과학저널 Geology를 통해 발표된 새로운 연구는 미 오클라호마 중부 지역에서 2011년 11월에 발발한 진도 5.7의 지진은 폐수의 유입과도 크게 연관되어 있다고 주장하였다.

진원지에서 800마일 이상 떨어진 밀워키 지역에서도 느껴질 만큼 강력했던 이 지진은 오클라호마에서 관측된 지진 중 가장 강력한 것이었으며 14채의 집과 연방고속도로가 손실되었고 2명의 부상자를 낸 재해였다.

최근 미국 내 에너지 생산 붐은 엄청난 양의 폐수를 배출하는 원인이 되었다. 물은 천연가스를 얻기 위해 암석을 파쇄하는 수압파쇄(hydrofracking)와 유정에서 휘발유를 얻는 데에 사용된다.

두 경우 모두에서 배출되는 염분과 화학물질이 함유된 물이 잠재적으로 지진을 촉발시킬 가능성이 있는 다른 지역의 지하부에 유입되어 처리된다. 오클라호마 지역의 지진과 연관된 물은 어느 유정에서 석유를 추출할 때 발생한 부산물이었으며 이미 고갈된 유정들에 유입되어 처리되었다.

 

과학자들은 아칸소, 텍사스, 오하이오 주에서 일반적으로 지진이 잘 발발하지 않았던 지역에서의 지진 발생 빈도 증가와 이러한 지하로의 폐수 유입을 연관지어왔다. 연구진은 최근 4년 동안 미 중부지역의 지진 발생 건수가 30년 전에 비해서 11배 증가하였다고 추산하였다.

 작년에 미 지질조사국의 연구팀 또한 지진이 작은 규모로부터 중간 이상급으로 눈에 띄게 커진 것은 인간 활동에 원인이 있다고 주장하였다. 그로 인한 위험은 미 국립과학원이 작년에 발표한 보고서에서 이러한 지진을 이해하고 대응하기 위한 추가적인 연구가 필요하다고 역설할 만큼 충분히 심각한 수준이다. 그러나 이러한 연구들에도 불구하고 폐수의 지하 유입은 오클라호마 지진발생지 인근에서 계속적으로 진행되고 있다.

오클라호마 Prague 지역 인근에서 발생한 진도 5.7의 지진 발생 이후에 진도 5.0의 추가 지진이 발생하였으며 이후에도 수천 번의 여진이 발생하였다. 이러한 현상이 특별한 이유는 폐수가 버려진 유정에 거의 17년 동안 유입되었음에도 불구하고 그 동안에는 이러한 현상이 일어나지 않았기 때문이다.

본 연구에서, 연구진은 한때 석유로 채워져 있던 부분이 폐수로 보충되면서, 폐수가 유입되도록 압력이 단계적으로 상승되어야 한다는 가정을 세웠다. 압력이 증가하면 지질학자들이 Wilzetta 단층으로 부르는 단층이 발생한다. 본 연구의 공저자인 Columbia University 소재 Lamont-Doherty Earth Observatory의 Heather Savage는 이 단층에 압력이 과부하되면, 단층을 제자리에 고정시키도록 하는 스트레스가 감소되어 지진이 발생하게 된다고 설명하였다.

본 연구의 또 다른 공저자인 Geofferey Abers는 빈 유정으로 유입되는 폐수의 양은 상대적으로 작지만 주진(main shock)을 일으킬 수 있는 일련의 진동을 유발한다고 설명하였다. 그는 본 연구에서 밝힌 바와 같이 작은 시스템에서 예상치 못한 엄청난 지진이 일어나는 데에는 뭔가 중요한 것이 존재한다고 설명하였다. 그는 심지어 규모가 작은 폐수 유입과 같은 작은 인간 활동으로 인해서도 유발될 수 있는 대규모의 지진의 위험성은 아마도 기존의 예상보다 높을 것이라고 덧붙였다.

2011년 11월에 진도 5.0 지진이 발생한 몇 시간 뒤에 오클라호마 대학의 Katie Keranen은 여진을 측정하기 위하여 지진계를 설치하였다. 11월 6일 새벽에 진도 5.7의 주진이 발생하였으며 Keranen은 집이 20초 정도 흔들리는 것을 경험하였다. Keranen은 그 다음날 보다 많은 장비들과 인력을 모아 더 많은 측정소를 설치하기 위해 지진이 발생한 곳으로 향했다.

진도 5.7 지진과 여진에 대한 Keranen의 측정 결과는 첫 번째 Wilzetta 단층의 파열이 폐수 주입 유정에서 650피트 이내의 동일한 퇴적암대에서 발생하였음을 보였다. 또한 유정 입구의 데이터는 폐수가 주입되고 나서 13년 후에 유입 압력이 10배 이상 증가하였음을 보였다.

오클라호마 지질조사국은 이 연속적인 사건에 대한 공식 입장을 아직 발표하지 않았으며 해당 지역에서의 폐수 유입은 계속되고 있다. 본 연구 결과에 대한 성명에서 지질조사국의 지진학자인 Austin Holland는 본 연구가 일련의 지진들이 폐수 유입에 의해 촉발되었을 수도 있음을 보였지만 오클라호마 지질조사국은 여전히 이 지진들이 자연적으로 일어났다고 생각한다고 밝혔으며, 이 현상에 대해서는 아직 많은 의문들이 존재하고 과학적인 연구들이 진행되고 있다고 덧붙였다.

지하로의 유체 유입으로 인한 지진 유발의 위험성은 적어도 덴버 인근 Rocky Mountain Arsenal에서의 유체 유입이 진도 4.8 이상의 지진이 발생한 후에 보류된 1960년대 이후로 알려져 있다. 최근 이와 유사한 일련의 사건들이 발생하였다.

 

Memphis 대학의 지진학자인 Stephen Horton은 작년에 발표한 연구 결과에서 아칸소주 중북부 지역에서 발발한 지진과 인근의 유체가 유입되는 유정을 연관지었다. University of Texas, Austin의 지진학자인 Cliff Frohlich는 2011년의 연구에서 Dallas-Fort Worth 공항 지역에서 발생한 지진군들을 1/3마일 떨어져 있는 염수 처리용 유정과 연관지었다.

오하이오에서는 Lamont-Doherty의 지진학자인 Won-Young Kim과 John Armbruster가 Youngstown 지역 인근에서 2011년에 발생한 일련의 지진들이 인근의 유정과 관련되어 있음을 보고하였다. 이 유정은 이후로 사용 중단된 상태이며 오하이오주는 폐기물 유입 규정을 더 강화하였다.

 

폐수의 유입만이 인간이 지진에 영향을 미치는 유일한 방법은 아니다. 지열정 굴착(Geothermal drilling)이나 댐 뒤에 물을 가두어 놓는 것, 석유회수증진법(Enhanced oil recovery), 용해채광법(Solution mining) 및 채석(Rock quarrying) 또한 지진을 유발할 수 있다. (수압파쇄는 그 자체로는 지진과 연관되지는 않는다.

수압파쇄에 사용되는 물의 양은 상당한 정도의 진동을 만들어내기에는 충분하지 않다.) 인간에 의해 일어난 지진 중 가장 규모가 컸던 것은 1976년 소련 연방 우즈베키스탄의 Gazli 가스전에서 발생한 두 번의 진도 7.0 지진과 8년 후에 발생한 진도 7.0의 지진이다. 1985년에 Lamont-Doherty의 David Simpson과 William Leith는 이 지진들이 인간에 의해 유발된 것이라는 가설을 세웠지만 정보의 부족으로 인해 이러한 현상들과 천연가스 생산 및 다른 원인들을 연관짓지 못하였다.

2009년 스위스 Basel의 지열 에너지 프로젝트는 그 개발 활동이 진도 3.4 이상의 지진들을 유발하여 인근에 800만 달러 이상의 손해를 미침에 따라 취소되었다.

현재까지 보고된 폐수 유입 중 많은 경우 유체가 유입되기 시작한 수일 또는 수 달 내에 지진이 발생하였다. 이와는 다르게 오클라호마 주의 지진군들은 유체가 유입되기 시작한지 수 년 후에 발생하였으며 이는 텍사스 서부 Cogdell 유전 및 캐나다 브리티시컬럼비아의 Fort St. John 지역에서 발생한 지진군과 유사한 양상을 보였다.

본 연구팀은 Wilzetta 단층 체계가 여전히 압력을 받고 있으나 단속 기관은 계속해서 인근 유정들로의 폐수 유입을 허가하고 있다고 보고하였다. 이상적으로는 유체의 유입은 알려져 있는 단층에서 멀리 떨어진 곳에서 진행되어야 하며, 관련 업체는 얼마나 많은 유체가 지하로 들어갔는지와 그 압력에 대한 자세한 기록을 제공할 필요가 있다.

본 연구팀은 또한 지진 경고 신호를 위하여 지하의 유체 압력을 모니터링해야 함을 주장하였다. Abers는 추가적인 연구가 필요하지만, 최소한 작은 지진이라도 발견되었을 때는 유체의 유입을 중지시킬 수 있는 프로토콜과 유정이 있는 지역에 대한 주의 깊은 모니터링 시스템이 필요하다고 말하였다.

Abers는 뉴욕주 또한 뉴욕주에 저장되어 있는 천연가스의 추출을 위해 수압파쇄를 허가할 것인지를 결정할 때에 유체 유입으로 인한 지진 발생의 위험을 고려해야 할 것이라고 주장하였다.

 

 

 

 

 

Mar. 26, 2013 - A new study in the journal Geology is the latest to tie a string of unusual earthquakes, in this case, in central Oklahoma, to the injection of wastewater deep underground. Researchers now say that the magnitude 5.7 earthquake near Prague, Okla., on Nov. 6, 2011, may also be the largest ever linked to wastewater injection.

 

                   A 2011 magnitude 5.7 quake near Prague, Okla., apparently triggered by wastewater

Felt as far away as Milwaukee, more than 800 miles away, the quake -- the biggest ever recorded in Oklahoma--destroyed 14 homes, buckled a federal highway and left two people injured. Small earthquakes continue to be recorded in the area.

The recent boom in U.S. energy production has produced massive amounts of wastewater. The water is used both in hydrofracking, which cracks open rocks to release natural gas, and in coaxing petroleum out of conventional oil wells.

In both cases, the brine and chemical-laced water has to be disposed of, often by injecting it back underground elsewhere, where it has the potential to trigger earthquakes. The water linked to the Prague quakes was a byproduct of oil extraction at one set of oil wells, and was pumped into another set of depleted oil wells targeted for waste storage.

 

Scientists have linked a rising number of quakes in normally calm parts of Arkansas, Texas, Ohio and Colorado to below-ground injection. In the last four years, the number of quakes in the middle of the United States jumped 11-fold from the three decades prior, the authors of the Geology study estimate.

Last year, a group at the U.S. Geological Survey also attributed a remarkable rise in small- to mid-size quakes in the region to humans. The risk is serious enough that the National Academy of Sciences, in a report last year called for further research to "understand, limit and respond" to induced seismic events. Despite these studies, wastewater injection continues near the Oklahoma earthquakes.

The magnitude 5.7 quake near Prague was preceded by a 5.0 shock and followed by thousands of aftershocks. What made the swarm unusual is that wastewater had been pumped into abandoned oil wells nearby for 17 years without incident. In the study, researchers hypothesize that as wastewater replenished compartments once filled with oil, the pressure to keep the fluid going down had to be ratcheted up.

As pressure built up, a known fault -- known to geologists as the Wilzetta fault--jumped. "When you overpressure the fault, you reduce the stress that's pinning the fault into place and that's when earthquakes happen," said study coauthor Heather Savage, a geophysicist at Columbia University's Lamont-Doherty Earth Observatory.

The amount of wastewater injected into the well was relatively small, yet it triggered a cascading series of tremors that led to the main shock, said study co-author Geoffrey Abers, also a seismologist at Lamont-Doherty.

 "There's something important about getting unexpectedly large earthquakes out of small systems that we have discovered here," he said. The observations mean that "the risk of humans inducing large earthquakes from even small injection activities is probably higher" than previously thought, he said.

 

Hours after the first magnitude 5.0 quake on Nov. 5, 2011, University of Oklahoma seismologist Katie Keranen rushed to install the first three of several dozen seismographs to record aftershocks.

That night, on Nov. 6, the magnitude 5.7 main shock hit and Keranen watched as her house began to shake for what she said felt like 20 seconds. "It was clearly a significant event," said Keranen, the Geology study's lead author. "I gathered more equipment, more students, and headed to the field the next morning to deploy more stations."

Keranen's recordings of the magnitude 5.7 quake, and the aftershocks that followed, showed that the first Wilzetta fault rupture was no more than 650 feet from active injection wells and perhaps much closer, in the same sedimentary rocks, the study says. Further, wellhead records showed that after 13 years of pumping at zero to low pressure, injection pressure rose more than 10-fold from 2001 to 2006, the study says.

The Oklahoma Geological Survey has yet to issue an official account of the sequence, and wastewater injection at the site continues. In a statement responding to the paper, Survey seismologist Austin Holland said the study showed the earthquake sequence could have been triggered by the injections.

But, he said, "it is still the opinion of those at the Oklahoma Geological Survey that these earthquakes could be naturally occurring. There remain many open questions, and more scientific investigations are underway on this sequence of earthquakes and many others within the state of Oklahoma."

 

The risk of setting off earthquakes by injecting fluid underground has been known since at least the 1960s, when injection at the Rocky Mountain Arsenal near Denver was suspended after a quake estimated at magnitude 4.8 or greater struck nearby -- the largest tied to wastewater disposal until the one near Prague, Okla. A series of similar incidents have emerged recently. University of Memphis seismologist Stephen Horton in a study last year linked a rise in earthquakes in north-central Arkansas to nearby injection wells.

University of Texas, Austin, seismologist Cliff Frohlich in a 2011 study tied earthquake swarms at the Dallas-Fort Worth Airport to a brine disposal well a third of a mile away. In Ohio, Lamont-Doherty seismologists Won-Young Kim and John Armbruster traced a series of 2011 earthquakes near Youngstown to a nearby disposal well. That well has since been shut down, and Ohio has tightened its waste-injection rules.

Wastewater injection is not the only way that people can touch off quakes. Evidence suggests that geothermal drilling, impoundment of water behind dams, enhanced oil recovery, solution salt mining and rock quarrying also can trigger seismic events. (Hydrofracking itself is not implicated in significant earthquakes; the amount of water used is usually not enough to produce substantial shaking.) The largest known earthquakes attributed to humans may be the two magnitude 7.0 events that shook the Gazli gas fields of Soviet Uzbekistan in 1976, followed by a third magnitude 7.0 quake eight years later.

In a 1985 study in the Bulletin of the Seismological Society of America, Lamont-Doherty researchers David Simpson and William Leith hypothesized that the quakes were human-induced but noted that a lack of information prevented them from linking the events to gas production or other triggers.

In 2009, a geothermal energy project in Basel, Switzerland, was canceled after development activities apparently led to a series of quakes of up to magnitude 3.4 that caused some $8 million in damage to surrounding properties.

In many of the wastewater injection cases documented so far, earthquakes followed within days or months of fluid injection starting. In contrast, the Oklahoma swarm happened years after injection began, similar to swarms at the Cogdell oil field in West Texas and the Fort St. John area of British Columbia.

The Wilzetta fault system remains under stress, the study's authors say, yet regulators continue to allow injection into nearby wells. Ideally, injection should be kept away from known faults and companies should be required to provide detailed records of how much fluid they are pumping underground and at what pressure, said Keranen.

The study authors also recommend sub-surface monitoring of fluid pressure for earthquake warning signs. Further research is needed but at a minimum, "there should be careful monitoring in regions where you have injection wells and protocols for stopping pumping even when small earthquakes are detected," said Abers.

In a recent op-ed in the Albany (N.Y.) Times Union, Abers argued that New York should consider the risk of induced earthquakes from fluid injection in weighing whether to allow hydraulic fracturing to extract the state's shale gas reserves.

 

The study was also coauthored by Elizabeth Cochran of the U.S. Geological Survey.