الزلزالية المحتثة Notes on Induced Seismicity (Arabic Text)

[salsinawi]

الزلزالية المحتثة Notes on Induced Seismicity

Professor Dr. Emad Salih Al Heety –University of Anbar -Iraq


كثر الحديث في الآونة الأخيرة عن الهزات التي ضربت وتضرب مدينتي الرفاعي في محافظة الناصرية وبدرة في محافظة واسط وربط هذه الهزات بإنتاج النفط. لتوضيح حقيقة ذلك سوف استعرض باختصار دون الدخول بالتفاصيل العلمية المعقدة نوع من الهزات تساهم الأنشطة البشرية في إطلاقها ويطلق عليها بالهزات المحتثة (Induced earthquakes). وفي هذا السياق لا بد من الاشارة الى أن أول من وضع حجر الاساس لدراسات الزلزالية المحتثة هو الأستاذ الدكتور سهل السنوي أطال الله عمره حيث قدم بحثا الى مؤتمر الجيوفيزياء في غرينوبل في فرنسا عام 1975 وتناول فيه الزلزالية المحتثة في كركوك نتيجة حقن أبار باي حسن بالماء. كما أنه أشرف على العديد من طلبة الدراسات العليا حيث تناولت رسائلهم الزلزالية المحتثة المرتبطة بالسدود مثل سد دوكان ودربندخان وحمرين وسد حديثة والموصل. وكانت رسالة السيد غسان العقابي حول الزلزالية المحتثة حول منجم كبريت المشراق، علما أن هذه الرسائل أنجزت في سبعينيات وبداية ثمانينبات القرن الماضي وهذا يدل على أن الباحثين العراقيون كانوا على دراية ومعرفة بهذا النوع من الهزات الأرضية منذ وقت طويل.
ما هي الزلزالية المحتثة؟
هي الهزات الأرضية الناجمة جزئيا أو كليا عن الأنشطة البشرية ( anthropogenic). ويميز بعض علماء الزلازل بين الهزات المحتثة والهزات المثارة (triggered) على أساس كل أو جزء من طاقة المرونة أو التشويه يتحرر حيث يطلق على الهزة مصطلح هزة محتثة إذا كان أغلب الطاقة المتحررة ناجمة عن مصدر بشري بينما يطلق مصطلح هزة مثارة عندما تكون أغلب الطاقة المتحررة ذات أصل طبيعي. بسبب صعوبة تصنيف الهزات الأرضية يستخدم مصطلح هزة محتثة على كلا الحالتين. وهنا لابد من الإشارة إلى أن التفريق بين الهزات الطبيعية والهزات المحتثة مهمة صعبة ولم يتم الاتفاق لحد الآن على وضع قواعد واضحة وطرق علمية مقبولة عموما.
ما هي أسباب الزلزالية المحتثة؟
توجد العديد من الأنشطة البشرية التي قد تكون سببا في حدوث الهزات المحتثة، ندرجها في أدناه ( الشكل 1):
1. السدود وحجز المياه السطحية
2. إنشاء المباني المرتفعة ( المتعددة الطوابق)
3. عمليات التعدين السطحية( المقالع)
4. استخراج الموارد ( المياه الجوفية، الفحم، النفط والغاز والسوائل الجيوحرارية)
5. حفر الأنفاق
6. أنشطة الحقن (injection) وتتضمن الآتي:
(أ‌) التخلص من النفايات السائلة
(ب‌) التجارب البحثية حول التكسر الهيدروليكي (hydro fracturing)
(ت‌) خزن الغاز
(ث‌) استخلاص النفط المعزز( استخلاص النفط الذي لا يمكن استخلاصه خلال فترة الاستخلاص المعينة)
(ج‌) حجز ثاني وأكسيد الكربون
(ح‌) التجارب النووية يمكن أن تحث هزات محلية

الشكل (1) أسباب حدوث الهزات المحتثة ونسب كل منها.

ما هي آليات حدوث الهزات المحتثة؟
تحدث الهزات الأرضية دائما عندما تعمل القوى على توليد حركات ( جهد القص- shear stress) على امتداد كسر سابق تتجاوز قوى الاحتكاك ( الجهد العادي-(normal stress التي تعمل على مقاومة الحركة. نلخص في أدناه آليات حدوث الهزات المحتثة:
1. زيادة ضغط السائل المسامي Pore pressure
تؤدي زيادة ضغط السائل المسامي إلى التقليل من الجهد المؤثر ( الضغط العادي مطروح منه ضغط السائل المسامي) وبالتالي يقل جهد القص المطلوب للحركة على امتداد الصدع. يمكن أن يزداد ضغط السائل المسامي بحقن السائل وضغط حجز المياه السطحية.
2. انخفاض الضغط العادي Normal stress
تؤدي عملية إزالة الكتلة العلوية إلى انخفاض الجهد العادي عبر الصدع والذي بدوره يقلل من جهد القص المطلوب للفشل (failure) أو الحركة. اقترحت هذه الآلية لتفسير سبب حدوث الهزات المحتثة الناجمة عن التعدين السطحي ( quarrying) والتعدين واستخراج السوائل.
3. زيادة جهد القص Shear stress
يمكن تؤدي زيادة الحمل العمودي الى زيادة جهد القص على مستوى الصدع. ربما تتجاوز الزيادة في جهد القص جهد القص الحرج المطلوب للفشل أو الحركة. اقترحت هذه الآلية لتفسير الهزات المحتثة الناجمة عن البنايات المتعددة الطوابق والخزانات وحجز المياه السطحية.
الهزات المحتثة المرتبطة باستخراج النفط والغاز
تقع نشاطات استخراج الهايدروكابونات في بعض الأوقات في مناطق نشطة زلزاليا نتيجة لعمليات تكتونية نجم عنها تشكيل تراكيب وظروف يمكن أن يتواجد فيها النفط والغاز. لم ينظر إلى نشاطات استخراج النفط والغاز والزلزالية على أنها مترابطة. ومع ذلك هناك عدد من التقارير الرسمية الموثقة التي تدرج عدد من الحالات التي عندها رافق استخراج النفط والغاز عدد من الهزات الكبيرة والمدمرة. التقرير الصادر عن منظمة الطاقة الدولية IEA عام 2013 كان أحد هذه المنشورات ويوضح الشكل(2) تلك المناطق التي وثقت فيها العلاقة بين استخراج النفط والغاز وحدوث الهزات الأرضية.

الشكل ( 2) المناطق التي وثقت فيها هزات محتثة مرتبطة بإنتاج النفط والغاز.
يوضح الشكل (3) أقصى مقدار زلزالي لكل نشاط من الأنشطة التي تؤدي الى حدوث الهزات المحتثة .

الشكل (3)
المصادر
-Wilson, M. P., Foulger, G. R., Gluyas, J. G., Davies, R. J., & Julian, B. R. (2017). The Human-Induced Earthquake Database (HiQuake). Department of Earth Sciences, Durham University, UK. Dataset. (www.inducedearthquakes.org).
- International Energy Agency IEA Report: Induced Seismicity and its implications for CO2 storage risk, Report 9/2013).


الهزات الارضية المحتثة
أطلعت على خلاصة دراسة حديثة بعنوان (Global review of human-induced earthquakes) وترجمتها ( مراجعة عالمية للهزات الأرضية المحتثة البشرية) والمنشورة في مجلة Earth-Science Reviews في نهاية شهر تموز 2017، ووجدت من المفيد اطلاع زملائي الباحثين والمهتمين بهذا الموضوع اضافة الى عامة الناس. أدرج في أدناه ماورد في الخلاصة :

1. هناك قاعدة بيانات للهزات المحتثة البشرية ورمزها (HiQuake) تتضمن سجلا شاملا للهزات التي يفترض أنها تحتث بالنشاط البشري.
2. تحتوي هذه القاعدة على 700 هزة تغطي الفترة الممتدة من 1868-2016.
3. بسبب أنه من غير الممكن حاليا أن نحدد بنسبة 100% أي من الهزات محتثة وأيها غير محتثة فان قاعد البيانات تتضمن جميع الهزات المقترحة لاسباب علمية كهزات محتثة بشرية بغض النظر عن مصداقية ذلك.
4. ليس بالضرورة أن تكون كمية الأجهاد (stress) المتحرر في هزة محتثة نفس كمية الاجهاد البشري المضاف وذلك لأن الجهد التكتوني السابق ربما يتحرر كذلك. وهكذا هزات كبيرة محتثة يمكن أن تتوافق مع النشاط الصناعي.
5. أن معرفة المقدار الزلزالي لأكبر هزة أرضية تحتث من قبل مشروع ما ( MMAX ) تكون مهمة في تقليل المخاطر.
6. أقصى مقدار زلزالي مسجل يرتبط ارتباطا ايجابيا مع مقياس المشاريع الصناعية المرافق ومع ضغط ومعدل حقن السائل وعائد التفجيرات النووية.
7. سجلت اكبر هزة أرضية محتثة بفعل حقن السائل في مدينة (Pawnee) في ولاية أوكلاهوما الأمريكية عام 2016 وكان مقدارها الزلزالي (M = 5. ، وأكبر هزة أرضية محتثة بفغل حجز مياه خزانات السدود سجلت في (Wenchuan) في الصين في عام 2008 وكان مقدارها الزلزالي (M~8)، ,و اكبر هزة محتثة نتيجة ازالة كتل من الصخور سجلت في مدينة (Gazli) في أزبكستان وذلك عام 1976 وكان مقدارها الزلزالي(M=7.3).
8. اقل كمية من الجهد البشري المطلوب لحث هزة أرضية هو مفهوم غير صحيح بسبب أن الهزات الأرضية تحدث في غياب النشاط الصناعي.
9. تكون الصدوع القريبة من الفشل او الحركة منتشرة في القشرة القارية والهزات المحتثة ربما بالضرورة تحدث في أي مكان.
10. في المناطق البعيدة عن حدود الصفائح التكتونية (Intraplate) لا البنى التحتية ولا السكان مستعدين لحدوث الهزات الأرضية.
11. تكون الهزات المحتثة البشرية التي تسبب ازعاج نادرة، لكن في بعض الحالات ربما تكون مشكلة مهمة، مثلا، في مناطق انتاج الهايدروكاربونات في أوكلاهوما.
12. مع زيادة حجم المشاريع الصناعية وكثافة السكان فان الازعاج المحتمل للهزات المحتثة يزداد كذلك وتكون ستراتيجيات ادارة فعالة مطلوبة.

المصدر
Foulger, G. R., Wilson, M., Gluyas, J., Julian, B. R., Davis, R. (2017) Global review of human-induced earthquakes. Doi: 10.1016/j..2017.07.008





*********************************************

أسئلة مع أجوبتها حول الهزات الأرضية تهم القارئ غير المختص وتهم الجمهور .
السؤال الأول
ما هي البؤرة السطحية للزلزال (epicenter)؟
الجواب: هي نقطة على سطح الأرض عمودية فوق بؤرة الزلزال (hypocenter). تحدد البؤرة الزلزالية السطحية بدائرة عرض وخط طول.
السؤال الثاني
ما هي بؤرة (hypocenter) الزلزال؟
الجواب: هي نقطة أو منطقة داخل الأرض تتحرر عندها طاقة المرونة المخزونة في الصخور وتتولد الموجات الزلزالية. وعمق البؤرة هو المسافة بين البؤرة السطحية (epicenter) وبؤرة الهزة (hypocenter).
السؤال الثالث:
ما هو المقدار الزلزالي ( magnitude)؟
الجواب: هو مقياس كمي للطاقة المتحررة عند حدوث الزلزال ويتم حساب المقدار الزلزالي باستخدام السجلات الزلزالية في محطات الرصد الزلزالي. ويعتبر العالم ريختر أول من حسب الطاقة المتحررة من الزلزال كميا. وتكريما له سمي مقياس المقدار الزالزلي بمقياس ريختر. وبعده قدمت عدة مقاييس للمقدار الزالزالي، وأكثرها شيوعا واستخداما الآن هو مقياس العزم أو ما يرمز له (Mw) وهو مقياس مفتوح وليس مغلقا كما هو الحال بمقياس ريختر.
السؤال الرابع:
ما هي شدة ( intensity) الزلزال؟
الجواب: هو مقياس وصفي يعتمد على وصف الأثار التي سببها الزلزال على الأنسان وممتلكاته وعلى بنية ومواد الأرض. تقل شدة الزلزال كلما أبتعدنا عن بؤرة الزلزال بينما يبقى المقدار الزلزالي نفسه بغض النظر عن المكان الذي تم قياسه فيه.
السؤال الخامس:
ما هي أصناف الزلازل؟
الجواب: هناك العديد من التصنيفات للزلازل :
1. تصنف الزلازل على أساس المقدار الزلزالي الى : خفيفة، متوسط، قوية، وقوية جدا.
2. تصنف على أساس عمق البؤرة الى : زلازل ضحلة و زلازل عميقة.
3. تصنف على أساس السبب الى: زلازل طبيعية وزلزل من صنع الأنسان.
4. تصنف الزلازل الى زلازل تقع عند حدود الصفائح التكتونية (interpolate)، وزلازل تقع داخل الصفائح (intraplate). وزلزال جنوب عامرية الفلوجة/ الأنبار الذي ضرب المنطقة أمس السبت الخامس عشر من شهر أيلول هو من نوع intraplate أو ما تسمى بالزلازل القارية.
5. تصنف الزلازل على أساس بعد الزلزال عن محطة الرصد الى: زلازل محلية، زلازل أقليمية وزلازل بعيدة.
السؤال السادس:
ما هي أنطقة توزيع الزلازل في العالم؟
الجواب: تتركز الزلازل في أنطقة معينة تتوافق مع حدود الصفائح التكتونية، وهذه الأنطقة هي:
1. نطاق المحيط الهادي
2. نطاق الألب- الهيمالايا
3. نطاق سلاسل وسط المحيط
السؤال السابع:
هل يمكن التنبؤ بالزلازل؟
الجواب: لا توجد طريقة علمية تمكننا من التنبؤ بحدوث الزلازل بدرجة معقولة من الدقة في مكان وزمان والمقدار الزلزالي .