Matematiske modeller gir bedre forståelse av menneskeskapte jordskjelv

I Oklahoma ble antall jordskjelv som er merkbare på overflaten nihundredoblet fra 2009 til 2015. Forskerne er samstemte om årsaken: Vann som pumpes ned i grunnen for å få ut mer olje eller gass.

I Nederland skaper gassutvinningen ved Groningen så mange jordskjelv at treskofolket vurderer å legge ned det enorme gassfeltet og satse på jordvarme – geotermisk energi – i stedet.

– Det er en god idé, for det betyr mer fornybar energi og mindre fossil energi. Men også utvinning av jordvarme kan utløse jordskjelv. Det er en risiko vi må forstå bedre og lære oss å håndtere, slik at vi kan utnytte mer av denne enorme energiressursen på en trygg måte, sier UiB-professor Inga Berre.

Utvider naturlige nettverk av sprekker

Geotermisk energi eller jordvarme er varme fra jordas indre som haiker til overflaten med vann eller vanndamp. Noen steder – som på Island – er denne energien lett tilgjengelig. Andre steder må vi hjelpe varmen opp i dagen ved å pumpe vann ned i grunnen.

– Det må vi gjøre på steder hvor det ikke er vann nok i grunnen og hvor de naturlige sprekkdannelsene i berget ikke gir god nok gjennomstrømming. Da kan vi pumpe ned vann under høyt trykk, slik at nettverket av sprekker utvider seg, forklarer Berre.

Deretter sirkuleres vannet. Det stiger til overflaten gjennom produksjonsbrønner, tappes for varme og pumpes ned igjen. Dette bidrar til å holde trykket oppe, slik at vi får en jevn strøm av vann og damp til overflaten.

– Temperaturen stiger jo lenger ned i jordskorpa vi kommer, og denne teknologien gjør det mulig å produsere kraft av varme fra flere kilometers dyp, sier Berre.

Kjedereaksjoner

Når vann pumpes ned i grunnen, trigges kompliserte prosesser som påvirker hverandre gjensidig.

Vannet gjør at sprekker i fjellet åpner seg og forskyver seg. Hvor mye de forskyver seg, avhenger blant annet av trykk, temperatur, bergart og friksjon – altså hvor glatt eller ru steinen er. Disse strukturendringene i berget virker i sin tur tilbake på hvordan vannet strømmer.

Forskere ved Universitetet i Bergen har utarbeidet matematiske modeller som gjør det mulig å forstå hvorfor innpumping av vann i underjordiske reservoarer kan forårsake menneskeskapte jordskjelv. Dette kan gi viktige bidrag til trygg utvinning av jordvarme.

– Av naturlige årsaker er det vanskelig å eksperimentere med slike gjensidig påvirkende mekanismer og prosesser flere tusen meter under bakken. Derfor bruker vi matematiske modeller for å forstå hva som skjer, forteller Berre.

Et av de viktigste funnene fra denne modelleringen, er at selv om du stopper injeksjonen av vann, kan sprekkene fortsette å forskyve seg. Prosessene som er satt i gang nede i dypet, lever til en viss grad sitt eget liv og lar seg ikke nødvendigvis stoppe bare fordi vi ber om det.

– Vi ser at sprekker som er åpnet av vanntrykket, faller litt sammen når man slutter å pumpe inn vann. Denne effekten kan presse vann videre utover i reservoaret, der nye sprekker forskyves. I praksis skaper dette rystelser – som regel veldig små – som under spesielle omstendigheter kan utløse større skjelv, sier Berre.

– Dette betyr at selv om vi følger med når vi pumper vann ned i reservoaret og stopper injeksjonen hvis den seismiske aktiviteten blir høy, har vi ingen garanti for at skjelv og rystelser vil stoppe umiddelbart. Dette er det viktig å ta høyde for når man planlegger å bruke vanninjeksjoner i geotermiske reservoar, fortsetter hun.

Storskjelv i Sør-Korea

Hvor lenge etter en injeksjon man kan snakke om menneskeskapt seismisk aktivitet, finnes det ingen fasit på.

– Det er selvsagt umulig å identifisere nøyaktig hva det var som tok oss over kanten og utløste et virkelig skjelv, sier Berre, som også forteller at det er veldig vanskelig å skille mellom ulike typer jordskjelv:

– Det kan være snakk om induserte hendelser; i dette tilfellet altså skjelv som er en direkte konsekvens av menneskelig aktivitet og ellers ikke ville forekommet. Det kan være triggede hendelser, som utløses som følge av vanninjeksjonen, men som uansett kunne kommet på grunn av spenninger i jordskorpa. Og det kan være naturlige hendelser; jordskjelv som ikke er påvirket av menneskelig aktivitet i det hele tatt.

I Sør-Korea knyttes det kraftigste jordskjelvet i landet i moderne tid, i november 2017, til injeksjoner ved det geotermiske anlegget i Pohang to måneder tidligere.

– Tilfellet i Sør-Korea viser at stimulering av reservoarer ikke er risikofritt uansett hvilken energi man utvinner. Men det er mulig å forstå risikoen bedre, og der har vi kommet et godt stykke på vei, sier professoren.

De matematiske modellene som brukes, er på ingen måte løsrevet fra virkeligheten.

– Vi har et fruktbart samarbeid med blant annet Norsar, Equinor, ÍSOR og islandske energiselskap. De forer oss med feltdata som bidrar til å gjøre modellene bedre, og så hjelper modellene dem til å forstå bedre hva som skjer på feltene og ikke minst hvorfor det skjer, forklarer Berre.

Åpen kildekode styrker forskningen

At gode reservoarmodeller krever mye arbeid, kan forsker Eirik Keilegavlen bekrefte. Han kobler sammen ligninger – ikke to eller fire eller åtte, men et enormt antall – slik at de i sum kan gjenskape prosessene i et reservoar på en pålitelig måte.

– Hvilke ligninger vi bruker, kommer helt an på hvilke spørsmål vi vil ha svar på, forklarer han:

– Er trykket stort nok til at brønnen vil være selvgående uten at vannet må pumpes opp? Hvor mye vann må injiseres for å få kraftig nok gjennomstrømning? Gitt ulike bergarter, hvor vil det oppstå sprekkdannelser? Kan de utløse skjelv? Og ikke minst: Indikerer modellen om en brønn vil være lønnsom eller ulønnsom?

Når modellene først er laget, er Keilegavlen opptatt av at de skal deles. Derfor programmerer han i åpen kildekode som legges ut på nettet.

– Akkurat nå jobber jeg med en konkret modell over et geotermisk felt i nærheten av Keflavik på Island. Stripper du denne modellen for seismiske data fra Island, er ligningene fortsatt relevante for felt i Italia eller andre steder der det kan utvinnes jordvarme.

– Ligningene beskriver prosesser som er styrt av naturlovene og har en generell gyldighet. Dermed kan modellen rett og slett betraktes som et laboratorium der du kan eksperimentere bare ved hjelp av en PC, sier han, og trekker frem at en åpen kildekode gjør det lettere å bygge videre på andre forskeres arbeid.