة ذات الصلة (على سبيل المثال، لجان النفط والغاز، والمسوحات الجيولوجية بالولاية، والوكالات البيئية بالولاية) تطوير آليات تنسيق لمعالجة الزلازل المستحثة الأحداث.
يجب على السلطات المخصصة للوكالات ذات المسؤولية المحتملة عن الزلازل المستحثة أن تنظر في تخصيص الموارد للاستجابة للأحداث الزلزالية المستحثة في المستقبل.

تقنيات الطاقة والزلازل المستحثة:

الزلزال هو اهتزاز الأرض نتيجة لإطلاق مفاجئ للطاقة داخل الأرض. تحدث معظم الزلازل بسبب التحول الطبيعي والسريع (أو الانزلاق) للصخور على طول الفوالق الجيولوجية التي تطلق الطاقة المتراكمة من خلال الحركات البطيئة نسبيا لأجزاء من القشرة الأرضية.

تعتبر الزلازل العديدة والكبيرة أحيانا التي شعر بها تاريخيا في كاليفورنيا أمثلة على الزلازل التي تحدث بشكل طبيعي والمرتبطة بحركات الأرض على طول الفوالق الإقليمية ويتم قياس ما معدله حوالي 14,450 زلزالا بقدر يزيد عن 4.0 (M> 4.0) عالميا كل عام. ويزداد هذا العدد بشكل كبير إلى أكثر من 1.4 مليون زلزال وهزة سنويا عندما يتم تضمين الهزات الصغيرة (تلك التي يزيد قدرها عن 2) وعلى الرغم من أن الغالبية العظمى من الزلازل لها أسباب طبيعية إلا أن بعض الزلازل قد تكون مرتبطة أيضا بالأنشطة البشرية وتسمى “الزلازل المستحثة”. الأحداث الزلزالية المستحثة”.

عادة ما تكون الأحداث الزلزالية المستحثة صغيرة. يمكن أن تؤدي التجارب النووية تحت الأرض والانفجارات الخاضعة للرقابة فيما يتعلق بالتعدين أو البناء وحجز الخزانات الكبيرة خلف السدود إلى حدوث زلازل مستحثة كما إن تقنيات الطاقة التي تتضمن حقن أو سحب السوائل من تحت السطح لديها أيضا القدرة على إحداث أحداث زلزالية يمكن قياسها والشعور بها.

تمت ملاحظة وتوثيق الزلازل الناجمة عن النشاط البشري منذ عشرينيات القرن العشرين على الأقل، عدد المواقع التي وقعت فيها أحداث زلزالية والتي نتجت عن تطوير الطاقة أو من المحتمل أن تكون مرتبطة بها مدرجة في الشكل(3) حسب التكنولوجيا، حيث يتم إدراج أعداد المواقع على مستوى العالم أولا في العمود وتوضح خريطة العالم الشكل(4) هذه المواقع حسب التكنولوجيا والحجم، والأرقام الموجودة بين قوسين بجانب الإجماليات العالمية هي عدد المواقع التي حدثت فيها الأحداث الزلزالية في الولايات المتحدة بسبب أو من المحتمل أن تكون مرتبطة بتنمية الطاقة بالإضافة إلى تقنيات الطاقة، وتظهر القائمة أيضا الزلازل المستحثة بسبب خزانات المياه السطحية (السدود) والأنشطة الأخرى المتعلقة بالتعدين ويتم رسم مواقع الأحداث على الخريطة الأمريكية في الشكل(5).

الشكل(3)

الشكل(4)

الشكل(5)

يمكن أن تسبب عمليات التعدين أحداثًا زلزالية بالإضافة إلى الانفجارات التي تستخدم لتكسير الصخور لأغراض التنقيب. قد تحدث هذه الأحداث الزلزالية في أعماق ضحلة نتيجة للتغيرات في الإجهاد القشري، سواء عن طريق إزالة خام التعدين أو عن طريق إعادة توزيع الضغط القشري من كسر الصخور السليمة.

إن المثال الموثق الأقدم وربما الأكثر شهرة لحدث زلزالي مستحث يتعلق بحقن السوائل هو النشاط الذي حدث في منطقة دنفر، كولورادو في الستينيات فيما يتعلق بالتخلص من النفايات السائلة في روكي ماونتن أرسنال حيث تسببت بئر الحقن في حدوث زلازل مستحثة (ثلاثة زلازل بقوة 5.0 إلى 5.55) تسبب أكبرها في أضرار تقدر بنحو 500000 دولار في عام 1967.

زلازل روكي ماونتن ارسنال:

خلال ربيع عام 1962 بدأت محطات رصد الزلازل في كولورادو بتسجيل عدد من الزلازل الصغيرة بالقرب من دنفر، على الرغم من أن دنفر كانت تعتبر في السابق منطقة ذات نشاط زلزالي منخفض إلا أنه في الفترة ما بين أبريل 1962 وأغسطس 1967 تم تسجيل أكثر من 1500 هزة في محطة قياس الزلازل في بيرغن بارك كولورادو، كانت بعض الزلازل ملحوظة للسكان المحليين وتجاوزت 3 و4، وتعزى الزلازل في النهاية إلى حقن السوائل تحت الأرض باستخدام بئر عميق محفور على أرض تعرف باسم Rocky Mountain Arsenal على بعد حوالي 6 أميال شمال شرق وسط مدينة دنفر.

تم استخدام Rocky Mountain Arsenal من قبل الجي.ش الأمريكي من عام 1942 حتى عام 1985 لتصنيع الأسل.حة الكيميا.ئية والتخلص منها، وفي عام 1961 قام الجي.ش بحفر بئر للتخلص من نفايات السوائل الكيميا.ئية عن طريق الحقن تحت الأرض. تم حفر البئر على عمق 12045 قدما في صخور ما قبل الكمبري البلورية (صخور يزيد عمرها عن 700 مليون سنة) تحت الصخور الرسوبية في حوض دنفر.

بدأ حقن السوائل في مارس 1962 ومنذ ذلك الوقت وحتى سبتمبر 1963 تم حقن السوائل بمعدل متوسط قدره 181000 جالون يوميا، توقف الحقن في أكتوبر 1963 لكنه بدأ مرة أخرى في أغسطس 1964 حتى أبريل 1965 وخلال دورة الحقن الثانية لم يتم حقن السائل تحت الضغط ولكن تمت تغذيته إلى البئر تحت تدفق الجاذبية بمعدل 65800 جالون/يوم. وفي أبريل 1965 تم استئناف الحقن بالضغط بمعدل 148000 جالون/يوم، كان الحد الأقصى لضغط الحقن في أي وقت هو 72 بارا، في أبريل ومايو من عام 1962 بدأ مرصدان لرصد الزلازل في منطقة دنفر في تسجيل سلسلة من الزلازل الصغيرة.

في يونيو من عام 1962 وقعت عدة زلازل كانت كبيرة بما يكفي ليشعر بها السكان وتسببت في قلق كبير، وبحلول نوفمبر من عام 1965 تم تسجيل أكثر من 700 هزة وعلى الرغم من الشعور بـ 75 منها لم يتم الإبلاغ عن أي ضرر.

أوضحت الأبحاث التي أجريت في منتصف الستينيات على بئر الحقن العميق الموجود في أراضي أرسنال العلاقة بين كمية السوائل التي تم حقنها في بئر أرسنال وعدد زلازل دنفر. أشارت الأبحاث إلى وجود علاقة قوية بين أحجام الحقن وتكرار الزلازل الشكل(6).

الشكل(6)

قدم التحقيق الأكثر تفصيلا الذي أجرته العديد من الجامعات المحلية ووكالة المسح الجيولوجي الأمريكية مزيدا من الدعم لهذا الاستنتاج، وأظهرت الأبحاث أن غالبية الزلازل كان مركزها على بعد 5 أميال من بئر حقن الأرسنال. وتراوحت أعماق الزلازل بين 12140 قدما إلى 23000 قدما (3700 إلى 7000 مترا) تحت سطح الأرض وهو عمق صخور ما قبل الكمبري في المنطقة، وأظهرت الأبحاث أيضا أن مراكز الهزات تصطف بشكل عام في اتجاه الشمال الغربي إلى الجنوب الشرقي على غرار اتجاه نظام الكسور العمودية الطبيعية الموجودة في صخور ما قبل الكمبري في المنطقة.

على الرغم من توقف الحقن في بئر أرسنال في فبراير 1966 إلا أن النشاط الزلزالي استمر لعدة سنوات أخرى. حدثت أقوى الزلازل بالفعل بعد توقف الحقن في البئر.

بعد نوفمبر 1967 انخفض نشاط الزلازل بشكل مطرد وتوقف فعليا بحلول أواخر الثمانينات، افترضت النظريات الأولية أن زلازل دنفر كانت ناجمة عن ضخ السوائل إلى الأرض عن طريق الحقن بالضغط في بئر التخلص، ويقترح أن تكون السوائل بمثابة مادة تشحيم مما يسمح للكتل الكبيرة من الصخور الموجودة تحت السطح بالتحرك بسهولة أكبر، ومع ذلك أظهر المزيد من التحليل أن الزلازل الناجمة عن حقن السوائل لا تنتج عن تشحيم نظام الكسر ولكنها تشير بدلا من ذلك إلى أن الزلازل كانت ناجمة عن زيادة ضغط السائل الموجود في التكوين من خلال الحقن عالي الضغط مما أدى إلى انخفاض مقاومة الاحتكاك بين الصخور على طول نظام الفالق الموجود وسمح خفض مقاومة الاحتكاك للصخور بالانزلاق بالنسبة لبعضها البعض.

بدأ الاهتمام العام في الآونة الأخيرة بالارتباط المحتمل بين الأحداث الزلزالية وتطوير تكنولوجيا الطاقة بعدة أحداث زلزالية محسوسة: في بازل سويسرا في عام 2006، وفي كاليفورنيا في عام 2008، وبالقرب من مطار دالاس فورت وورث في عام 2008. ووقعت عدة أحداث زلزالية إضافية ذات ارتباط محتمل بتطور الطاقة في أجزاء مختلفة من الولايات المتحدة وفي العديد من الدول الأخرى كما تم تسليط الضوء على احتمال حدوث أحداث زلزالية في سياق المناقشة العامة المستمرة حول تطوير الغاز الصخري من خلال عمليات التكسير الهيدروليكي، وعلى الرغم من أن أيا من هذه الأحداث الأخيرة لم يسفر عن خسائر في الأرواح أو أضرار إنشائية كبيرة إلا أن آثارها شعر بها السكان المحليون الذين تعرض بعضهم أيضا لأضرار طفيفة في الممتلكات، لا سيما في المناطق التي يكون فيها النشاط الزلزالي التكتوني (الطبيعي) غير شائع أو غير موجود تاريخيا ويستمر تطوير الطاقة فإن هذه الأحداث الزلزالية على الرغم من صغر حجمها يمكن أن تكون مزعجة للجمهور ويمكن أن تثير القلق بشأن المزيد من النشاط الزلزالي وعواقبه.

يتناول هذا الجزء الزلازل المستحثة التي قد تكون مرتبطة على وجه التحديد بأنواع معينة من تطور الطاقة التي تنطوي على حقن السوائل أو سحبها، سيتم دراسة حجم ونطاق وعواقب الزلازل الناجمة عن تقنيات الطاقة والمرتبطة على وجه التحديد بأربع تقنيات للطاقة: الطاقة الحرارية الأرضية والغاز الصخري والاستخلاص المعزز للنفط (EOR) واحتجاز الكربون وتخزينه (CCS).

ستركز الدراسة على مجالات الاهتمام المتعلقة باحتجاز وتخزين الكربون والخدمات البيئية والاجتماعية والإنتاج من الغاز الصخري والاستخلاص المعزز للنفط وسوف يتم:

تلخيص أحدث المعارف الحالية بشأن النطاق والعواقب المحتملة للزلازل الناجمة عن حقن السوائل المتعلقة بإنتاج الطاقة بما في ذلك الدروس المستفادة من الأسباب الأخرى للزلازل المستحثة
تحديد الفجوات في المعرفة والأبحاث اللازمة لتعزيز فهم الزلازل المستحثة وأسبابها وآثارها والمخاطر المرتبطة بها
تحديد الثغرات وأوجه القصور في المنهجيات الحالية لتقييم المخاطر المتعلقة بالزلازل المستحثة والبحوث اللازمة لسد تلك الثغرات
تحديد وتقييم الخيارات للخطوات المؤقتة نحو أفضل الممارسات في انتظار حل الأسئلة البحثية الرئيسية المعلقة.

إن الهدف من هذه الدراسة هو توفير فهم لطبيعة وحجم الزلازل المستحثة المتعلقة بتقنيات الطاقة واقتراح إرشادات حول أفضل السبل للمضي قدما في التطوير الآمن لهذه التقنيات من حيث أي مخاطر زلزالية مستحثة محتملة. تبدأ الدراسة بفحص الأنواع والأسباب أو الآليات المحتملة للزلازل المستحثة وتستعرض تقنيات الطاقة الأربع التي هي موضوع الدراسة والطرق التي يمكن أن تحفز بها النشاط الزلزالي وتناقش الأدوار والمسؤوليات الحكومية المتعلقة بالحقن تحت الأرض والزلازل المستحثة وتتناول مخاطر الزلازل المستحثة وتحدد بعض المسارات لفهم وإدارة الزلازل المستحثة مع خطوات نحو أفضل الممارسات للتخفيف من مخاطر الزلازل المستحثة كما تتضمن الدراسة النتائج والاستنتاجات والإجراءات المقترحة والتوصيات، بما في ذلك تحديد الفجوات في المعلومات والمعرفة واحتياجات البحث والرصد.

الزلازل وقياسها:

تشبه عملية توليد الزلازل الشريط المطاطي الممتد إلى نقطة الانهيار والذي ينقطع فجأة ويطلق الطاقة المخزنة في الشريط المطاطي. تنجم الزلازل عن الانزلاق على طول الفوالق التي تطلق الضغوط التكتونية التي زادت بدرجة كافية لتتجاوز قوة كسر الفالق.

تنطلق طاقة الانفعال من قشرة الأرض أثناء الزلزال على شكل موجات زلزالية واحتكاك على الفالق المسبب، وفي بعض الزلازل يتغير ارتفاع القشرة الأرضية.

يمكن للموجات الزلزالية أن تنتقل لمسافات كبيرة بالنسبة للزلازل الكبيرة يمكنهم للأمواج السفر حول العالم.

إن الحركات الأرضية التي يتم ملاحظتها في أي مكان هي مظهر من مظاهر هذه الموجات الزلزالية، يمكن قياس الموجات الزلزالية بطرق مختلفة: قدر الزلزال هو مقياس لحجم أو قوة الزلزال أو كمية الطاقة المنطلقة عند مصدر الزلزال، في حين أن شدة الزلزال هي مقياس لمستوى اهتزاز الأرض في موقع محدد.

يعد التمييز بين حجم الزلزال وشدته أمرا مهما لأن شدة اهتزاز الأرض تحدد ما ندركه أو نشعر به كبشر ومدى الضرر الذي يلحق بالهياكل والمرافق، تعتمد شدة الزلزال على عوامل مثل المسافة من مصدر الزلزال والظروف الجيولوجية المحلية فضلا عن قدر الزلزال.

تم نشر مقياس قدر الزلازل لأول مرة بواسطة ريختر (1936) واستند إلى اتساع الحركات الأرضية المسجلة على أجهزة قياس الزلازل القياسية في جنوب كاليفورنيا.

أن الزلازل التكتونية “الطبيعية” يرتبط حجمها أيضا ارتباطا وثيقا بمنطقة تمزق الزلزال، والتي تعرف بأنها مساحة سطح الفالق المتأثر بالانزلاق المفاجئ أثناء الزلزال.

عادة ما يكون للزلزال الكبير الذي تبلغ قوته 8 مساحة تمزق سطحية تبلغ 5000 كيلومتر مربع إلى 10000 كيلومتر مربع أو تقريبا حجم ولاية ديلاوير، في المقابل تبلغ مساحة الزلازل 3 عادة حوالي 0.060 كيلومتر مربع أي ما يعادل حوالي 15 ملعبا لكرة القدم.

الزلازل المحسوسة هي بشكل عام تلك التي تتراوح قدرها بين 3 و5 والزلازل المدمرة هي تلك التي قدرها أكبر من 5.5.

عادة ما يتم التعبير عن شدة الاهتزاز في أي مكان باستخدام مقياس ميركالي المعدل ويتراوح من III (يشعر به عدد قليل من الأشخاص وقد يتسبب في تأرجح الأشياء المعلقة) إلى X (عند حدوث ضرر جسيم).

معظم الزلازل سواء كانت طبيعية أو ناتجة والتي يتم تسجيلها بواسطة أجهزة قياس الزلازل تكون صغيرة جدا بحيث لا يمكن للناس ملاحظتها، وغالبا ما يشار إلى هذه الزلازل الصغيرة باسم الزلازل الصغيرة.

تعتمد هذه الدراسة مصطلح الزلازل الصغيرة لجميع الأحداث الزلزالية التي يقل قدرها عن 2.0. يتم تسجيل الزلازل الصغيرة التي يصل قدرها إلى 2 بشكل روتيني بواسطة محطات قياس الزلازل المحلية أثناء عمليات التكسير الهيدروليكي المستخدمة لتحفيز استخلاص النفط والغاز. عند القدر 2 تبلغ مساحة مناطق التمزق مترا مربعا واحدا.

حدثت معظم الزلازل التي تحدث بشكل طبيعي بالقرب من حدود الصفائح التكتونية في العالم حيث تكون الفوالق نشطة تاريخيا، ومع ذلك تحدث أيضا مستويات منخفضة من الزلازل داخل الصفائح التكتونية.

تشير هذه الحقيقة جنبا إلى جنب مع القياسات الميدانية واسعة النطاق للإجهاد وحالات الزلازل المستحثة المنتشرة على نطاق واسع إلى أن قشرة الأرض حتى في ما يمكن أن نعتبره مناطق مستقرة جيولوجيا أو تاريخيا يتم التأكيد عليها بشكل شائع بالقرب من الحد الحرج لانزلاق الفالق، وبسبب هذه الحالة الطبيعية لقشرة الأرض لا يمكن افتراض أن أي منطقة محصنة بشكل كامل ضد حدوث الزلازل.

قد تحدث الزلازل المستحثة عندما تتغير الظروف الموجودة تحت السطح بطريقة تصل الضغوط المؤثرة على فالق موجود مسبقا إلى النقطة الحرجة للانزلاق.

إذا كانت الضغوط في تكوين صخري قريبة من الضغط الحرج لتمزق الفالق فإن النظرية تتنبأ وتوضح التجربة أن التغيرات المتواضعة نسبيا في ضغط المسام يمكن أن تحفز الزلازل.

بشكل عام الزلازل المستحثة ليست ضارة ولكن إذا كانت ظروف الإجهاد الموجودة مسبقا أو ارتفاع ضغط السوائل المسامية مرتفعة بما يكفي على منطقة فالق كبير فمن المحتمل أن تحدث زلازل ذات حجم أو شدة كافية لإحداث الضرر.

غالبا ما يكون تحديد ما إذا كان زلزال معين أو زلزال صغير ناجمة عن نشاط بشري أو حدثت بشكل طبيعي أمرا صعبا للغاية، في كثير من الأحيان يتم إجراء الاستنتاجات على أساس القرب المكاني والزماني للزلزال والنشاط البشري بناء على التاريخ الزلزالي في المنطقة وعلى أساس ما إذا كانت النماذج العامة للزلازل المستحثة ستدعم الصلة.

على سبيل المثال لن يتم اعتبار كمية صغيرة من السوائل التي يتم حقنها في القشرة الأرضية على أعماق ضحلة (على سبيل المثال، أثناء عملية التكسير الهيدروليكي) سببا لزلزال بقدر 7 الذي بدأ على عمق 10 كم حتى لو كان التكسير الهيدروليكي والزلزال قريبة في المكان والزمان.

يلعب تاريخ الزلازل في المنطقة أيضا دورا في استنتاج ما إذا كان زلزال معين قد حدث أم لا، إذا بدا أن زلزالا معينا مرتبط بالنشاط البشري ولكن حدثت زلازل مماثلة في الماضي في تلك المنطقة فإن الارتباط بالنشاط البشري يكون أكثر ضعفا مما لو كان الارتباط بين الزلزال والنشاط البشري قد حدث في منطقة زلزالية سابقا، وفي الحالة الأخيرة قد يكون المؤشر المهم هو معدل حدوث الزلازل المتعددة مقارنة بالمعدل التاريخي.

تقنيات الطاقة والزلازل المستحثة:

الطاقة الحرارية الأرضية:

يلتقط إنتاج الطاقة الحرارية الأرضية الحرارة الطبيعية للأرض لتوليد البخار الذي يمكنه تشغيل التوربينات لإنتاج الكهرباء.

تنقسم أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية إلى واحدة من ثلاث فئات مختلفة:

1- الأنظمة التي يهيمن عليها البخار

2- الأنظمة التي يهيمن عليها السائل

3- أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية المحسنة (EGS).

الأنظمة التي يهيمن عليها البخار نادرة نسبيا، ومن الأمثلة الرئيسية على ذلك حقل جيسيرز للطاقة الحرارية الأرضية في شمال كاليفورنيا. تستخدم الأنظمة السائدة السائلة للطاقة الحرارية الأرضية في ألاسكا وكاليفورنيا وهاواي وأيداهو ونيفادا ويوتا، في كلا النوعين من أنظمة الموارد الحرارية المائية يتم استخراج البخار أو الماء الساخن من الكسور التي تحدث بشكل طبيعي داخل الصخور في باطن الأرض ويتم حقن السائل البارد في الأرض لتجديد إمدادات السوائل.

تعد EGS مصدرا محتملا جديدا للطاقة الحرارية الأرضية حيث تكون الصخور الموجودة تحت السطح ساخنة بشكل طبيعي وغير منفذة إلى حد ما وتحتوي على كمية قليلة نسبيا من السوائل، تستخدم الآبار لضخ السائل البارد إلى الصخور الساخنة لتجميع الحرارة، والتي يتم استخلاصها بعد ذلك عن طريق ضخ السائل إلى السطح.

في بعض الحالات قد يفتقر خزان EGS المحتمل إلى اتصال كاف عبر الكسور للسماح بحركة السوائل عبر الصخور، في هذه الحالة قد يتم كسر الخزان باستخدام حقن السوائل ذات الضغط العالي من أجل زيادة النفاذية.

النفاذية هي مقياس للسهولة التي يتدفق بها السائل عبر التكوين الصخري، في كل من هذه الأنظمة الحرارية الأرضية، يكون لحقن أو استخراج السائل تأثير القدرة على تحفيز النشاط الزلزالي.

إنتاج النفط والغاز:

يتضمن إنتاج النفط والغاز ضخ السوائل الهيدروكربونية (البترول والغاز الطبيعي) غالبا مع كميات كبيرة من السوائل المائية (المياه الجوفية) التي تحتوي عادة على كميات كبيرة من المواد الصلبة والأملاح الذائبة “المحلول الملحي” من باطن الأرض.

في الولايات المتحدة، يطلب من مشغلي النفط والغاز إدارة هذه السوائل المائية من خلال مجموعة من المعالجات والتخزين والتخلص والاستخدام وفقا للوائح الحكومية.

عادة إذا لم يتم إعادة استخدام هذه السوائل في عملية الاستخراج يتم التخلص منها عن طريق الحقن في أعماق تحت السطح في الآبار التي قد تقع على مسافة ما من موقع استخراج النفط أو الغاز، ويمكن أيضا إنتاج السوائل من البئر أثناء “عمليات التدفق الراجع” بعد أن يتم تكسير البئر هيدروليكيا.

التكسير الهيدروليكي هو وسيلة لتحفيز التكوين الجيولوجي وإنتاج النفط أو الغاز عن طريق حقن السوائل تحت الأرض لبدء الكسور في الصخور للمساعدة في إنتاج النفط أو الغاز من البئر.

يتم لاحقا استرداد جزء من السائل من البئر ويمكن إعادة حقنه لإجراء معالجات كسر هيدروليكي إضافية أو إدارته من خلال التخزين أو التخلص الدائم في بئر الحقن أو المعالجة للتخلص أو الاستخدام المفيد المماثل للسوائل المائية التي يتم إنتاجها عادة مباشرة من البئر.

إن حقن السوائل المتعلقة بالتكسير الهيدروليكي وحقن سوائل النفايات في باطن الأرض للتخلص منها بشكل دائم هما عمليتان مختلفتان.

غالبا ما يتضمن إنتاج (سحب) النفط والغاز إعادة حقن السوائل، قد يكون السائل المعاد حقنه عبارة عن غاز طبيعي، أو سوائل مائية، أو ثاني أكسيد الكربون (CO2) يستخدم للمساعدة في دفع المزيد من النفط والغاز من الصخور إلى السطح، وتسمى إعادة الحقن هذه بالاسترداد الثانوي.

يستخدم الاستخلاص المعزز للنفط (EOR) المعروف أيضا باسم الاستخلاص الثلاثي تقنيات تساعد أيضا في زيادة استخلاص الهيدروكربونات من المكمن عن طريق تغيير خصائص النفط (لخفض لزوجة النفط بحيث يتدفق بسهولة أكبر)، تتضمن تقنيات الاستخلاص المعزز للنفط الأكثر شيوعا حقن ثاني أكسيد الكربون أو الهيدروكربونات، أو التسخين من خلال حقن البخار أو الاحتراق.

إن حقن السوائل لتسهيل إنتاج النفط والغاز، على غرار حقن السوائل في أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية، لديه القدرة على توليد نشاط زلزالي مستحث.

حتى الآن لم يرتبط الاستخلاص المعزز للنفط بالزلازل المستحثة، على الرغم من توثيق الأحداث الزلزالية المحسوسة فيما يتعلق بالغمر بالمياه من أجل الاسترداد الثانوي، كما ارتبط سحب النفط والغاز بالنشاط الزلزالي المستحث.

احتجاز الكربون وتخزينه (CCS):

احتجاز الكربون وتخزينه الجيولوجي هو فصل واحتجاز ثاني أكسيد الكربون من انبعاثات العمليات الصناعية بما في ذلك إنتاج الطاقة ونقل ثاني أكسيد الكربون وتخزينه الدائم في التكوينات العميقة تحت الأرض.

ويجري حاليا دراسة خمسة أنواع مختلفة من التكوينات تحت الأرض لتخزين ثاني أكسيد الكربون بشكل دائم:

(1) خزانات النفط والغاز

(2) التكوينات المالحة

(3) طبقات الفحم غير القابلة للتعدين

(4) الصخر الزيتي الغني بالعضويات

(5) تكوينات بازلتية

تم حقن ثاني أكسيد الكربون في مكامن النفط والغاز لعدة عقود لتعزيز عملية استخلاص النفط، وتركز مشاريع احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه واسعة النطاق الحالية في الولايات المتحدة على حقن ثاني أكسيد الكربون في المياه المالحة في طبقات المياه الجوفية الإقليمية.

يجب أن يكون ثاني أكسيد الكربون في المرحلة فوق الحرجة (السائلة) لتقليل حجم التخزين المطلوب تحت الأرض وهذا يتطلب ضغط سائل أكبر من 6.9 ميجا باسكال ودرجة حرارة أكبر من 31.1 درجة مئوية، والتي يمكن تحقيقها على أعماق أكبر من حوالي 800 متر.

نظرا لعدم اكتمال مشاريع احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه واسعة النطاق في الولايات المتحدة، لا تتوفر بيانات أو تقارير عن النشاط الزلزالي المستحث.

الزلازل التاريخية المستحثة المتعلقة بأنشطة الطاقة:

في الولايات المتحدة تم توثيق الزلازل الناجمة عن أو من المحتمل أن تكون مرتبطة بأنشطة تطوير الطاقة التي تنطوي على حقن السوائل أو سحبها.

أدت التحقيقات في بعض هذه الحالات إلى فهم أفضل للآليات الفيزيائية المحتملة لإحداث الأحداث الزلزالية وسمحت بوضع بعض أهم المعايير التي قد تحفز حدثا زلزاليا محسوسا بما في ذلك حالة الضغط في القشرة الأرضية في محيط حقن السوائل أو سحبها ووجود واتجاه والخصائص الفيزيائية للفوالق القريبة وضغط السوائل المسامية (ضغط السوائل في مسام الصخور في العمق) وأحجام ومعدلات ودرجة حرارة السوائل التي يتم حقنها أو سحبها والضغط الذي يتم فيه حقن السائل وطول الفترة الزمنية التي يتم خلالها حقن السائل أو سحبه.

تم إجراء تجارب مضبوطة في كل من رانجيلي كولورادو، وفي ماتسوشيرو اليابان للتحكم المباشر في سلوك أعداد كبيرة من الأحداث الزلزالية الصغيرة عن طريق التلاعب بضغط حقن السوائل، كما لوحظ أن انسحاب السوائل يسبب أحداثا زلزالية. حدد ثلاثة زلازل في كاليفورنيا ناجمة عن أو من المحتمل أن تكون مرتبطة باستخراج النفط:

(1) كوالينجا، في مايو 1983 بقدر 6.5

(2) قبة كيتلمان الشمالية، في أغسطس 1985 بقدر 6.1

(3) ويتير ناروز، في أكتوبر 1987 بقدر 5.9

وقعت جميع الأحداث الثلاثة في الطبقة المحدبة القشرية بالقرب من حقول النفط النشطة وعلى أو بالقرب من الفوالق النشطة زلزاليا.

في منتصف السبعينيات والثمانينيات، تم تسجيل ثلاثة زلازل كبيرة بقدر بحدود 7 بالقرب من حقل غاز غازلي في أوزبكستان في منطقة كانت زلزالية إلى حد كبير، على الرغم من عدم إمكانية تحديد المواقع الدقيقة وقدر الزلازل فقد تم اقتراح علاقة محتملة باستخراج الغاز بناء على البيانات والنمذجة المتاحة.

قد تحدث بعض التأثيرات السطحية المرتبطة بتقنيات الطاقة والتي تنتج عن هبوط السطح أو “الزحف” بدلا من الانزلاق على طول الفالق وتشمل الأمثلة فشل سد بالدوين هيلز في كاليفورنيا.

أن النشاط البشري بما في ذلك حقن واستخراج السوائل من الأرض، يمكن أن يؤدي إلى حدوث زلزال.

في حين أن الغالبية العظمى من هذه الأحداث تكون شدتها أقل من تلك التي يمكن أن يشعر بها الأشخاص الذين يعيشون مباشرة في موقع حقن السوائل أو استخراجها إلا أن هناك إمكانية لإنتاج أحداث زلزالية كبيرة يمكن الشعور بها وتسبب أضرارا وقلقا عاما.

إن فحص الأمثلة المعروفة للزلازل المستحثة يمكن أن يساعد في تحديد المخاطر التي تواجه تكنولوجيات الطاقة، توفر هذه الأمثلة أيضا بيانات عن أنواع الأبحاث المطلوبة لتقييد مخاطر الزلازل المستحثة بشكل أفضل ولتطوير خيارات لأفضل الممارسات لتحديد وتخفيف المخاطر الناجمة عن الزلازل المستحثة المرتبطة بالطاقة.

أنواع وأسباب الزلازل المستحثة:

إن أنشطة تكنولوجيا الطاقة المعروفة بأنها أنتجت هزات أرضية مستحثة، سواء كانت كبيرة بما يكفي ليشعر بها البشر أو صغيرة جدا بحيث لا يمكن اكتشافها إلا باستخدام معدات المراقبة الحساسة، هي حقن السوائل وسحبها بالإضافة إلى التكسير الهيدروليكي للصخور. بالنسبة لكل من هذه الأنشطة، فإن المكونات الحاسمة المطلوبة لإنتاج الزلازل المستحثة هي وجود واتجاه الفوالق الموجودة، وحالة ضغط القشرة الأرضية، ومعدلات وأحجام حقن السوائل أو سحبها، والوقت.

إن فهم هذه المكونات يعطي بعض الثقة في القدرة على استخلاص استنتاجات حول ماهية الزلازل التي قد تحدث في المستقبل، وتحت أي ظروف. تتم مناقشة الآليات الفيزيائية المسؤولة عن إحداث الأحداث الزلزالية أدناه مع الإشارة إلى تقنيات الطاقة المحددة.

العوامل المؤثرة على بدء وحجم الحدث الزلزالي:

تنتج الزلازل الضحلة عن الانزلاق (الحركة) على طول الفالق الموجود مسبقا. سؤالان حاسمان يتعلقان بمثل هذه الزلازل هما:

(1) ما هي العوامل المسؤولة عن بدء الحدث الزلزالي

(2) ما هي العوامل التي تتحكم في حجم الحدث

بدء الحدث الزلزالي:

تتقاطع قشرة الأرض مع شبكة من الشقوق والفوالق الموجودة مسبقا ذات الأحجام المختلفة، يمكن من حيث المبدأ تنشيط أي من هذه الصدوع إذا تغلب إجهاد القص (τ) المؤثر على الفالق على مقاومته للانزلاق أو حركة الكتل الصخرية المجاورة (يسمى “مقاومة القص”).

في معظم الحالات، تكون مقاومة القص (أو قوة القص) بسبب الاحتكاك. بمعنى آخر، تتناسب قوة القص مع الفرق بين الضغط الطبيعي (σ) المؤثر على الصدع، والضغط (p) للمائع الذي يتخلل الصدع والصخور المحيطة به. ويظل الصدع ثابتا (لا ينزلق) طالما أن مقدار إجهاد القص (τ) أصغر من قوة الاحتكاك والتي يمكن تمثيلها بالتعبير التالي: μ(σ- p). المصطلح (σ- p) يسمى الإجهاد الفعال. الرمز μ يمثل معامل الاحتكاك، وهو معامل يتغير فقط في نطاق ضيق، يتراوح عادة بين 0.6 و0.8 بالنسبة لمعظم أنواع الصخور.

اترك تعليقاً إلغاء الرد