Industriële activiteit

Monitoring, discriminatie en beheer van seismiciteit veroorzaakt door industriële activiteiten

Motivatie

In België zijn twee nieuwe diepe geothermische projecten aan de gang: één in Mol (Balmatt) en één in Bergen. Op beide locaties wordt diep geboord: 3800 m in Mol, 2500 m in Bergen. Beide sites zijn experimenteel en hebben als doel informatie te leveren voor geothermische exploitatie op grotere schaal in België. Bij diepe geothermie wordt warm water via productieboorgaten in het beoogde reservoir opgepompt, terwijl het afgekoeld water onder druk terug in een injectieput geïnjecteerd wordt. Productietests uitgevoerd door VITO in Balmatt veroorzaakten in september 2016 meer dan 600 kleine aardbevingen, waarvan de grootste een magnitude van 0,9 bereikte, drie weken na het stoppen van de testen1. Dit werd gevolgd door een magnitude 1,2 aardbeving op 18 december 2018 en een magnitude 1,5 op 18 januari 2019. Op zondag 23 juni 2019 werd na een nieuwe reeks tests te Balmatt een magnitude 2,1 aardbeving veroorzaakt die aan de oppervlakte gevoeld werd in de gemeenten Dessel, Mol en Retie, een aardbeving die optrad 2 dagen na het stoppen van de injectietests en het stilleggen van de centrale.

Deze aardbevingen roepen de vraag op hoe het seismisch gevaar en de risico’s verbonden aan deze activiteiten nabij stedelijke centra en in risicosectoren (zoals SEVESO of nucleair) moeten worden beheerd. Zeker als in de onmiddellijke nabijheid potentieel actieve breuken aanwezig kunnen zijn. In onderstaande tekst geven we toelichting over geïnduceerde aardbevingen en hun oorzaken, en bespreken we de risico’s die eraan verbonden zijn.

Geïnduceerde aardbevingen

Wereldwijd stijgt het aantal door de mens geïnduceerde aardbevingen. Deze kunnen worden veroorzaakt door o.a. mijnexplosies, bomexplosies, opslag en winning van koolwaterstofbronnen, exploitatie van schaliegas en aardolie, productie van geothermische energie, mijnbouwactiviteiten, CO2-opslag, beheer van watertanks, enz. (Figuur 1). Bij explosies worden aardbevingen veroorzaakt door de detonatie zelf. Dergelijke gebeurtenissen zijn voornamelijk te wijten aan ontploffingen in steengroeves of door afbraakwerken, de vernietiging van oude bommen uit WOI of WOII, kernproeven (bv. de kernproeven door Noord-Korea) en ongelukken zoals bv. gasexplosies. Er is geen reden om aan te nemen dat explosies tektonische aardbevingen kunnen veroorzaken.

Figuur 1. Belangrijkste industriële activiteiten die seismiciteit kunnen veroorzaken. Credit: Grigoli et al. 20092

In andere gevallen dan explosies worden aardbevingen veroorzaakt door de industriële activiteit zelf of door veranderingen die worden aangebracht in de aarde. Aardbevingen wereden geïnduceerd door massa toe te voegen (bv. aanleggen van een waterdam, zoals in India of China) of te verwijderen aan het aardoppervlak (bv. steenkoolmijnen), of door gassen en / of vloeistoffen op te pompen uit of te injecteren in de diepe ondergrond. Hieronder enkele voorbeelden van aardbevingen die door dergelijke menselijke activiteiten geïnduceerd werden:

  1. Denver, Colorado (VSA): in de jaren '60, waar afvalwaterinjectie 1584 aardbevingen veroorzaakte, waarvan 3 aardbevingen met magnitude van minstens 53;
  2. Basel (Zwitserland), 2006: waterinjectie voor geothermische doeleinden veroorzaakte een gevoelde magnitude 3,4 aardbeving, die gepaard ging met lichte schade. Deze aardbeving vond plaats vijf uur na het stoppen van de injectietests en zorgde ervoor dat het geothermisch project werd stilgelegd;
  3. Oklahoma (VSA), waar in 2016 de sterkste aardbeving (magnitude 5,8) ooit plaatsvond door vloeistofinjectie. Vandaag gebeuren er in Oklahoma vanwege de injecties4, 5 voorlopig meer aardbevingen van magnitude 3 of hoger dan in Californië, gekend om zijn tektonische aardbevingen.
  4. Groningen en Venlo, (Nederland): door aanhoudende geïnduceerde aardbevingen ten gevolge van gasextractie is ook het draagvlak voor geothermie verdwenen bij onze noorderburen te Groningen. In het project te Venlo liggen de geothermische activiteiten stil na een magnitude 1,8 aardbeving op 3 september 2018. Het Staatstoezicht op de Mijnen houdt als regulator onafhankelijk toezicht op elke industriële activiteit.

Toezicht op geïnduceerde seismiciteit

Tot nu toe heeft geen enkele aardbeving die werd geïnduceerd door vloeistofinjectie ernstige verwondingen of schade veroorzaakt. Er zijn zelfs veel locaties waar injectie geen significante seismische activiteit tot resultaat heeft5. Maar men moet wel voorzorgsmaatregelen treffen, de bevolking correct informeren en hen betrekken bij het project. In enkele gevallen hebben voldoende grote aardbevingen geleid tot juridische procedures, hebben ze industrieën gedwongen om hun activiteiten te stoppen of de productie sterk te verminderen. Dit is bv. het geval bij de gaswinning in Groningen, maar ondanks het terugschroeven van de gaswinning en het ermee gepaard gaande economisch verlies, komen er nog steeds aardbevingen voor die gevoeld worden door de bevolking (bv. magnitude 3,4 op 22 mei 2019).

De mogelijke seismische gevolgen van geothermische exploitatie mogen niet worden onderschat. Om de gevolgen in te perken zijn de volgende aandachtspunten en acties belangrijk:

  1. Installatie van een dicht seismisch meetnet aangepast aan de geometrie van het uitgebate reservoir; dit aspect is de verantwoordelijkheid van de beheerder, en dient te worden geïnstalleerd onder toezicht van de relevante autoriteiten. Het lokale seismische netwerk is essentieel om nauwkeurig de grootte en locatie van de aardbevingen te bepalen voor het toezicht op de seismische activiteit. De meetgegevens moeten toegankelijk zijn voor autoriteiten en wetenschappelijke onderzoekers.
  2. Een dergelijk netwerk zou operationeel moeten zijn vóór het opstarten van de industriële activiteit, om zo een ​​correct idee van de natuurlijke (micro)seismiciteit te verkrijgen;
  3. Ontwikkeling of gebruik van de nodige hulpmiddelen om seismische data in real-time te analyseren en correcte informatie te leveren. Analyses met behulp van complementaire geofysische methoden kunnen worden overwogen6;
  4. Studie van de seismische dreiging en de evolutie ervan doorheen de tijd (kans om een ​​bepaald niveau van grondbeweging tijdens een aardbeving te overschrijden), risico's (kans op schade, schatting van de veroorzaakte kosten) en identificatie van maatregelen die het risico kunnen verlagen7;
  5. Opstellen van een actieplan gekoppeld aan een "verkeerslichtsysteem" (Traffic Light System) met drempels waarboven de industriële activiteit moet worden verminderd of worden stopgezet. Dit systeem kan worden gebaseerd op de magnitude, de b-waarde (dit is een maat voor het aantal aardbevingen in functie van de magnitude), de grondbeweging (piekgrondsnelheid of -versnelling), de frequentie (aantal gebeurtenissen per uur) en de locatie van gebeurtenissen (om te controleren of er een interactie is met bestaande breukstructuren, die men met de nodige zorgvuldigheid in kaart heeft gebracht). Het actieplan dient natuurlijk ook een protocol te bevatten voor het wijzigen van de industriële processen of zelfs het beëindigen ervan, wanneer het verkeerslichtsysteem in actie treedt.
  6. Onderzoeken waarom het verkeerslichtsysteem in actie trad. Er zijn tal van redenen waarom aardbevingen voorkomen. Tot op heden worden de oorzaken van geïnduceerde aardbevingen niet goed begrepen. Tussentijds onderzoek is noodzakelijk om de eigen processen grondig te analyseren. Wrijving, temporele spanningsveranderingen, vloeistofdrukverandering, reservoirvolumeverandering, aanwezigheid van ongekende breuken, onregelmatigheden op het breukoppervlak, vorm en oriëntatie van het barstenpatroon, cementatie, hydrologie, kritische breuksterkte zijn maar enkele zaken waarvan hun verandering kan bijdragen tot het induceren van een aardbeving.
  7. Deze regelgeving zou best op Europees niveau worden vastgelegd2.

Een recent gepubliceerd artikel in Reviews of Geophysics2 vat de problemen samen die te maken hebben met het seismologisch toezicht op geïnduceerde seismiciteit: men dient zowel te discrimineren, d.w.z. de capaciteit opbouwen om natuurlijke en geïnduceerde seismiciteit te identificeren, als de geïnduceerde seismiciteit onder controle te houden. Het artikel belicht tal van wetenschappelijke en maatschappelijke uitdagingen die door geïnduceerde seismiciteit in Europa worden veroorzaakt. Betrokken actoren zoals de industriële sector en de overheid moeten kennis nemen van deze informatie. We bevelen ook de gids ““GoodPractice” Guide for Managing In-duced Seismicity in Deep Geothermal Energy Projects in Switzerland“ uitgegeven door de Zwitserse Seismologische Dienst bij ETH Zürich.

Conclusie

Elke industriële activiteit brengt risico's met zich mee7,8 : bv. dammen kunnen breken, windturbines veroorzaken ongewenste trillingen en slagschaduwen, CO2-emissies verstoren het klimaat, zonnepanelen vereisen moeilijk te extraheren grondstoffen, enz. Ook aan geothermische exploitatie zijn er risico’s verbonden aangezien ze aardbevingen kan veroorzaken.

Deze gevaren en risico’s kunnen door de bevolking worden aanvaard, op voorwaarde dat ze volledig in verband worden gebracht met het project en dat wordt aangetoond dat exploitanten en regelgevende instanties alle maatregelen nemen; dit is het concept van "geo-ethiek"9. Een geothermisch project mag niet alleen een commercieel project zijn. De wetenschappelijke, wettelijke en sociologische aspecten moeten erin worden opgenomen. Daarom moeten risico's op basis van wetenschappelijke kennis worden besproken met het publiek, verzekeraars, exploitanten en autoriteiten10, rekening houdend met het feit dat risico's niet alleen technologisch of commercieel zijn, maar ook verband houden met seismische gevaren.

Geïnduceerde seismiciteit is een interdisciplinair probleem, waarbij seismologische, geodetische, hydrogeologische en industriële gegevens worden gecombineerd met het modelleren van grondbeweging, spanningsverandering, ... Het verkrijgen van deze informatie in een discipline die nog in zijn kinderschoenen staat, is essentieel voor een beter begrip en dus voor het beheer van de exploitatie van geothermische energie.

Meer Lezen ?

Enkele inleidende artikelen over de problematiek en met veel referenties:

  1. Lecocq, T. & Camelbeeck, T. Induced Seismic Activity at the Balmatt-site. (Royal Observatory of Belgium, 2017).
  2. Grigoli, F. et al. Current challenges in monitoring, discrimination, and management of induced seismicity related to underground industrial activities: A European perspective. Rev. Geophys. (2017). doi:10.1002/2016RG000542
  3. Healy, J., Rubey, W., Griggs, D. & Raleigh, C. The Denver Earthquakes. Science 161, 1301–1310 (1968).
  4. Manga, M., Wang, C.-Y. & Shirzaei, M. Increased stream discharge after the 3 September 2016 M w 5.8 Pawnee, Oklahoma earthquake: Stream Response to an Induced Earthquake. Geophys. Res. Lett. 43, 11,588-11,594 (2016).
  5. Petersen, M. D. One-Year Seismic Hazard Forecast for the Central and Eastern United States from Induced and Natural Earthquakes. Seismological Research Letters (2018) 89 (3): 1049-1061.
  6. Abdelfettah, Y., Sailhac, P., Larnier, H., Matthey, P.-D. & Schill, E. Continuous and time-lapse magnetotelluric monitoring of low volume injection at Rittershoffen geothermal project, northern Alsace – France. Geothermics 71, 1–11 (2018).
  7. McGarr, A. et al. Coping with earthquakes induced by fluid injection. Science 347, 830–831 (2015).
  8. Giardini, D. Geothermal quake risks must be faced. Nature 462, 848–849 (2009).
  9. Meller, C. et al. Acceptability of geothermal installations: A geoethical concept for GeoLaB. Geothermics (2017). doi:10.1016/j.geothermics.2017.07.008
  10. Kraft, T. et al. Enhanced geothermal systems: Mitigating risk in urban areas. Eos 90, 273–274 (2009).

Heeft u een aardbeving gevoeld?

Enkele minuten zijn genoeg om de vragenlijst in te vullen