به گزارش ایسنا، نتایج یک پژوهش مشترک میان پژوهشگران ایرانی و چینی با عنوان «بررسی تجربی لغزش و شکستگی گسل ناشی از تزریق سیال تحت تنش سه‌محوری واقعی» با انجام آزمایش‌های آزمایشگاهی کنترل‌شده، به شناسایی و تبیین فرآیندهای فیزیکی مؤثر بر زلزله‌های القایی ناشی از تزریق سیال منجر شده است. این پژوهش با مشارکت لینژی وانگ، وو کای، ونژو کائو، لی جی. هاسکینگ، روئیجیا وانگ از محققان کشور چین و مهدی زارع استاد تمام پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله انجام شده و با استفاده از آزمایش‌های آزمایشگاهی دقیق، سازوکارهای فیزیکی مرتبط با لغزش و شکستگی گسل در شرایط تزریق سیال را بررسی کرده است.

اگرچه این مطالعه به ارائه روشی برای پیش‌بینی فوری زلزله منجر نشده است، یافته‌های آن می‌تواند مبنای علمی مهمی برای ارتقای قابلیت‌های پیش‌بینی زلزله و تعمیق شناخت از فرآیندهای فیزیکی حاکم بر زلزله‌شناسی محیطی فراهم کند. اهمیت این پژوهش در حوزه پیش‌بینی زلزله، به‌ویژه در آشکارسازی فرآیندهای فیزیکی در مقیاس میکروسکوپی مرتبط با لغزش گسل ناشی از تزریق سیال است؛ فرآیندهایی که می‌توانند پایه نظری توسعه مدل‌های پیش‌بینی زلزله را تقویت کنند.

یکی از یافته‌های مهم این مطالعه، شناسایی روشن یک «فرآیند سه‌مرحله‌ای» در ناپایداری گسل ناشی از تزریق سیال است. این فرآیند شامل اختلال ناشی از تزریق، شکستگی هیدرولیکی و تجمع فشار منفذی در گسل می‌شود. شناسایی این سه مرحله می‌تواند یک پنجره زمانی مشخص برای پایش و هشدار اولیه فراهم کند و نشان می‌دهد که ارزیابی خطر در مراحل مختلف فرآیند تزریق و ناپایداری گسل، نیازمند راهبردهای متفاوت است.

این پژوهش همچنین بر تعامل پویای میان لغزش گسل و انتشار شکستگی تمرکز کرده است. نتایج نشان می‌دهد که این دو فرآیند می‌توانند به صورت متقابل یکدیگر را تقویت کنند.

بر اساس یافته‌های مطالعه، انتشار شکستگی موجب افزایش فشار منفذی و در نتیجه تحریک لغزش گسل می‌شود. از سوی دیگر، لغزش گسل می‌تواند به آزادسازی فشار موضعی منجر شود و این فرآیند نیز به نوبه خود انتشار شکستگی را تحت تأثیر قرار دهد. شناخت این تعامل پویا می‌تواند در درک بهتر اندازه رخدادهای لرزه‌ای و سرعت لغزش گسل نقش داشته باشد.

در این مطالعه، همچنین رابطه‌ای کمی میان نرخ تزریق آب و حالت لغزش گسل نیز مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که در مدل لغزش دو مرحله‌ای، افزایش نرخ تزریق آب می‌تواند در ابتدا موجب شتاب‌گیری لغزش گسل شود؛ فرآیندی که با کاهش ضریب اصطکاک در اثر روانکاری سیال مرتبط است. پس از این مرحله، روند لغزش می‌تواند وارد مرحله کاهش سرعت شود؛ چرا که افزایش فشار می‌تواند موجب ایجاد شکستگی‌های ثانویه و در نتیجه افزایش مقاومت اصطکاکی شود.

از دیگر یافته‌های این پژوهش، بررسی تفاوت میان «لغزش لرزه‌ای» و «لغزش خاموش» در شرایط مختلف تزریق آب است. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد هنگامی که سوراخ تزریق آب به صورت مستقیم با گسل در ارتباط باشد، احتمال ایجاد لغزش لرزه‌ای سریع و انتشار تعداد بیشتری از رویدادهای انتشار آکوستیک (AE) افزایش می‌یابد. در مقابل، هنگامی که سوراخ تزریق مستقیماً به گسل متصل نباشد، فشار منفذی به تدریج تجمع پیدا می‌کند و شرایط برای وقوع لغزش آرام و همراه با آزادسازی انرژی کمتر فراهم می‌شود.

این یافته می‌تواند سرنخ مهمی برای توضیح تفاوت رفتار گسل‌ها در برابر تزریق سیال و چرایی وقوع ریزلرزه‌ای در برخی عملیات تزریق و عدم وقوع آن در برخی شرایط دیگر فراهم کند.

شناسایی دو «ردپای لرزه‌ای» متفاوت

این پژوهش همچنین دو نوع «اثر انگشت» یا «ردپای لرزه‌ای» مرتبط با ناپایداری‌های مورد مطالعه را از یکدیگر متمایز کرده است. تحلیل دقیق سازوکار چشمه نشان داده است که لغزش گسل عمدتاً با سازوکار «برش فشاری» مشخص می‌شود، در حالی که شکست هیدرولیکی دارای ویژگی غالب «برش کششی» است.

این تمایز می‌تواند امکان استفاده از ویژگی‌های امواج لرزه‌ای ثبت‌شده برای تشخیص منشأ سیگنال‌ها را فراهم کند؛ به این معنا که با تحلیل داده‌های لرزه‌ای می‌توان به طور بالقوه میان سیگنال ناشی از لغزش خطرناک گسل و سیگنال ناشی از شکست هیدرولیکی تمایز قائل شد.

از دیگر دستاوردهای این مطالعه، ایجاد یک مدل از تحول پویای میدان تنش است. نتایج نشان می‌دهد تزریق سیال تنها موجب کاهش تنش نرمال مؤثر نمی‌شود، بلکه می‌تواند باعث تنظیم و چرخش پویا در میدان تنش سه‌بعدی محلی نیز شود.این یافته با افزودن بُعدی جدید به درک رفتار گسل‌ها در شرایط تزریق سیال، می‌تواند به توسعه نظریه‌های دقیق‌تر درباره زمان ناپایدار شدن گسل‌ها کمک کند.

یافته‌های این پژوهش در حوزه «زلزله‌شناسی محیطی» نیز قابل توجه است؛ حوزه‌ای که بر رابطه میان فعالیت‌های انسانی، تغییرات محیطی و وقوع زلزله تمرکز دارد. همچنین نتایج مطالعه می‌تواند مبنایی علمی برای تدوین اقدامات متناسب با شرایط زمین‌شناختی در مدیریت ریسک «زلزله‌های القایی» فراهم کند. بر اساس یافته‌های پژوهش، ویژگی‌هایی همچون مقاومت سنگ و نفوذپذیری محیط زمین‌شناختی می‌توانند در تعیین راهبرد مناسب برای تزریق آب نقش تعیین‌کننده داشته باشند.

در محیط‌های دارای سنگ سخت، احتمال شکستگی گسل پیش از شکست سنگ‌های اطراف بیشتر است؛ بنابراین، پایش و کنترل فعال شدن گسل باید در اولویت قرار گیرد. در مقابل، در محیط‌های دارای سنگ نرم، احتمال وقوع شکستگی هیدرولیکی در سنگ‌های اطراف در مراحل اولیه بیشتر است و از این رو، کنترل فرآیند شکستگی می‌تواند نقش مهمی در جلوگیری از فعال شدن بعدی گسل داشته باشد.

این مطالعه همچنین راهبردهایی عملیاتی برای مدیریت نفوذپذیری در فرآیند تزریق ارائه می‌کند. بر اساس نتایج، در گسل‌های دارای نفوذپذیری پایین، تزریق مستقیم آب به داخل گسل می‌تواند امکان کنترل مؤثرتر لغزش آن را فراهم کند و در مجموع، این پژوهش با استفاده از آزمایش‌های آزمایشگاهی با دقت بالا، فرآیند پیچیده «تزریق سیال ـ لغزش گسل» را مورد بررسی و کمی‌سازی قرار داده است. نتایج به درک بهتر نیروهای محرک زلزله‌های القایی، نحوه تکامل این فرآیندها در شرایط مختلف و امکان تفکیک فرآیندهای فیزیکی متفاوت از طریق سیگنال‌های حاصل از پایش کمک می‌کند. علاوه بر آن این یافته‌ها می‌تواند به عنوان یکی از مبانی علمی برای توسعه مدل‌های قابل اعتمادتر در پیش‌بینی زلزله‌های القایی و طراحی راهبردهای مؤثرتر برای مدیریت ریسک‌های محیطی ناشی از فعالیت‌های مرتبط با تزریق سیال مورد استفاده قرار گیرد.

رفتار گسل‌ها در برابر تزریق سیال به سختی و نفوذپذیری سنگ‌ها وابسته است

دکتر مهدی زارع، استاد تمام و رئیس مرکز پیش‌بینی زلزله پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله در گفت‌وگو با ایسنا با تشریح نتایج مطالعه «بررسی تجربی لغزش و شکستگی گسل ناشی از تزریق سیال تحت تنش سه‌محوری واقعی» اظهار کرد: این مطالعه لغزش گسل ناشی از تزریق سیال را تحت شرایط تنش سه‌محوری واقعی بررسی کرده و بر شرایطی تمرکز دارد که در آنها گمانه‌های تزریق یا از نظر هیدرولیکی به گسل متصل هستند یا از آن جدا شده‌اند.

وی گفت: در این مطالعه با استفاده از روش‌هایی از جمله پایش تنش و جابه‌جایی، تحلیل انتشار آکوستیک، وارونگی طیفی، تحلیل سازوکار چشمه و سی‌تی‌اسکن، سه مرحله اصلی در فرآیند لغزش گسل ناشی از تزریق سیال شناسایی شد که شامل اختلال ناشی از تزریق، شکستگی هیدرولیکی و افزایش فشار منفذی در منطقه گسله است. نتایج این بررسی، تکامل پویای آغاز شکستگی، تجمع فشار و انتشار شکستگی را که در نهایت به لغزش گسل منجر می‌شود، نشان می‌دهد و مشخص می‌کند که حالت لغزش گسل تأثیر قابل توجهی بر روند افزایش فشار دارد.

زارع با اشاره به تایید سازوکار جفت‌شدگی پوروالاستیک در این مطالعه، خاطر نشان کرد: با افزایش فشار منفذی در منطقه گسله، سرعت لغزش گسل در ابتدا متناسب با میزان تزریق افزایش پیدا می‌کند و پس از آن کاهش می‌یابد. تحلیل سازوکار چشمه نشان می‌دهد که لغزش گسل عمدتاً تحت سلطه حرکت فشاری ـ برشی است، در حالی که شکستگی هیدرولیکی ویژگی‌های کششی ـ برشی دارد. این تفاوت می‌تواند در شناسایی نوع رویدادهای لرزه‌ای ناشی از فرآیندهای مختلف حائز اهمیت باشد.

استاد تمام و رئیس مرکز پیش‌بینی زلزله پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله با اشاره به بررسی ویژگی‌های مکانیکی سنگ، نفوذپذیری و تکامل میدان تنش در این پژوهش یادآور شد: نتایج نشان داد که در محیط‌های سنگ سخت، فعال‌ شدن مجدد گسل پیش از وقوع شکستگی هیدرولیکی در سنگ‌های اطراف رخ می‌دهد، در حالی که در محیط‌های سنگ نرم، شکستگی هیدرولیکی پیش از لغزش گسل اتفاق می‌افتد. این تفاوت نشان می‌دهد که ویژگی‌های زمین‌شناختی و مکانیکی محیط سنگی باید در طراحی و مدیریت عملیات تزریق سیال مورد توجه قرار گیرد؛ چرا که ترتیب وقوع شکستگی هیدرولیکی و فعال‌شدن گسل در محیط‌های مختلف یکسان نیست.

وی با اشاره به نقش نفوذپذیری گسل در کنترل لغزش ادامه داد: در گسل‌های دارای نفوذپذیری پایین، تزریق مستقیم سیال در کنترل لغزش گسل مؤثرتر از شرایطی است که گسل نفوذپذیری بالایی دارد.

افزایش توجه به زلزله‌های القایی

زارع با اشاره به اهمیت بررسی زلزله‌های القایی تاکید کرد: آزادسازی تنش زمین‌ساختی مرتبط با تغییر شکل پوسته زمین و حرکات صفحات پوسته، در کنار اثر فعالیت‌های انسانی از جمله استخراج منابع زیرزمینی، تزریق فاضلاب و تغییرات هیدرولوژیک، از موضوعاتی است که در سال‌های اخیر مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است.

به گفته وی عملیات صنعتی مانند معدن‌کاری، استخراج نفت و گاز و تولید انرژی زمین‌گرمایی به صورت فزاینده‌ای به عنوان محرک‌های مهم لرزه‌خیزی القایی شناخته می‌شوند. علاوه بر این، تغییرات فصلی و اقلیمی مانند سیلاب و خشکسالی نیز می‌توانند با پاسخ‌های لرزه‌ای مرتبط باشند.

رئیس مرکز پیش‌بینی زلزله پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله با اشاره به آمارهای جهانی در این زمینه اظهار کرد: از میان بیش از یک‌هزار زلزله ثبت‌شده، حدود ۳۳ درصد با تزریق سیال و حدود ۲۵ درصد با استخراج منابع زیرزمینی مرتبط دانسته شده‌اند. زلزله‌های القایی طیف گسترده‌ای از بزرگا را شامل می‌شوند؛ از زمین‌لرزه‌های کوچک ناشی از گسیختگی موضعی سنگ‌های مجاور گرفته تا مواردی که در آنها گسل‌های اصلی مجدداً فعال می‌شوند. با این حال، بسیاری از زلزله‌های القایی هنوز به اندازه کافی مورد مطالعه و بررسی قرار نگرفته‌اند.

زارع با اشاره به یکی از چالش‌های مهم در زمینه زلزله‌های القایی، توضیح داد: در سناریوهای پیچیده‌ای که شکستگی‌های هیدرولیکی گسترش پیدا می‌کنند و با گسل‌های مجاور تلاقی دارند، هنوز به طور کامل مشخص نیست که فشار بالای تزریق چگونه موجب گسترش شبکه‌های شکستگی و بازسازی مسیرهای جریان و نشت سیال می‌شود و در نهایت چگونه می‌تواند به ناپایداری گسل منجر شود. درک این فرآیندهای پیچیده برای ارزیابی خطر زلزله‌های القایی اهمیت زیادی دارد؛ زیرا ارتباط میان تزریق سیال، گسترش شکستگی‌ها، تغییر فشار منفذی و فعال‌شدن گسل، فرآیندی چندمرحله‌ای و وابسته به شرایط زمین‌شناختی و مکانیکی محیط است.

این استاد پژوهشگاه بین‌المللی زلزله شناسی خاطرنشان کرد: نتایج این مطالعه با روشن کردن بخشی از سازوکارهای فیزیکی حاکم بر این فرآیند، می‌تواند در شناخت بهتر رفتار گسل‌ها در برابر تزریق سیال و همچنین توسعه راهکارهای مناسب‌تر برای پایش و مدیریت خطر لرزه‌ای ناشی از فعالیت‌های انسانی مورد استفاده قرار گیرد.

تزریق سیال می‌تواند با تغییر فشار منفذی، گسل‌ها را به ناپایداری برساند

رئیس مرکز پیش‌بینی زلزله پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله، با اشاره به سابقه مطالعات مربوط به زلزله‌های القایی ناشی از تزریق سیال با بیان اینکه در یک مقاله بنیادین که هیلی در سال ۱۹۶۸ در مجله «ساینس» منتشر کرد، برای نخستین بار نشان داده شد که تزریق سیال می‌تواند موجب لغزش گسل و وقوع زلزله شود، افزود: از آن زمان مشخص شده است که فعال‌شدن مجدد گسل در اثر تزریق سیال، بر اساس معیار شکست و لغزش موهر ـ کولمب و بسط‌های آن کنترل می‌شود. هیلی در آن مطالعه بررسی کرد که آیا تخلیه سیال از یک مخزن عمیقا مدفون می‌تواند احتمال وقوع زلزله مخرب در نزدیکی دنور در ایالت کلرادوی آمریکا را کاهش دهد یا خیر.

به گفته وی نتایج این بررسی نشان داد که تزریق سیال حاوی پسماندهای شیمیایی به یک مخزن در حوضه دنور با وقوع زلزله ارتباط داشته است و شواهد آماری برای ارتباط میان این دو رویداد، یعنی تزریق سیال و وقوع زلزله و همچنین فرضیه‌ای درباره رابطه علت و معلولی آنها ارائه شد.

زارع با اشاره به دو سازوکار اصلی شناخته‌ شده در زمینه فعال‌شدن گسل بر اثر تزریق سیال، اظهار کرد: سازوکار نخست، سازوکاری است که تحت سلطه فشار منفذی قرار دارد و زمانی رخ می‌دهد که سیال تزریق‌شده به صورت مستقیم وارد گسل شود. در این شرایط، فشار منفذی افزایش پیدا می‌کند و تنش نرمال مؤثر بر گسل کاهش می‌یابد و در نتیجه شرایط برای لغزش گسل فراهم می‌شود. سازوکار دوم، جفت‌شدگی پوروالاستیک است که در آن فشار ناشی از تزریق سیال موجب تغییر میدان تنش می‌شود، حتی در شرایطی که چاه تزریق مستقیماً به گسل متصل نباشد. در این حالت، اختلالات تنش می‌توانند در فواصل طولانی منتشر شوند و حتی تا حدود ۱۰ کیلومتر نیز گسترش پیدا کنند.

استاد تمام و رئیس مرکز پیش‌بینی زلزله پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله با اشاره به نقش انتشار آکوستیک در بررسی زلزله‌های القایی، خاطر نشان کرد: تزریق سیال می‌تواند در شرایط آزمایشگاهی موجب ایجاد فعالیت انتشار آکوستیک یا AE شود که با رویدادهای خردلرزه‌ای در مقیاس میدانی ارتباط دارد و می‌تواند به عنوان شاخصی برای فعال‌شدن مجدد گسل مورد استفاده قرار گیرد. پژوهشگران معمولا از سه روش "تحلیل آماری"، "تعیین و حل پارامترهای چشمه" و "تحلیل سازوکار فیزیکی برای ارزیابی خطرهای لرزه‌ای مرتبط با تزریق سیال" استفاده می‌کنند. این روش عمدتا بر کاتالوگ‌های خردلرزه‌ای متکی است و با بررسی تغییرات ویژگی‌های آماری خردلرزه‌ها و مقایسه آنها با سطوح زمینه‌ای لرزه‌خیزی تاریخی، ارتباط میان زلزله‌های القایی و فعالیت‌های تزریق سیال را مشخص می‌کند.

زارع با بیان اینکه در سال‌های اخیر نیز مدل‌های آماری و روش‌های بهینه‌سازی احتمالی به صورت گسترده برای بازسازی شبکه‌های شکستگی گسسته مورد استفاده قرار گرفته‌اند، گفت: در روش پارامترهای چشمه نیز ویژگی‌های خردلرزه‌ای ناشی از فعال‌شدن مجدد گسل در اثر تزریق سیال، از طریق برقراری ارتباط میان ویژگی‌های مکانی ـ زمانی خردلرزه‌ها و شرایط گسل یا پارامترهای تزریق سیال بررسی می‌شود.

رئیس مرکز پیش‌بینی زلزله پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله با اشاره به روش مورد استفاده در این مطالعه با تاکید بر اینکه در این پژوهش از آزمایش‌های آزمایشگاهی کنترل‌شده برای بررسی نظام‌مند فعال‌شدن مجدد گسل ناشی از تزریق سیال استفاده شد و آزمایش‌ها با نمونه‌های پیش‌ساخته در مقیاس کوچک، بلوک‌های گسل پیش‌ساخته در مقیاس بزرگ و حتی آزمایش‌های تزریق سیال در مقیاس نزدیک به شرایط واقعی میدان انجام گرفت، یادآور شد: فعال‌شدن مجدد گسل ناشی از تزریق سیال یک فرآیند پویا است که تحت تاثیر پارامترهایی مانند نرخ تزریق، تکامل فشار منفذی، نفوذپذیری گسل و ویژگی‌های اصطکاکی قرار دارد.

زارع با اشاره به تأثیر نرخ تزریق بر فعال‌شدن گسل، اظهار کرد: در مرحله فعال‌شدن مجدد، نرخ‌های بالای تزریق می‌توانند باعث ایجاد سریع فشار منفذی در گسل شوند و احتمال لغزش گسل یا گسیختگی دینامیکی را افزایش دهند. در مقابل، نرخ‌های پایین تزریق، فعال‌شدن گسل را عمدتاً از طریق کاهش تدریجی تنش نرمال مؤثر بر گسل افزایش می‌دهند.

وی با بیان اینکه فشار منفذی در مرحله لغزش، متغیر فیزیکی کلیدی محسوب می‌شود، اضافه کرد: فشار منفذی نقش مهمی در کنترل گذار از لغزش پایدار به لغزش ناپایدار دارد. نرخ تزریق و نفوذپذیری گسل نیز به صورت مشترک بر روند تکامل فشار منفذی تأثیر می‌گذارند. 

افزایش نفوذپذیری موجب اتلاف فشار منفذی می‌شود، در حالی که نرخ بالای تزریق بر تجمع فشار منفذی غلبه دارد. تعامل میان این دو عامل تعیین می‌کند که لغزش گسل به صورت پایدار یا ناپایدار ادامه پیدا کند. نفوذپذیری گسل و میزان لغزش در جریان فرآیند لغزش به صورت غیرخطی افزایش پیدا می‌کنند که نشان‌دهنده وجود یک بازخورد پیچیده میان جریان سیال، تنش مؤثر و رفتار لغزشی گسل است.

لغزش گسل در سه مرحله رخ می‌دهد

زارع در تشریح نتایج اصلی این مطالعه گفت: در این پژوهش دو وضعیت کاری تزریق سیال زیرسطحی، شامل شرایطی که سوراخ‌های تزریق سیال به گسل متصل هستند و شرایطی که از گسل جدا هستند، بررسی شد و آزمایش‌هایی تحت تنش سه‌محوری واقعی و با نرخ‌های مختلف تزریق انجام گرفت. هدف از این آزمایش‌ها، بررسی سازوکارهای ایجاد لغزش گسل ناشی از تزریق سیال و پاسخ لرزه‌ای مرتبط با آن بود.

استاد تمام پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله اظهار کرد: نتایج نشان داد لغزش گسل ناشی از تزریق سیال در سه مرحله شامل اختلال ناشی از تزریق سیال، شکست هیدرولیکی و افزایش فشار منفذی در گسل رخ می‌دهد. همچنین بررسی توزیع مکانی ـ زمانی و تحلیل طیفی رویدادهای انتشار آکوستیک در مراحل اختلال و شکست نشان داد که سازوکار غالب در لغزش گسل عمدتاً تحت تأثیر جفت‌شدگی پوروالاستیک قرار دارد.

زارع با اشاره به ارتباط میان توسعه شکستگی و لغزش گسل با تاکید بر اینکه لغزش گسل ناشی از تزریق سیال و توسعه شکستگی‌ها به یکدیگر وابسته هستند، یادآور شد: توسعه شکستگی‌ها موجب افزایش فشار منفذی درون گسل و تغییر وضعیت لغزش گسل می‌شود. در مقابل، لغزش گسل موجب کاهش فشار موضعی می‌شود و این کاهش فشار نیز به نوبه خود می‌تواند توسعه بیشتر شکستگی‌ها را تحت تأثیر قرار دهد.

وی با اشاره به تفاوت پاسخ‌های لرزه‌ای شکست هیدرولیکی و لغزش گسل، اظهار کرد: این دو فرآیند در شرایط تنش سه‌محوری واقعی، ویژگی‌های لرزه‌ای متمایزی دارند. لغزش گسل عمدتاً از منابع فشاری ـ برشی سرچشمه می‌گیرد، در حالی که شکست هیدرولیکی با منابع کششی ـ برشی ارتباط دارد.

زارع با اشاره به تاثیر نفوذپذیری محیط سنگی بر نحوه کنترل لغزش، گفت: تزریق سیال می‌تواند به صورت مؤثری وضعیت لغزش گسل را تحت تأثیر قرار دهد. در سنگ‌های اطراف با نفوذپذیری پایین، تزریق مستقیم سیال از طریق گسل‌ها در تنظیم و کنترل لغزش گسل مؤثرتر است. در مقابل، در لایه‌های دارای نفوذپذیری بالا، شکست هیدرولیکی در نزدیکی گسل می‌تواند روش مؤثرتری باشد. در این مطالعه بر اساس مقاومت سنگ و تکامل میدان تنش، یک مدل مکانیکی از سامانه سنگ گسل‌شده ایجاد شد.

رئیس مرکز پیش‌بینی زلزله پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله ادامه داد: نتایج این مدل نشان داد با افزایش مقاومت مکانیکی سنگ، احتمال ناپایداری گسل پیش از وقوع شکست سنگ نیز افزایش پیدا می‌کند. همچنین محدوده‌های کنترلی مناسب برای شرایط کاری مختلف تزریق سیال شناسایی شد. این یافته‌ها نشان می‌دهد که نمی‌توان برای مدیریت خطر لرزه‌ای ناشی از تزریق سیال یک راهکار واحد ارائه کرد و شرایط زمین‌شناختی، ویژگی‌های مکانیکی سنگ، نفوذپذیری گسل و نرخ تزریق باید همزمان در طراحی و کنترل عملیات تزریق مورد توجه قرار گیرند.

نفوذپذیری سنگ و ارتباط چاه تزریق با گسل، تعیین‌کننده خطر فعال‌شدن گسل است

رئیس مرکز پیش‌بینی زلزله پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله، با تشریح نقش نفوذپذیری سنگ در فرآیند تزریق سیال گفت: در سناریوهای مهندسی، تغییرات نفوذپذیری سنگ می‌تواند بر شکل‌گیری شبکه شکستگی‌ها در جریان شکست هیدرولیکی اثر بگذارد و در نتیجه، میزان تاثیر جریان سیال بر لغزش و فعال‌شدن مجدد گسل را نیز تحت تأثیر قرار دهد. این پدیده را می‌توان بر اساس شرایط مختلف نفوذپذیری سنگ و نحوه ارتباط چاه تزریق با گسل، در قالب ۶ سناریو و چهار نوع اصلی طبقه‌بندی کرد.

زارع با اشاره به نخستین سناریو اظهار کرد: در شرایطی که سنگ دارای نفوذپذیری بالا باشد و چاه تزریق به گسل متصل باشد، تزریق سیال موجب افزایش فشار منفذی هم در سنگ و هم در گسل می‌شود و در نتیجه می‌تواند به فعال‌شدن مجدد گسل منجر شود. اگر گسل نیز نفوذپذیری بالایی داشته باشد، احتمال فعال‌شدن مجدد آن افزایش پیدا می‌کند؛ در مقابل، گسل‌های دارای نفوذپذیری پایین در برابر نفوذ آب مقاومت بیشتری نشان می‌دهند و فعال‌شدن مجدد آنها دشوارتر است و در چنین شرایطی ممکن است سطوح شکستگی جدیدی در سنگ ایجاد شود.

رئیس مرکز پیش‌بینی زلزله پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله درباره سناریوی دوم گفت: در شرایطی که سنگ نفوذپذیری بالایی دارد، اما چاه تزریق از گسل جدا است، آب می‌تواند از طریق سنگ به سمت گسل حرکت کند و با افزایش فشار منفذی درون گسل، شرایط را برای فعال‌شدن مجدد آن فراهم کند. پاسخ لغزشی گسل در ادامه این فرآیند، از همان سازوکاری پیروی می‌کند که در شرایط اتصال مستقیم چاه تزریق به گسل مشاهده می‌شود، با این تفاوت که انتقال سیال و فشار به گسل از طریق محیط سنگی صورت می‌گیرد.

زارع با اشاره به شرایط سنگ‌های دارای نفوذپذیری پایین اظهار کرد: در سنگ‌های کم‌نفوذ، افزایش فشار منفذی درون سنگ دشوارتر است و تزریق سیال می‌تواند در درجه نخست موجب افزایش فشار منفذی درون گسل شود؛ موضوعی که در صورت رسیدن شرایط به آستانه لازم، می‌تواند به فعال‌شدن مجدد گسل منجر شود. در این شرایط، گسل‌های دارای نفوذپذیری بالا آمادگی بیشتری برای فعال‌شدن مجدد دارند، در حالی که گسل‌های کم‌نفوذ برای رسیدن به شرایط فعال‌شدن مجدد به فشارهای بالاتر ناشی از تزریق سیال نیاز دارند.

استاد تمام پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله با اشاره به سناریوی دیگری که در آن سنگ نفوذپذیری پایینی دارد و چاه تزریق از گسل جدا است، گفت: در چنین شرایطی برای آنکه تزریق سیال بتواند بر گسل اثر بگذارد، وقوع شکست هیدرولیکی در اثر فشار بالا ضروری است. شکست هیدرولیکی می‌تواند موجب افزایش فشار منفذی در گسل یا ایجاد تغییرات تنش مرتبط با فشار سیال شود و در نهایت شرایط را برای فعال‌شدن مجدد گسل فراهم کند.

زارع با تاکید بر وجود فاصله زمانی میان شکست هیدرولیکی و فعال‌شدن مجدد گسل در این شرایط، اظهار کرد: در این سناریو ممکن است تأخیر قابل توجهی میان وقوع شکست هیدرولیکی و فعال‌شدن مجدد گسل وجود داشته باشد، اما روند کلی فعال‌شدن گسل با سازوکاری که در سناریوی سنگ کم‌نفوذ تشریح شد، همخوانی دارد. مقایسه این سناریوها نشان می‌دهد که نحوه رفتار گسل در برابر تزریق سیال تابعی از یک عامل منفرد نیست، بلکه ترکیبی از نفوذپذیری سنگ و گسل، ارتباط یا عدم ارتباط مستقیم چاه تزریق با گسل، فشار و نرخ تزریق و نحوه گسترش شکستگی‌های هیدرولیکی، تعیین‌کننده چگونگی انتقال فشار و سیال و در نهایت احتمال فعال‌شدن مجدد گسل است. بنابراین، شناخت شرایط زمین‌شناسی و ویژگی‌های نفوذپذیری پیش از اجرای عملیات تزریق می‌تواند در انتخاب راهبرد مناسب برای کنترل فشار، مدیریت شکستگی‌ها و کاهش خطر لغزش و لرزه‌خیزی القایی نقش مهمی داشته باشد.

انتهای پیام