Je leest:

Zijn ‘menselijke’ aardbevingen te managen?

Zijn 'menselijke' aardbevingen te managen?

Mensen die aardbevingen veroorzaken? Jazeker, en dit komt steeds meer voor op aarde. Ook indirect door de winning van schaliegas, want gebruikt, verontreinigd afvalwater wordt elders deels weer teruggepompt in de aarde. Soms met trillende gevolgen. Is er een oplossing voor dit opkomende probleem?

Alle aardbevingen hebben een natuurlijke oorzaak? Als je dat denkt, zit je er naast. Wij doen namelijk zelf mee aan het veroorzaken van aardbevingsschokken met alle gevolgen van dien. Soms vallen er zelfs veel doden zoals bijvoorbeeld in China in 2008. In Nederland hebben de meeste aardbevingen zelfs een menselijke oorzaak! Het veroorzaken van bevingen wereldwijd doen we op verschillende manieren.

Over één van deze manieren, het pompen van afvalwater in de ondergrond, zeggen wetenschappers dat we deze bevingen kunnen ‘managen’. Wat zijn al deze menselijke oorzaken? En hoe zit dat met het managen van bevingen?

Kaart aardbevingen in nl 1904 2004 knmi zie van eck 2006
Natuurlijke (tektonische) bevingen in het rood en in het geel door mensen veroorzaakte bevingen van 1904-2004. Let vooral op de provincie Groningen en de gele zwerm in Duitsland.
KNMI

‘Menselijke’ bevingen

De mens veroorzaakt op diverse manieren aardbevingen, vooral door de mijnbouw. Voorbeelden zijn dicht bij ons thuis te vinden in Duitsland ten oosten van Venlo waar steenkool op grote schaal gewonnen wordt. De druk op de ondergrond neemt af, de druk op de al onder spanning staande breuken in de aardkorst verandert, en aardbevingen van maximaal 3-4 op de momentmagnitudeschaal komen regelmatig voor.

Genoeg om je huis even van te laten trillen en lichte schade te veroorzaken. Grotere bevingen door mijnbouw zijn ook mogelijk: bevingen van 5,6 in Australië (1989) en wederom Duitsland (1989) zorgden voor veel meer opschudding. De Australische beving kostte aan 13 mensen het leven, terwijl de Duitse beving het stadje Völkerhausen in puin legde.

Bij Völkerhausen was echter nog iets aan de hand: er werd tevens zout water de grond in gepompt, ook één van de oorzaken voor ‘menselijke’ bevingen. Deze bevingen komen ook voor door de winning van geothermische energie. Koud water de grond in, warm water eruit via een buizenstelsel. Schone energie, maar wel soms met trillende gevolgen zoals bij Zwitserse Basel in 2006 (3,8). Bij de Californische Salton Sea, vlak bij één van de gevaarlijkste breuken ter wereld, de San Andreas breuk, wordt ook geothermische energie gewonnen. Voorlopig komen alleen kleine bevingen voor rondom de geothermische centrales…

Zipingpu dam north of dujiangyan author david small
De inmiddels beruchte Zipingpu dam in de Min rivier in China die de beving van 7,9 zou hebben veroorzaakt.
David

Met water kunnen we nog veel meer onbedoelde schade veroorzaken. Achter dammen hopen zich grote hoeveelheden water op waardoor de druk op de ondergrond toeneemt. Die druk is zeker op diepte bijzonder weinig, maar kan voldoende zijn om toch een beving te veroorzaken. Bekendste voorbeeld? De omstreden Chinese Wenchuan of Sichuan aardbeving van 12 mei 2008 met een zwaarte van 7,9, waardoor bijna 90.000 mensen stierven. Het reservoir lag vlak bij een breuk en was enkele jaren daarvoor in gebruik genomen. In India kwamen in 1993 10.000 mensen om door een beving van 6,1 vlak bij een dam. Ook geen toeval.

Dat is allemaal ver weg van ons bed zou je kunnen zeggen. De volgende aardbevingen zeker niet, want in noordoostelijk Nederland en bij Alkmaar komen zeer veel bevingen voor. Met een maximaal zwaarte van 3,5 kunnen ze lichte schade veroorzaken. Dit komt door de winning van aardgas in de ondergrond: massa wordt weggehaald, de bodem zakt een beetje in, en spanning die al opgebouwd was bij kleine breuken komt versneld vrij door de aardbeving. Het KNMI schat dat ze nog een stukje zwaarder kunnen worden met 3,9. De meeste bevingen van ons land komen schokkend genoeg door dit fenomeen.

Sichuan earthquake wenchuan miniwiki.org
Schade in 2008 in China door de Sichuan of Wenchuan beving.
Miniwiki.org

Door CO2 in de geleegde reservoirs van aardgas te pompen op diverse plaatsen ter wereld, neemt de druk in de ondergrond weer toe. En wat krijgen we dan? Juist, weer bevingen.

Voor bijna al deze bevingen geldt dat de bevingen sowieso zouden hebben plaatsgevonden. Door menselijk ingrijpen gaat het aardbevingsschot echter veel sneller af.

De mens veroorzaakt dus aardbevingen, veel aardbevingen. Het totale aantal is echter klein ten opzichte van de natuurlijke, tektonische aardbevingen, maar het aantal stijgt wel snel in de afgelopen decennia volgens Christian Klose (Columbia University, New York). Deze ‘menselijke’ bevingen komen vaak voor juist waar mensen wonen en niet zozeer langs voorspelbare plaatsen bij aardplaatgrenzen. De bevingen komen dan ook vaak onverwacht in bevolkte gebieden en kunnen daarom schade aanrichten zijn.

No eqs small
Het aantal bevestigde, door mensen veroorzaakte aardbevingen over de afgelopen 150 jaar met een zwaarte van meer dan 4,5.
Christian Klose

Een simpele oplossing zou zijn om de ondergrond met rust te laten. Dat is onrealistisch, en daarom bestuderen geologen de ondergrond steeds gedetailleerder. Hierin zitten namelijk de breuken die aardbevingen kunnen veroorzaken.

Vooral met betrekking tot het lozen van afvalwater komt het onderzoek flink op gang, met name in de V.S. Water wordt daar al op grote schaal gebruikt voor ‘fracking’, het breken van schaliegesteente op diepte door de hoge druk van het water. Hierdoor komt aardgas vrij uit deze schalie. Dit proces veroorzaakt geen bevingen die we voelen (de zwaarst bekende is 2,3 in Engeland in 2011), maar wel wat er daarna met het water gebeurt.

Afvoer afvalwater
Afvalwater van het fracken van de beroemde Marcellus Schalie wordt hier afgevoerd in de Amerikaanse staat Pennsylvania.
Michael Zoback / Earth

Het is echter niet alleen water wat gebruikt wordt, maar ook een klein beetje chemicaliën. Een deel – 25-50% – van het water komt weer omhoog, waar het opgevangen wordt. Dumpen is uiteraard geen optie. Het water wordt daarom vaak hergebruikt voor fracken; een ander gedeelte wordt elders diep in de bodem gepompt voor permanente opslag. Liefst op kilometers diepte in een poreus gesteente. In veel gevallen gebeurt er niets, want er zijn geen breuken in de ondergrond die onder spanning staan. In sommige gevallen gaat het echter mis.

De Arkansas bevingen

Een schokkend voorbeeld hiervan komt uit de Amerikaanse staat Arkansas. Dichtbij het plaatsje Greenbrier komen nauwelijks bevingen voor van nature afgezien van enkele zwermen in 1982 en in 2001 15 km ten zuidoosten van Greenbrier. In 2007 en 2008 waren er slechts één en twee bevingen van 2,5 of groter, respectievelijk. Dat veranderde in 2009 met tien van zulke bevingen en in 2010 vervijfvoudigde dit aantal tot 54. Eéntje was er 3,0, nog steeds geen grote beving, maar wel eentje die lichte schade kan aanrichten. Het is misschien geen verrassing, maar juist in april 2009 werd voor het eerst afvalwater van het fracken de diepte in gepompt in diverse putten.

Ondanks de waarschuwingen werden nog twee extra putten (1 en 5) gemaakt voor de afvoer van water in de diepe ondergrond. Die afvoer begon in juli en augustus 2010. Stephen Horton (Universiteit van Memphis, Tennessee) waarschuwde de olie- en gascommissie van Arkansas op 1 oktober dat de aardbevingen weer zouden kunnen voorkomen. Zijn suggestie kwam uit. En hoe!

Aardbevingen vs injectie
Boven het aantal aardbevingen van minimaal 2,0 per week van 26 februari 2010 tot eind juli 2011 in het studiegebied in Arkansas. Onder de hoeveelheid water gepompt in put 1 en 5 per week.
Horton (2012) Seismological Research Letters 83: 250-260

In de opvolgende maanden kwamen bevingen van 3,9, 4,0, 4,1 en 4,7 voor. In 2011 kwam het totaal uit op 157 bevingen met een zwaarte van minimaal 2,5. In de lente van vorig jaar hadden bijna 1000 aardbevingen de aarde nabij de putten laten trillen, de meeste echter niet tot nauwelijks voelbaar.

Je zal er maar dichtbij wonen: elke dag is er een redelijke kans dat de het aardoppervlak licht trilt. Op 4 maart besloot de olie- en gascommissie van Arkansas de pompen stop te zetten. Het aantal bevingen nam sterk af tot nagenoeg nul in de maanden daarna, het ultieme bewijs dat de bevingen inderdaad door menselijk ingrijpen komen.

Wat gebeurde er nu eind 2010 en begin 2011? Het water vond haar weg in het poreuze gesteente naar een nog onbekende breuk in de ondergrond. De druk van het water gaf de al onder druk staande breuk het extra zetje voor aardbevingen. De exacte locatie van alle bevingen geven precies de positie van de breuk in de ondergrond weer. Van bovenaf is het een rechte, 13 km lange lijn van Greenbrier naar het dorpje Guy. Zo wil je dus geen breuk ontdekken.

Fig3 horton
De breuk in de aarde waarlangs vele aardbevingen voorkwamen bij Greenbrier in Arkansas. In put 1 en 5 werd water gepompt dat langzaam wegzakte en uiteindelijk ook de breuk extra onder druk zette.
Horton (2012) Seismological Research Letters 83: 250-260

Opvallend genoeg was deze plaats bij Greenbrier juist gekozen omdat er breuken bekend waren uit de ondergrond. De meeste putten zijn hier geslagen bij breuken. Waarom? Omdat de porositeit hier het hoogst is, waardoor meer water opgeslagen kan worden. Een gevaarlijke keuze zo blijkt achteraf.

Niet uniek

Dit voorbeeld is geen uniek geval. In de jaren zestig en negentig kwam dit fenomeen ook al voor in Colorado toen de Amerikanen daar water op grote schaal de grond in pompten. De afgelopen jaren is het echter veel vaker raak: de staten Texas, Oklahoma, West Virginia en Ohio hadden aardschokken te verduren door het lozen van afvalwater van het ‘fracken’. In Texas ging het in 2008-2009 nota bene om bevingen tot 3,3 onder het Dallas/Forth Worth International Airport! Inmiddels is met pompen gestopt uiteraard.

Bevingen vs
Aardbevingen zwaarder dan 3,0 in de oostelijke V.S en zuidoostelijk Canada sinds 1960. De recente bevingen door het pompen van afvalwater in de ondergrond zijn aangegeven.
Michael Zoback / Earth

De genoemde voorbeelden betekenen niet dat het pompen van afvalwater in de grond per definitie aardbevingen oplevert. Sterker nog: de genoemde voorbeelden zijn uitzonderingen volgens Mark Zoback (Stanford University, Californië). Er zijn maar liefst 144.000 putten voor afvalwater in de V.S., maar slechts enkele geven problemen. “Geen aardbeving veroorzaakt door de injectie van vloeistof heeft ooit serieuze verwondingen of grote schade veroorzaakt,” vertelt hij in het aprilnummer van Earth.

Veel van deze putten zijn echter geslagen in ideale gesteenten waar veel water in opgeslagen kan worden van nature. Het tegenovergestelde dus van de situatie bij Greenbrier waar de porositeit komt door de breuken die zich later vormden.

Youngstown
Ook in Youngstown (Ohio) kwamen bevingen voor door het pompen van afvalwater in de ondergrond.
Michael Zoback / Earth

Oplossingen

Zoback stelt dat als er al bevingen voorkomen, ze dan wel te ‘managen’ zijn of zelfs te voorkomen. Hiervoor zette hij een aantal maatregelen uiteen. Eén van die maatregelen is om de ondergrond tot in detail in kaart te brengen met 3-D technieken. Zo kunnen breuken die bevingen van ~6,0 of zwaarder kunnen veroorzaken opgespoord worden. Breuken onder bepaalde hoeken kunnen geactiveerd worden door afvalwater. Geen putten daar maken dus.

Ook het selecteren van matig gecementeerd gesteente met een hoge porositeit is van belang, bijvoorbeeld een zandsteen. Omdat dit gesteente onder die omstandigheden plastisch reageert en daarom geen spanning opbouwt, komen hier dus geen bevingen voor. Zo wordt bijvoorbeeld al 15 jaar CO2 in de bodem van de Noordzee in het ‘Utsira zand’ gepompt, zonder enige problemen.

Bij goed gecementeerde gesteenten met een lage porositeit is het een ander verhaal. Als het nodig is, kan hier water gecontroleerd in gepompt worden. Uiteraard is het installeren van seismische stations een optie, zeker daar waar breuken voorkomen.

Afvalwater in basin
Tijdelijke opslag van afvalwater voor hergebruik voor het ‘fracken’ van schaliegas.
Michael Zoback / Earth

Als er dan toch bevingen voorkomen, is het handig een protocol te hebben. Aardbevingen? Dan pompsnelheden verminderen of het pompen zelfs helemaal stopzetten. Zijn dit soort ‘menselijke’ aardbevingen dus te managen? Het lijkt erop van wel, ook gezien het voorbeeld uit Greenbrier waar de bevingen ophielden na verloop van tijd.

Nederland

Met het ‘fracken’ in Nederland hebben we nog niet te maken. Er zijn slechts aanvragen voor proefboringen. In de gemeente Boxtel gaat het boren naar schaliegas inmiddels helemaal niet meer door: een ‘schaliegasvrije gemeente’. En dus zijn er ook geen enorme hoeveelheden afvalwater die ergens naar toe moeten. Nederland trilt daarom niet vanwege deze oorzaak. Nog niet.

Bronnen:

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 05 april 2012

Discussieer mee

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE