Kontrola aktywności sejsmicznej przez wtłaczanie płynów
Trzęsienie ziemi o magnitudzie 7,8 w skali Richtera, które nawiedziło Turcję i Syrię 6 lutego 2023 roku, spowodowało śmierć ponad 55 000 osób. Według szacunków trzęsienia ziemi – wstrząsy o niszczycielskiej sile – są przyczyną ponad połowy zgonów związanych z klęskami żywiołowymi, a także ogromnych strat gospodarczych. Przewidywanie tych katastrof jest jednak wyjątkowo trudnym zadaniem, ponieważ często pojawiają się nagle lub powstają głęboko pod powierzchnią Ziemi. Naukowcy uczestniczący w projekcie CoQuake, finansowanym przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, postanowili ugryźć ten problem od innej strony, dzięki czemu udało im się opracować przełomową metodę ograniczania trzęsień ziemi poprzez swoiste przejęcie nad nimi kontroli. „Głównym celem projektu CoQuake było zbadanie wykonalności koncepcji kontrolowania trzęsień ziemi. Jest to trudne zagadnienie badawcze o daleko idących implikacjach z punktu widzenia zarówno nauki, jak i całej ludzkości”, mówi Ioannis Stefanou, profesor politechniki École centrale de Nantes we Francji i koordynator projektu CoQuake. Celem podejścia opracowanego w ramach projektu CoQuake jest zdolność do zapobiegania nagłemu uwolnieniu energii sejsmicznej, a tym samym uniknięcia katastrofalnych w skutkach trzęsień ziemi, co przyczyni się do ocalenia życia wielu osób. Wykazano, że można to osiągnąć poprzez odpowiednie wtłaczanie płynów (np. wody) w głąb skorupy ziemskiej, które pod ziemią ulegają rozprowadzeniu, skutecznie zmieniając tarcie dojrzałych uskoków sejsmicznych. „Innymi słowy, dzięki projektowi CoQuake udało się wykazać, że jest możliwe wywołanie kontrolowanego poślizgu asejsmicznego poprzez wtłoczenie płynu w głąb skorupy ziemskiej”, wyjaśnia Stefanou. „Odkrycie to otwiera nowe horyzonty badawcze, zaś ideę niegdyś uważaną za element fantastyki naukowej przekuwa w fakt naukowy”.
Od teoretycznych badań trzęsienia ziemi po dowód słuszności koncepcji
Projekt CoQuake obejmował analizy teoretyczne, numeryczne i oparte na doświadczeniach. Pierwszym krokiem było teoretyczne zbadanie możliwości zapobiegania trzęsieniom ziemi przy użyciu matematycznej teorii sterowania, która wykorzystuje sprzężenia zwrotne układu do osiągnięcia pożądanego efektu. Ponadto zespół wymyślił i zaprojektował nowe układy eksperymentalne umożliwiające w warunkach laboratoryjnych najpierw symulację niestabilności podobnych do trzęsień ziemi, a następnie sterowanie nimi. „Warto zauważyć, że w trakcie tych prac rozwojowych pojawiły się nowe wyniki teoretyczne o szerszym zastosowaniu w dziedzinie mechaniki”, dodaje Stefanou. Godnym uwagi przykładem jest opracowanie sztucznych sieci neuronowych opartych na termodynamice (ang. Thermodynamics-based Artificial Neural Networks, TANN), które umożliwiają wieloskalowe symulacje materiałów nieelastycznych i szczegółowe badanie właściwości tarcia uskoków, wzdłuż których powstają trzęsienia ziemi. W wyniku doświadczeń prowadzonych w laboratorium zespół projektu CoQuake z powodzeniem wykazał możliwość zapobieżenia trzęsieniom ziemi związanym z jednostkowymi, starszymi uskokami. Realizacja projektu CoQuake zaowocowała szeregiem innowacji w różnych interdyscyplinarnych obszarach, takich jak pionierskie połączenie teorii sterowania z mechaniką trzęsień ziemi oraz możliwość stabilizacji i kontroli systemów uskoków związanych z trzęsieniami ziemi bez dostępu do szczegółowych danych geologicznych. Zespół wykorzystał również druk przestrzenny do wytworzenia próbek przypominających skały przy użyciu piasku, łącząc inżynierię materiałową z takimi dziedzinami jak mechanika, geomechanika, inżynieria lądowa, geofizyka i geologia. „Próbki te miały kluczowe znaczenie dla odtworzenia niestabilności podobnych do trzęsienia ziemi w naszych doświadczeniach, gdyż umożliwiły w warunkach laboratoryjnych symulację zachowań prawdziwych uskoków sejsmicznych”, zauważa Stefanou.
Wpływ na społeczność naukową i badania nad klimatem
Wyniki projektu CoQuake mogą zostać wykorzystane przez społeczności naukowe skupione wokół całego wachlarza dyscyplin. „Koncepcje sterowania trzęsieniami ziemi wykorzystujące rygorystyczne narzędzia matematyczne staną się inspiracją dla nowych zastosowań w mechanice trzęsień ziemi, i mechanice w ogóle”, mówi Stefanou. Ze względu na kryzys klimatyczny korzystne byłoby opracowanie różnego rodzaju technologii w celu wykorzystania podziemnych odnawialnych źródeł energii i możliwości magazynowania energii pod ziemią, jednak obecnie ich zastosowanie jest utrudnione z uwagi na sejsmiczność indukowaną działalnością człowieka. Wyniki projektu CoQuake zostaną wykorzystane w ramach nowej inicjatywy finansowanej ze środków UE – projekcie INJECT, poświęconym poszukiwaniu sposobu na zrównoważenie sejsmiczności indukowanej z wytwarzaniem i magazynowaniem energii odnawialnej pod ziemią. „Wyniki tego nowego projektu mogą sprawić, że realizacja działań w terenie i praktyczna kontrola nad rozległymi katastrofalnymi trzęsieniami ziemi w przyszłości może stać się łatwiejsza”, podsumowuje Stefanou.
Słowa kluczowe
CoQuake, trzęsienie ziemi, aktywność sejsmiczna, poślizg, naukowa, społeczność, klimat, badania, indukowany, teoretyczny