Manuel Sintubin – Lessen voor de XXIe eeuw – 15 februari 2016
1
Lessen voor XXIe eeuw
Leven met de dreiging van geïnduceerde aardbevingen
Manuel Sintubin
15 februari 2016
Reeds op het einde van de 19e eeuw maakte men zich zorgen over het feit dat grote stuwmeren aardbevingen zouden kunnen veroorzaken. In de vroege jaren 1920 legden geologen in Texas (VS) het verband tussen de oliewinning en de ongewone seismische activiteit rondom de olievelden. En tijdens de jaren 1960 werd ook duidelijk dat diepe injecties van afvalwater aardbevingen zouden kunnen opwekken. Sinds de jaren 1960 neemt het aantal geregistreerde geïnduceerde aardbevingen sterk toe, voor meer dan driekwart in de tektonisch ‘stabiele’ continentkernen. Dit heeft niet enkel te maken met steeds groeiende ondergrondse industriële activiteiten, maar ook met de extra maatschappelijke gevoeligheid voor de gevolgen van de geïnduceerde aardbevingen. Een
geïnduceerde aardbeving definiëren we als een aardbeving die geïnitieerd wordt door een
menselijke/industriële activiteit.
Om de problematiek van geïnduceerde aardbevingen ten volle te kunnen begrijpen, steunen we vooreerst op onze kennis over ‘natuurlijke’ aardbevingen. En vanuit de manier waarop we met ‘natuurlijke’ aardbevingen omgaan, trachten we ook iets te leren over hoe we met geïnduceerde aardbevingen moeten omgaan.
Aardbevingen en breukwerking
Een aardbeving definiëren we als trillingen die veroorzaakt worden door de elastische vervormingsenergie die vrijkomt wanneer gesteentemassa’s in de aardkorst breken of langsheen een breukvlak langs elkaar verschuiven. We spreken dan wel over aardbevingen, maar vanuit een geofysisch standpunt zijn aardbevingen eigenlijk slechts een secundair fenomeen. Waarover het echt gaat, is de brosse vervorming van de gesteentemassa’s in de diepe ondergrond.
Bij brosse vervorming onderscheiden we twee typen. Vooreerst kan je een ‘intacte’ gesteentemassa in de ondergrond breken. Dit gebeurt wanneer de sterkte van de gesteentemassa wordt overschreden. Het resultaat van dit breken – ook wel fracturatie genoemd – zijn spleten of breuken. Naast het breken van het gesteente, is er breukwerking, waarbij gesteentemassa’s in de ondergrond langsheen bestaande breuken verschuiven. Bepalend voor breukwerking is de wrijving op een breukvlak. Met de diepte in de aardkorst neemt de sterkte van het gesteente toe. Ook wordt het moeilijker om de breukweerstand op een breukvlak te overwinnen. Algemeen betekent dit dat de hoeveelheid elastische vervormingsenergie die het gesteente en de bestaande breuken kunnen opslaan, met de diepte toeneemt.
Maar met de diepte neemt ook de temperatuur toe in de aardkorst. Op een bepaalde diepte gaat het gesteente onder invloed van de toenemende temperatuur – en de nog steeds toenemende omgevingsdruk – zich dan ook meer en meer viskeus beginnen gedragen. Het gesteente breekt niet meer, maar ‘vloeit’. Ook breuken gaan niet meer plots doorschuiven; het zijn ‘kruipende’ schuifzones geworden. Er is dan ook een diffuse ondergrens aan de brosse bovenkorst, voornamelijk gekenmerkt door brosse breukwerking.
De interne druk in de poriën van gesteenten, veroorzaakt door een vloeistof of een gas, speelt ook een rol in de brosse vervorming. Bij toenemende vloeistofdruk neemt de effectieve sterkte van het gesteente af. Het gesteente kan dan ook breken onder invloed van een toenemende poriëndruk, een proces dat we kennen als hydraulische fracturatie. Vloeistoffen en/of gassen die infiltreren in een breuk, kunnen breuken ook sterk verzwakken. Op breuken onder hoge vloeistofdrukken kan er zich dan ook nauwelijks spanning opbouwen. Onderzoek naar de eigenschappen van de fossiele breuken in de ‘stabiele’ continentenkernen wijst nu uit dat deze breuken zeer doorlatend blijken te zijn, waardoor de vloeistofdruk nooit echt tot overdrukken kan oplopen. Deze doorlatende, fossiele breuken blijken dan ook kritisch gespannen te zijn. Zij hebben maar een klein extra ‘duwtje’ nodig hebben om door te bewegen, en dus een aardbeving te veroorzaken.
Manuel Sintubin – Lessen voor de XXIe eeuw – 15 februari 2016
2
Kan de mens aardbevingen induceren?
Als we vanuit deze theoretische achtergrond vertrekken, dan kunnen we concluderen dat alle menselijke/industriële activiteiten die aanleiding kunnen geven tot kleine spanningsverstoringen op kritisch gespannen breuken in de diepe ondergrond aardbevingen zouden kunnen induceren.
Een eerste groep van industriële activiteiten die dan ook mogelijk aardbevingen zou kunnen induceren, heeft betrekking tot de extractie en injectie van vloeistoffen en gassen. In deze groep vinden we enerzijds de winning van – al of niet conventioneel – aardolie en aardgas, maar ook van grondwater. Anderzijds behoort de injectie van afval- en productiewater tot deze groep. Ook het
‘hydraulisch stimuleren’ – beter gekend als fracking – van reservoirgesteenten – in kader van bv.
schaliegaswinning of geothermie – maakt gebruik van de injectie van vloeistoffen. En uiteindelijk de ondergrondse opslag van vloeistoffen en gassen, zoals aardgasopslag of de sekwestratie van koolzuurgas – in het kader van carbon capture and storage (CCS) – rekenen we tot deze groep. Deze industriële activiteiten in de ondergrond kunnen op tweeërlei manieren de spanningstoestand op een breuk verstoren. Ofwel door een directe connectiviteit tussen het reservoir en de breuk, waardoor de injectie van vloeistoffen of gassen een rechtstreekse effect heeft op de poriëndruk in de breuk. Ofwel eerder indirect door de statische ontlasting (bij extractie) of belasting (bij injectie) van dieper gelegen breuken. Hiervoor is geen hydraulische connectiviteit nodig. Een tweede groep van industriële activiteiten speelt ook op de ontlasting of belasting van dieper gelegen breuken zonder dat er enige hydraulische connectiviteit mee gemoeid is. Hieronder valt mijnbouw, zowel aan de oppervlakte als ondergronds. Daarnaast zorgen ook stuwmeren voor een extra belasting op de aardkorst.
Risicomanagement
Bij grootschalige industriële activiteiten in de ondergrond verdient de geïnduceerde seismiciteit alle aandacht. Aardbevingen, doorgaans niet voelbaar aan het aardoppervlak, zijn inherent aan bepaalde ondergrondse activiteiten. Maar geïnduceerde aardbevingen worden een maatschappelijke kwestie wanneer de industriële activiteiten in de ondergrond ook zwaardere aardbevingen veroorzaken, die niet alleen voelbaar zijn, maar ook schade veroorzaken en zelfs mogelijk levensbedreigend kunnen worden. Dit is zeker een kwestie omdat deze geïnduceerde seismiciteit gebieden treft waar natuurlijke aardbevingen uiterst zelden voorkomen. Vele van deze gebieden bevinden zich in de ‘stabiele’ continentkernen. Gebouwen zijn hier doorgaans niet voorzien op aardbevingen. Het is dan ook normaal dat de gemeenschappen, die de last dragen van de geïnduceerde aardbevingen, verwachten dat er alles wordt aan gedaan het aardbevingsrisico verbonden aan de industriële activiteit, zo klein mogelijk te houden. Kortom dat er geïnvesteerd wordt in een robuust risicomanagementsysteem.
Seismische monitoring staat centraal in elk risicomanagementsysteem. Maar in de continentkernen
zijn de bestaande seismische netwerken doorgaans te beperkt. Dit maakt dat we ook weinig informatie hebben over de natuurlijke achtergrondseismiciteit, toch belangrijk om het onderscheid te kunnen maken tussen natuurlijke en geïnduceerde aardbevingen. Er moet dan ook door de regulerende overheden geïnvesteerd worden in een fijnmazig netwerk van gevoelige seismometers in gebieden waar ondergronds industriële activiteiten gepland zijn. Deze seismische monitoring gaat nu via een
traffic light system (TLS) regelprotocol de industriële activiteit aansturen. Het TLS regelprotocol werkt
vooral bij injectiegerelateerde seismiciteit, minder bij productiegerelateerde seismiciteit.
Een wetenschappelijk onderbouwd risicomanagementsysteem, al of niet uitgewerkt in een TLS regelprotocol, vormt niet alleen de kern van een proactieve aanpak (proactionary principle), waarbij van bij de aanvang van de ondergrondse industriële activiteit rekening wordt gehouden met de mogelijke impact van geïnduceerde aardbevingen, maar maakt deze proactieve aanpak ook zichtbaar voor alle betrokken partijen, gaande van de operator, de regulator, de lokale overheden tot de burger. Een proactieve aanpak heeft immers niet alleen een wetenschappelijk-technische component. De publieke component is even belangrijk. Om een ondergronds industrieel project tot een goed einde te brengen, is het noodzakelijk dat een zo groot mogelijk maatschappelijk draagvlak wordt nagestreefd. Dit is enkel mogelijk door te investeren in een regelmatige, transparante en heldere communicatie met de lokale gemeenschappen. Samen met de burgers en lokale beleidsvoerders gaan de industriële operator en de regulator verder op zoek naar het aardbevingsrisico dat aanvaardbaar is voor de lokale gemeenschap. Maar ook de burger zelf moet in een proactieve aanpak zijn verantwoordelijkheid opnemen, vooral door actief mee te werken aan het verminderen van het aardbevingsrisico waaraan hijzelf en zijn directe omgeving is blootgesteld. Kortom, net als in ‘natuurlijke’ aardbevingsgebieden moet ook de inwoner van deze ‘nieuwe’ aardbevingsgebieden leren leven met de dreiging van geïnduceerde aardbevingen.
