هل يتسبب البشر في الزلازل؟ الآليات الفيزيائية المعقدة التي يسببها الإنسان

من المعروف أن البشر لهم تأثير كبير على العالم وبيئتهم الطبيعية. ومع ذلك، ما قد يكون أقل شهرة هو أن البشر يمكنهم أيضًا إحداث الزلازل. يمكن للأنشطة الصناعية مثل إنتاج الطاقة الحرارية الأرضية، والتكسير الهيدروليكي للنفط والغاز الطبيعي، والتخلص من مياه الصرف الصحي أن تؤدي جميعها إلى زيادة النشاط الزلزالي الذي يأخذ عادة شكل الزلازل.

في الحالات القصوى، يمكن أن تؤدي هذه الزلازل إلى وقوع إصابات ويكون لها عواقب اجتماعية وبيئية واقتصادية سلبية كبيرة على المناطق المتضررة.

فريق بحث مكون من جيوفيزيائيين من جامعة برلين الحرة، مع زملاء من المعهد الفدرالي للتكنولوجيا في زيورخ (سويسرا)، وجامعة بيزا (إيطاليا)، وجامعة ستانفورد (الولايات المتحدة)، والجامعة الجنوبية للعلوم والتكنولوجيا (شنتشن، الصين)، لقد لخصوا الآليات الفيزيائية المعقدة التي تسبب الزلازل التي يسببها الإنسان.

نُشرت نتائج عملهم في مقالتين، واحدة في مجلة Nature Review Earth & Environment ، والأخرى في مجلة Nature Communications، يمكن أن تساعد هذه النتائج في تقليل الآثار الجانبية السلبية الناجمة عن الابتكارات في تقنيات مثل الطاقة الحرارية الأرضية أو ممارسات تخزين الكربون. وعلى وجه الخصوص، يمكن أن تكون المعلومات التي نشرها الفريق ذات صلة بعلماء الأرض، وممثلي الصناعة، والسلطات التنظيمية، وصناع القرار السياسي.

حقن السوائل تحت الأرض أو استخراجها  

بالتعاون مع زملائهم الدوليين، قام محمد معين، وكورنيليوس لانجينبروش، وسيرج شابيرو من جامعة برلين الحرة بالتحقيق في الزلازل المستحثة التي يمكن أن تحدث أثناء الأنشطة الصناعية مثل استخلاص الهيدروكربون التقليدي، وتكسير الموارد غير التقليدية، وتعزيز تطوير نظام الطاقة الحرارية الأرضية، وعمليات التعدين، والتخلص من مياه الصرف الصحي، عمليات تخزين الغاز تحت الأرض أو ثاني أكسيد الكربون وحجز الخزانات.

اكتشف الفريق أن الزلازل التي نتجت عن حقن السوائل تحت الأرض أو استخراجها حدثت في المقام الأول على طول الصدوع الموجودة مسبقًا.

يقول سيرج شابيرو: “تم تحديد انتشار الضغط المسامي والمرونة المسامية باعتبارهما الآليتين الرئيسيتين المحفزتين للزلازل الناجمة عن الحقن والاستخلاص”، إن حقن السوائل في أعماق الأرض يقلل من الضغط الطبيعي الذي يؤثر على الكسور ومستويات الصدع، والذي يمكن أن يزعزع استقرار الصدوع ويسبب الزلازل.

إحدى النتائج المهمة لدراسة الفريق، والتي نُشرت تحت عنوان “الآليات الفيزيائية للزلازل المستحثة”، في مجلة Nature Review Earth & Environment ، هي أن آليات تحفيز الزلازل التي يسببها الإنسان يمكن أن تختلف من موقع إلى آخر.

أحد الجوانب التي تلعب دورًا في ذلك هو التفاعل المعقد بين الأنشطة الصناعية المختلفة، خاصة في المناطق التي يتم فيها التكسير الهيدروليكي ويتم التخلص من كميات كبيرة من مياه الصرف الصحي الملوثة بالهيدروكربونات.

وتبين أيضًا أن عوامل أخرى، مثل المسافة بين آبار الحقن/الاستخراج، وحجم السائل أو الغاز المحقون، والنوافذ الزمنية التشغيلية، والخصائص الجيولوجية والهيدرولوجية الفريدة للمنطقة، ذات صلة من حيث الآليات الفيزيائية المعقدة التي يمكن أن يضع المزيد من الضغط على التكوينات الصخرية المحيطة.

إنشاء شبكة لرصد الزلازل الدقيقة

ويوصي فريق الباحثين الدوليين بإنشاء شبكة لرصد الزلازل الدقيقة في كل موقع من مواقع العمليات الصناعية من أجل توفير نظام إنذار مبكر للزلازل المستحثة، يمكن أن تكون تكنولوجيا الاستشعار الصوتي الموزعة أحد الأساليب التي يمكن من خلالها مراقبة الأحداث الزلزالية الدقيقة.

يعتمد فهمنا الحالي للزلازل التي يسببها الإنسان في المقام الأول على النتائج المستخلصة من التجارب الموقعية التي يؤدي فيها الوصول المحدود والتعرض للكتلة الصخرية المستهدفة على عمق كبير إلى إعاقة القياسات الدقيقة للتغيرات في الكتلة الصخرية. ونتيجة لذلك، يدعو الباحثون إلى أساليب جديدة يمكنها الاستفادة من الفوائد التي تقدمها النماذج القائمة على الفيزياء والتي تستخدم الذكاء الاصطناعي.

يقول عالم الجيوفيزياء كورنيليوس لانجينبروخ: “في الوقت الحالي، لا يمكن تقدير مخاطر الزلازل التي يسببها الإنسان إلا من الناحية الإحصائية. وتتكون نماذج التنبؤ عادة من مجرد عدد قليل من العوامل الفيزيائية”، لهذا السبب، تؤكد الدراسة على أهمية النماذج القائمة على الفيزياء والتي يمكنها التقاط العمليات الفيزيائية المتعددة المرتبطة بالزلزال المستحث، ويمكن أن تأخذ في الاعتبار أيضًا بدء وانتشار تمزق الصدع عبر مقاييس متعددة.

يقول محمد جواد أفشاري معين، عالم الجيوفيزياء في جامعة برلين الحرة والمؤلف الرئيسي للدراسة: “من خلال تطوير نماذج التنبؤ القائمة على الفيزياء وتقليل مخاطر الزلازل التي يسببها الإنسان، يمكننا زيادة القبول الاجتماعي لتقنيات الطاقة الحرارية الأرضية من الجيل التالي”.

الزلازل الناجمة عن إنتاج الغاز

شكلت نتائج الدراسة أيضًا الأساس لمقالة أخرى ، نشرها نيبوموك بويتز، وكورنيليوس لانجينبروش، وسيرج شابيرو – أعضاء قسم الجيوفيزياء في قسم علوم الأرض بجامعة فراي – في اتصالات الطبيعة . وفي هذه الدراسة، قام الباحثون الثلاثة بتطوير الأفكار التي تم استكشافها في الدراسة الأولى وطبقوها على حقل غاز جرونينجن في هولندا، وهو أكبر حقل للغاز الطبيعي في أوروبا الغربية .

تمكن الباحثون من إظهار أن الزلازل الناجمة عن إنتاج الغاز في حقل غاز جرونينجن كانت ناجمة عن تأثيرات مسامية وأن الظروف الفيزيائية الطبيعية التي تؤدي إلى حدوث زلازل تكتونية كبيرة غير موجودة على الأرجح. يقول الجيوفيزيائي نيبوموك بويتز: “هذا يقلل من احتمالية حدوث زلزال تكتوني بقوة أكبر في حقل غاز جرونينجن”.