كيف هو الإنسان الأنشطة التي تؤثر على الأرض كثافة

مقدمة: ما بعد البلاستيك التكتوني

إن الغالبية العظمى من الزلازل تنبع من العمليات التكتونية الطبيعية، والحركة البطيئة المذهلة للوحات الأرض، ومع ذلك، فإن مجموعة متزايدة من الأدلة تؤكد أن بعض الأنشطة البشرية يمكن أن تؤدي إلى أحداث سيزمية أو تضخها، وهذه الظاهرة، المعروفة باسم الزلازل المستحث، أصبحت مجالا حاسما للدراسة، حيث أن استخراج الطاقة، ومشاريع الهياكل الأساسية، وإدارة الموارد تتوسع على الصعيد العالمي، وفهم كيف تؤثر أعمالنا على تواتر الزلازل الأرض وكثتها في تقييم المخاطر.

والزلازل التي تُنتج عادة ما تكون أصغر من البكازات التكتونية الطبيعية، ولكنها لا تزال تتسبب في أضرار هيكلية، وتعطل المجتمعات المحلية، وتثير القلق العام، وقد بلغت في بعض الحالات الحجم ٥ أو أكثر، وبفحص الآليات الأولية في الضغط الحاد، وإعادة توزيع الإجهاد، والتحميل الجماعي، يمكننا تحديد الأنشطة التي تشكل أكبر مخاطر سيزمية وكيفية التخفيف منها.

ما هو الإغراء المسبب للنزعة السيزمية؟

إن الزلازل المسببة للزلازل التي تحفزها بشكل مباشر أو غير مباشر الأعمال البشرية والفرق الرئيسي من الزلازل الطبيعية هو السبب البادئ: تغيير محفز من البشر في حالة التوتر في قشرة الأرض، وتشمل أكثر المحركات الميكانيكية شيوعا ما يلي:

Increased pore liquid pressure:] Fluids injected into the subsurface reduce effective stress along fault planes, making slip more likely.
Mass loading:] The weight of large water reservoirs or extracted material alters spiritual and horizontal stresses.
Removal of material:] Mining, quarrying, or hydrocarbon extraction removes rock or liquid that formerly supported stress, potentially causing stress rebound or collapse.
Direct blasting or vibration:] Explosions and heavy machine can momentarily change stress conditions, though these effects are usually shallow and small.

ومن المفارقات أن الزلازل التي تسببها تحدث على طول الأخطاء التي كانت موجودة سابقاً - لا يؤدي النشاط البشري إلى وجود خطوط خطاء جديدة بل إلى إجهاد تكتوني مخزن، ويتوقف حجم الحدث على طول وتوجه الجزء المصاب بالخطأ الذي ينزلق.

الأنشطة البشرية الرئيسية التي تؤثر على الأرض

ويلي ذلك، نستكشف أكثر فئات السيزمية المستحثة توثيقا جيدا، ولكل منها آليات متميزة، وأنماط جغرافية، وملامح المخاطر.

1 - الكائنات الحية المولدة للمستودعات

ويمكن أن تؤدي المستودعات الكبيرة خلف السدود إلى حدوث زلازل نتيجة عمليتين رئيسيتين: الوزن المباشر للمياه (التحميل) ونشر المياه في الصخور الأساسية (الضغط على سطح الأرض) - وتزيد الكتلة المضافة من الضغط الرأسي، بينما تصب المياه في الكسور وتخفف من حدة الضغط الطبيعي الفعلي، وقد تبدأ الأحداث السيزمية بعد ملء المياه في البداية أو بعد سنوات، تبعاً للتغيرات في المستوى الجيولوجي.

Nottable examples:]

The Hoover Dam] (Nevada/Arizona) has been associated with hundreds of small ters, with the largest reaching magnitude 5.0 in 1939.
The Kariba Dam] (Zambia/Zimbabwe) experienced a magnitude 6.2زلزال in 1963, one of the largest reservoir-induced events recorded.
The Koyna Dam] (India) is considered a textbook case; a magnitude 6.3 disease in 1967 killed nearly 200 people and highlighted the need for seismic monitoring of large reservoirs.
The Zipingpu Dam (China) has been debated for its possible role in triggering the 2008 Wenchuan Earthquake (magnitude 7.9), though this remains controversial.

وقد أصبحت الآن سمية السايزمية التي يسببها الخزان مصممة في مناطق نشطة من الناحية السيزمية، وتساعد شبكات الرصد على اكتشاف علامات مبكرة على تفعيل الذنب، مما يتيح للمشغلين تعديل مستويات المياه تدريجيا بدلا من التبكير في ذلك.

2- التعدين والصيد العرضي

فالتعدين تحت سطح الأرض والسطحي يزيل كميات كبيرة من الصخور، ويغير حقل الإجهاد، ويمكن أن تؤدي مخلفات أعمدة الألغام أو التجويفات إلى حدوث أحداث سيزمية تتراوح بين الخنادق الصغيرة و 5 تمزقات، وفي المناجم العميقة، قد يؤدي إعادة توزيع الإجهاد إلى إحياء الأعطال التي كانت قائمة منذ فترة بعيدة عن الحفر.

[المحفزات الرئيسية: ]

Room-and-pillar mining: As pillars fail, overlying strata break, generating seismic waves.
Longwall mining:] The caving of roof rock behind the coal face produces continuous, low-level seismicity and occasional larger events.
Open-pit mining:] Blasting and rock removal can cause slope failures and stress release along nearby faults.

ومن أفضل المناطق التي يُنظر إليها في مجال التعدين، المناطق السيزمية التي هي من المناطق التي كانت مفتقرة إلى التعدين، منطقة الذهب في جنوب أفريقيا ، حيث ينتج التعدين العميق بانتظام أحداثا تصل إلى حجمها 5.5. وفي المملكة المتحدة، تسبب تعدين الفحم في الماضي في حدوث زلزال عديدة، بما في ذلك حدث ضخام قدره 4.6 في ستوك - أو - ترينت في عام 1976.

وتستخدم عمليات التعدين الحديثة الرصد السيزمي لرسم خرائط المناطق النشطة، وتعديل تسلسلات الاستخراج، وإصدار إنذارات مبكرة للعمال.

3 - التكتيك الهيدروليكي (التعقب)

فالكسور الهيدروليكي أو الكسر ينطوي على حقن الماء والرمل والمواد الكيميائية التي تتعرض لضغط شديد لكسر تشكيلات الصخور المنخفضة القدرة على التحمل (مثل الشلال) لإطلاق النفط أو الغاز، وتخلق العملية نفسها أحداثاً ميكروزية صغيرة جداً بحيث لا يمكن الشعور بها، ولكنها يمكن أن تؤدي أيضاً إلى حدوث زلقة أكبر على الأخطاء التي كانت قائمة قبل وقوعها إذا بلغتها ضغوط الحقن.

Key points:]

وعادة ما تكون الزلازل التي يتسبب فيها التعقب ضخامة 3 أو أصغر، ولكن سجلت أحداث تصل إلى حجمها 4.6 (مثل حدث عام 2019 في فورد شايل، تكساس).
ويزداد الخطر عندما يحدث الكسر على مقربة من مسافة قريبة (على مسافة 1 كيلومترا) إلى أخطاء شديدة التشديد.
وتستخدم عمليات التعقب حالياً بروتوكولات " الضوء الضيق " : إذا تجاوز الزلازل عتبة معينة )مثلاً الحجم ٢-٠(، فإن الحقن متوقف أو مخفض.

وبالمقارنة مع أنشطة الحقن الأخرى، فإن التكسير يمثل حصة أصغر من الزلازل المستحثة، ولكنه يحظى باهتمام عام غير متناسب بسبب ظهوره وخلافه.

4- حقن مياه الصرف الصحي (التخلص الشديد من النفايات)

وقد ربطت مياه الصرف الصحي - رشقات الحقن، أو المياه المنتجة، أو غيرها من السوائل في التكوينات الجيولوجية العميقة - بالزلازل التي تسبب فيها أكبرها وانتشارها، واكتسبت هذه الظاهرة اهتماما وطنيا في الولايات المتحدة خلال أواسط عام ٢٠٠٠، عندما ترتفع معدلات زلزال أوكلاهوما الوسطى.

Why wastewater injection is more risky than fracking:]

وتحقن كميات كبيرة من السوائل على مدى فترات أطول (أشهر إلى سنوات).
وكثيرا ما تستهدف الحقن طبقات المياه الجوفية العميقة المتاخمة مباشرة للأخطاء في القبو.
الضغط يمكن أن ينشر على مناطق واسعة، مما يؤدي إلى أخطاء بعيدة عن الحقن جيدا.

Nottable examples:]

Oklahoma, USA:] Prior to 2009, the state averaged about 2 magnitude 3+زلازل per year. By 2015, that number reached over 900. The largest event was a magnitude 5.8زل بالقرب من براغ، Oklahoma, in 2011. Subsequent regulatory cuts to injection volumes reduced seismic dramatically.
Colorado/Rocky Mountain Arsenal:] In the 1960s, the U.S. Army injected chemical waste into a deep well, triggering a magnitude 4.9زل, this is often cited as the first well-documented case of injection-induced seismicity.
Basel, Switzerland:] A geothermal project (enhanced geothermal system, EGS) injected water into hot polyryline rock in 2006, triggering a magnitude 3.4زل. The project was suspended, and the company eventually paid compensation for minor damage.
Pohang, South Korea:] An EGS project is believed to have triggered a magnitude 5.4زلزال in 2017, the second-largest induced event on record, causing extensive damage and legal battles.

وقد أثبت حقن مياه الصرف أن معدلات الحقن المتواضعة قد تزعج الإجهاد التكتوني إذا كان التكوين المتلقي له صلة هيدروليكية بالخطأ، وشملت الردود التنظيمية وقف التنفيذ، والحدود المفروضة على الحقن، وشبكات الرصد السيزمي الإلزامية.

5 - استخراج الطاقة الحرارية الأرضية

ويمكن أن تؤدي النظم الحرارية الأرضية المعززة، وبدرجة أقل، النباتات الحرارية الأرضية التقليدية إلى تحفيز الزلازل عن طريق حقن المياه الباردة في الصخور الساخنة، مما يتسبب في الانكماش الحراري وسقوط الكسور، وعن طريق زيادة الضغط على الشواطئ، وبينما يهدف النظام إلى إنشاء مبادلات حرارية تحت سطح الأرض، فإن الضغط السوائل نفسه يمكن أن ينشط الأخطاء.

Examples:]

Basel (Switzerland) EGS project:] Mentioned above, the magnitude 3.4 event ended the pilot.
Pohang (South Korea) EGS:] The magnitude 5.4 event halved the seismic safety factor globally for EGS.
The Geysers (California): ] A conventional steam field that has produced hundreds of smallزلs due to liquid withdrawal and injection - a process called “production-induced seismicity.”

وتقوم صناعة الطاقة الحرارية الأرضية بتطوير تقنيات " المحاكاة الهزيلة " )مثل انخفاض معدلات الحقن، والحقن الدورية( وتقييم المخاطر السيزمية في الوقت الحقيقي بغية تحقيق التوازن بين أهداف الطاقة المتجددة والسلامة العامة.

6 - كابينة الكربون وتخزينه

وينطوي عزل ثاني أكسيد الكربون في التكوينات الجيولوجية العميقة على حقن كميات كبيرة من السوائل الخارقة الأهمية، مما يزيد من الضغط على الأعماق بطرق مماثلة لحقن المياه المستعملة، ورغم أن مشاريع احتجاز ثاني أكسيد الكربون لا تزال قليلة، فإن خطر الزلزال المستحث يشكل عقبة رئيسية تسمح بذلك، فالمشاريع الرائدة في بحر الشمال وطبقات المياه الجوفية الساحلية ترصد بدقة النزعة الصغرية، مع الحد الأقصى المسموح به من الضخامات، تُصُصُبُبُصُبُبُصَبُبُبُ.

7 - استخراج المياه الجوفية ونفاذها/نضوبها

وفي حين أن الحقن يهيمن على العناوين الرئيسية، فإن السحب السوائل يمكن أن يسبب أيضاً زلازل، كما أن إزالة المياه الجوفية أو الهيدروكربونات تقلل من الضغط الذي يسبب الارتداد أو التخريب، ولكن في بعض الحالات، يمكن أن يُعزز أيضاً الانزلاق إذا كان التغيير في الضغط الفعال أمراً صالحاً.

California’s Central Valley:] Extensive groundwater pumping for agriculture has been provisionally linked to shallow seismic events along the San Andreas fault system (e.g., near Bakersfield).
The Groningen gas field in the Netherlands:] Decades of extraction from a large Sandstone reservoir caused compaction and slip on pre-existing faults. The largest inducedزلزال was magnitude 3.6 in 2012. The Dutch government later ordered a fundamental production cap to limit seismic damage.

8 - المتفجرات النووية

ويمكن أن تؤدي التجارب النووية تحت الأرض إلى حدوث زلازل بواسطة موجة الصدمة وإعادة توزيع الإجهاد، فعلى سبيل المثال، قد تكون تجربة الولايات المتحدة التي أجريت [(FLT:0]) في نيفادا، و1.7 كيلوتون ] Diana test (1962) قد أدت إلى حدوث حدث في مواقع التجارب النووية مقارنة بحجم 4.0.

الآليات في التفاصيل: كيف تسبب الأعمال البشرية شفاهة الفشل

ضغط الدم

ومعظم الزلازل المستحثة يُعزى إلى تغيرات الضغط الشائكة، وعندما يُحقن السوائل في صخرة مُخرفة، يمتد الضغط من فوق البئر، وإذا ما بلغت واجهة الضغط خطأً مُشدَّداً بشكل حاسم، فإن الضغط الطبيعي الفعلي على الخطأ يُخفَّض، ويُملي على حجم الزلزال منطقة الخطأ التي تصبح مُشدَّدة بشكل حاسم.

وحقن مياه الصرف الصحي في أوكلاهوما مثال كلاسيكي على انتشار الضغط المسبب للزلازل التي تشعل على طول منطقة ويلزيتا غير المستقرة وغيرها من الهياكل الموجودة سابقا، حيث يقع البعض على بعد 10 إلى 20 كيلومترا من آبار الحقن.

نقل الإجهاد الحاد (التحويل)

إضافة الوزن إلى سطح الأرض مثل خزان أو كومة من الإجهاد الرأسي لدواء نفايات الألغام، هذا يمكن أن يكون خطأً مائلاً (تثبيت استقرار) أو بسبب تأثير (بوسون) زيادة الضغوط الأفقية التي تنزلق، فالأثر الفعلي يعتمد على توجه الخطأ والجمود الأرضي، وغالباً ما تنطوي الظواهر السيزمية التي يسببها الخزان على تأثيرات في الحمل والضغط على الشعر معاً.

الضم والوئام

وعندما تزيل السوائل أو الصلبات (النفط، الماء، الفحم)، فإن الاتفاقات الصخرية المتبقية، ويمكن أن تؤدي التغييرات في الإجهاد إلى إعادة تنشيط الأخطاء، لا سيما في أحواض الرسوبيات ذات طبقات ضعيفة متعددة، وفي غرونين، أدى الانحدار بسبب استخراج الغاز إلى خلق حركة مختلفة بين الخزان والأعباء الزائدة، مما أدى إلى حدوث آلاف من الزلازل الصغيرة.

استراتيجيات التخفيف وأفضل الممارسات

ويمكن إدارة النزعة السيزمية المحفزة، وإن لم يتم القضاء عليها، والمفتاح هو فهم الحيز التكتوني المحلي وتجنب الحقن في تشكيلات ترتبط مباشرة بالأخطاء الكبيرة والمشددة بشكل حاسم، وتشمل نُهج التخفيف ما يلي:

Pre-operational seismic hazard assessment:] Characterize local faults, stress regime, and baseline seismicity before operations start.
]Traffic light systems:] Real-time monitoring with predefined magnitude thresholds. If events exceed the “red” level (e.g., magnitude 2.5-3.0), operations are paused or injection rates reduced.
Injection rate control:] Lower rates and cyclic injection reduce pore pressure buildup and give time for pressure to dissipate.
Well placement:] Avoid active faults and ensure that injected liquids cannot migrate upward through abandoned wellbores or fractures.
Public communication and transparency:] Share monitoring data, consult communities, and establish compensation frameworks for potential damage.

وتشترط الأطر التنظيمية في الولايات القضائية التي تنطوي على مخاطر سيزمية شديدة الحث (مثل أوكلاهوما وأوهايو والمملكة المتحدة وسويسرا وهولندا) على المشغلين تنفيذ هذه البروتوكولات كشروط تسمح بذلك.

الاستنتاج: مخطط النزعة السيزمية البشرية

وقد أصبحت الأنشطة البشرية قوة قابلة للقياس في إحداث الزلازل، لا سيما في المناطق التي تعاني منها أخطاء شديدة التشديد، وفي حين أن معظم الأحداث المستحثة صغيرة، فإن احتمال حدوث زلزال من الحجم ٥+ يمكن أن يلحقه الضرر بالهياكل وعرقلة الحياة - هو أمر واقعي، فقد تطور علم الزلازل المستحث بسرعة من خلال شبكات رصد كثيفة، وأصبح لدى المشغلين الآن أدوات للحد من المخاطر، ولكن الحقيقة الأساسية ما زالت:

ومع سعي المجتمع إلى تحقيق الطاقة والمياه والموارد المعدنية، يجب أن نقيم الفوائد على المخاطر السيزمية، جنبا إلى جنب مع التنظيم الدقيق والاتصال الشفاف، يمكننا أن نقلل إلى أدنى حد من التأثير البشري على تواتر الزلازل وكثافتها، وستسيطر قوات الأرض التكتونية دائما على الصورة الكبيرة، ولكننا علمنا أن حتى ضغوطنا الصغيرة يمكن أن تكون مهمة.