Trzęsienia ziemi pojawiają się tam, gdzie nie powinny. Co się dzieje?

16 sierpnia 2012 r. mieszkańców niewielkiej miejscowości Huizinge w północnej Holandii obudziło trzęsienie ziemi o magnitudzie 3,6. Jak na region uznawany za sejsmicznie stabilny był to wstrząs wyjątkowo silny. Szybko okazało się, że jego źródłem nie były naturalne ruchy płyt tektonicznych, lecz eksploatacja gazu w jednym z największych europejskich złóż w Groningen.

Podobne historie powtarzają się w innych częściach świata: w Oklahomie, na Wyżynie Dekan w Indiach czy w Korei Południowej. Łączy je jedno: to obszary śródpłytowe, oddalone od granic płyt tektonicznych, gdzie naturalne trzęsienia ziemi są rzadkie lub nie występują wcale. Tymczasem działalność człowieka potrafi uruchomić tam uskoki, które przez miliony lat pozostawały uśpione.

"Zgodnie z klasyczną fizyką trzęsień ziemi, jeśli uskok z czasem się wzmacnia, nie powinno dojść do wstrząsu" - mówi w rozmowie z Science News Ylona van Dinther, fizyczka trzęsień ziemi z Uniwersytetu w Utrechcie. "Ale w Groningen widzieliśmy trzęsienia raz po raz".

Nowe badanie zespołu van Dinther, opublikowane w czasopiśmie "Nature Communications", pokazuje, dlaczego takie zdarzenia są możliwe. Kluczowe jest zjawisko tzw. gojenia tarciowego. Płytkie uskoki w stabilnych regionach nie przesuwają się przez bardzo długi czas. W efekcie powierzchnie skał po obu stronach uskoku coraz lepiej do siebie przylegają, zwiększając tarcie i wytrzymałość struktury.

"W Holandii niektóre uskoki nie poruszały się od milionów lat" - tłumaczy van Dinther. "Im dłużej są 'sklejone', tym silniejsze się stają". Taka struktura działa jak napięta sprężyna: przez długi czas pozostaje stabilna, ale gdy zostanie zaburzona, uwalnia zgromadzoną energię jednorazowo.

Zespół badaczy wykorzystał zaawansowane symulacje komputerowe, aby sprawdzić, co dzieje się z takim "wyleczonym" uskokiem, gdy człowiek zaczyna ingerować w warunki panujące pod ziemią. Symulowano m.in. spadek ciśnienia związany z wydobyciem gazu.

Okazało się, że po kilkudziesięciu latach takiej działalności dodatkowa, nagromadzona przez miliony lat wytrzymałość uskoku zostaje gwałtownie przełamana, prowadząc do trzęsienia ziemi silniejszego, niż można by się spodziewać w tak płytkim środowisku.

Paradoksalnie to samo zjawisko sprawia, że ryzyko kolejnych wstrząsów na tym samym uskoku jest niewielkie. Po pierwszym trzęsieniu zgromadzona przez epoki "nadwyżka" wytrzymałości zostaje rozładowana, a ponowne jej odbudowanie zajęłoby miliony lat. Problem polega na tym, że takich uśpionych uskoków mogą być w regionie setki.

Dodatkowym czynnikiem ryzyka jest ich niewielka głębokość. Wstrząsy zachodzą blisko powierzchni, przez co odczuwalne są silniej niż głębokie trzęsienia tektoniczne. Infrastruktura w takich miejscach zwykle nie jest projektowana z myślą o sejsmicznych obciążeniach, co zwiększa skalę zniszczeń.

W praktyce oznacza to konieczność zmiany sposobu oceny ryzyka sejsmicznego. Dotychczasowe modele zagrożeń koncentrowały się głównie na obszarach aktywnych tektonicznie. Tymczasem w regionach śródpłytowych kluczowe znaczenie ma historia geologiczna uskoków: to, jak długo pozostawały nieaktywne i jak bardzo zdążyły się "wzmocnić". Bez uwzględnienia tych czynników prognozy ryzyka mogą być systematycznie zaniżone.

Problem nie dotyczy wyłącznie paliw kopalnych. Wiele projektów geotermalnych na świecie zostało wstrzymanych właśnie z powodu wywołanej przez nie sejsmiczności. W 2017 r. trzęsienie ziemi w Pohang w Korei Południowej, powiązane z instalacją geotermalną, doprowadziło do zamknięcia całego projektu.

Daniel Faulkner, geofizyk z Uniwersytetu w Liverpoolu podkreśla, że kluczowe jest dobre rozpoznanie lokalnych warunków. "Nawet jeśli odchodzimy od ropy i gazu, nadal będziemy wykorzystywać wnętrze Ziemi - choćby do geotermii" - zauważa. "A wiele takich projektów zatrzymano właśnie z powodu trzęsień ziemi".

Zdaniem van Dinther jednym z rozwiązań może być takie prowadzenie prac, aby powodować powolne, kontrolowane przesuwanie się uskoku zamiast gwałtownego uwolnienia energii. W praktyce oznacza to precyzyjne sterowanie tempem i objętością wtłaczanych płynów, tak aby naprężenia rozkładały się w czasie, a nie kumulowały do jednego, destrukcyjnego momentu.

Wnioski z Groningen mają znaczenie także dla państw, które dotąd nie kojarzyły się z ryzykiem sejsmicznym. W Europie Środkowej i Północnej wiele planowanych inwestycji geotermalnych oraz magazynów energii opiera się na założeniu stabilności podłoża. Badanie pokazuje jednak, że brak historycznych trzęsień ziemi nie musi oznaczać braku zagrożenia, jeśli w głębi skorupy znajdują się stare, długo nieaktywne uskoki.

To z kolei rodzi pytania o regulacje i nadzór. Autorzy pracy podkreślają, że ocena ryzyka sejsmicznego powinna być prowadzona nie tylko na etapie projektowania inwestycji, lecz także w trakcie jej eksploatacji, z możliwością szybkiego reagowania na pierwsze sygnały niepożądanych wstrząsów. Doświadczenia z Holandii pokazują, że opóźnione decyzje mogą prowadzić do długotrwałych sporów społecznych i wysokich kosztów odszkodowań.

Trzęsienia ziemi wywołane przez człowieka podważają zaufanie mieszkańców do instytucji publicznych i inwestorów, zwłaszcza gdy pojawiają się w miejscach uznawanych za bezpieczne. Mieszkańcy Groningen czy Pohang wielokrotnie podkreślali, że nie byli przygotowani ani informowani o takim zagrożeniu. Badacze zwracają uwagę, że rzetelna komunikacja ryzyka powinna stać się integralnym elementem planowania projektów podziemnych.

Wniosek jest prosty, choć niewygodny: nawet "spokojne" fragmenty skorupy ziemskiej mogą reagować gwałtownie, jeśli przez dziesięciolecia ingerujemy w ich równowagę. A to oznacza, że wraz z rozwojem energetyki i innych technologii wykorzystujących wnętrze Ziemi, trzęsienia ziemi wywołane przez człowieka mogą stać się coraz częstszym elementem współczesnego krajobrazu geologicznego.