پشت‌پرده لرزه‌خیزی پایتخت؛ «پمپاژ آب» تهدید خاموش برای گسل شمال تهران

کد خبر: ۸۲۸۸۷۷

تاریخ: ۱۷ آذر ۱۴۰۴ - ۱۱:۴۵

به گزارش ایران اکونومیست؛ استاد تمام پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی با تأکید بر اینکه نادیده گرفتن نقش برداشت گسترده آب‌های زیرزمینی در تحریک گسل‌های تهران یک خطای تحلیلی است، تاکید کرد: تصور بی‌ارتباط‌بودن پمپاژ گسترده آب‌های زیرزمینی در دشت‌های تهران با تحریک گسل شمال تهران نادرست است؛ زیرا فرونشست‌های عمیق ناشی از تخلیه آبخوان‌ها در حال انتقال تنش به پهنه‌های لرزه‌زا و نزدیک‌کردن آنها به آستانه گسیختگی است.

دکتر مهدی زارع، استاد تمام پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله در گفت‌وگو با ایسنا با طرح این سؤال که «آیا پمپاژ آب ربطی به تحریک گسل شمال تهران ندارد؟» و این ادعا تا چه حد دقیق است که « با توجه به شرایط هیدرولیکی حاکم بر آب زیر زمینی دشت و ارتفاعات شمال تهران، پمپاژ آب در ورامین و ری و دشت تهران ارتباطی با تحریک و تشدید و تسریع فعالیت گسل شمال تهران ندارد»؟ گفت: ادعای مطرح شده مبنی بر اینکه پمپاژ آب زیرزمینی در ورامین، ری و دشت تهران ارتباطی با تحریک، تشدید و تسریع فعالیت گسل شمال تهران ندارد، دقیق نیست.

وی افزود: فرونشست و تغییر تنش و ارتباط پمپاژ آب زیرزمینی با فعالیت گسل‌ها بدین ترتیب مورد بحث است که فرونشست زمین به دلیل استخراج بیش از حد آب زیرزمینی، به ویژه در دشت‌های آبرفتی، باعث کاهش فشار آب منفذی و در نتیجه فشرده شدن لایه‌های خاک و رسوب (تراکم هیدرولیکی) می‌شود. فرونشست زمین، به خصوص در سرعت بالا در جنوب و جنوب غرب تهران که تا بیش از ۳۰ سانتی‌متر در سال نیز گزارش شده می‌تواند تغییرات تنشی قابل توجهی را در پوسته و در پهنه‌های گسلی مجاور ایجاد کند. این تغییرات تنشی می‌تواند فشارهای برشی روی گسل‌ها را افزایش داده و آنها را به آستانه گسیختگی نزدیک‌تر کند که به آن «تحریک زلزله» می‌گویند.

زارع با بیان اینکه زلزله‌هایی مانند زلزله ملارد در ۲۹ آذر ۱۳۹۶ در پهنه با فرونشست شدید رخ داده و ممکن است به این پدیده مرتبط باشد، اظهار کرد: این پهنه در مجاورت گسل‌های اصلی منطقه از جمله گسل شمال تهران قرار دارد و تغییر تنش در اثر فرونشست بر انتقال تنش کولمب به پهنه‌های مجاور از جمله گسل شمال تهران در «وردآورد» مؤثر است.

استاد تمام پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله اضافه کرد: تخلیه آب زیرزمینی باعث کاهش فشار منفذی می‌شود. کاهش فشار منفذی در یک سنگ اشباع از آب، به طور مؤثر باعث افزایش تنش مؤثر نرمال بر روی سطح گسل می‌شود. افزایش تنش نرمال معمولاً باعث مهار گسل می‌شود و تغییرات تنش ناشی از فرونشست به دلیل فشرده‌شدن لایه‌ها، می‌تواند تغییرات جانبی تنش برشی را نیز در مناطق ژرف‌تر و دورتر از محل پمپاژ اصلی ایجاد کند که می‌تواند تحریک کننده باشد.

به گفته این محقق حوزه مخاطرات، تغییرات تنش ایجاد شده با فرونشست در دشت‌های محدوده تهران به انتهای غربی گسل‌ شمال تهران و همچنین محدوده گسل‌های ری، مشا و ماهدشت-جنوب کرج منتقل می‌شود. این زنجیره از تغییرات تنش در نهایت می‌تواند بر بارگذاری تنش روی گسل شمال تهران نیز اثر بگذارد و احتمالاً آن را تسریع کند.

وی تاکید کرد: بنابراین، با وجود اینکه پمپاژ مستقیماً روی رد سطحی گسل شمال تهران اتفاق نمی‌افتد، تغییرات هیدرولیکی و مکانیکی ناشی از آن در دشت‌های آبرفتی از طریق سازوکارهای انتقال تنش و فرونشست زمین، بر تحریک و تسریع فعالیت گسل شمال تهران و سایر گسل‌های فعال منطقه مؤثر است.

شواهد علمی اثرات پمپاژ آب بر گسل‌ها

زارع ادامه داد: از سوی دیگر ادعا می‌شود مساله پمپاژ آب به لایه‌های سطحی تا حداکثر ۲۰۰ تا ۳۰۰ متری مرتبط است، در حالی که وقوع زمینلرزه در گسل‌های محدوده تهران به ژرفای ۵ تا ۲۰ کیلومتری مرتبط است، بنابراین پمپاژ آب و فرونشست نمی‌تواند موجب تحریک گسل‌ها شود. ادعای مذکور که پمپاژ و فرونشست، نمی‌تواند موجب تحریک گسل‌ها شود، با توجه به یافته‌های علمی و مشاهدات محلی صحیح نیست.

وی در این باره توضیح داد: پمپاژ بی‌رویه آب‌های زیرزمینی با تغییرات تنش ایجاد شده در سطح زمین و لایه‌های کم‌ژرفا می‌تواند به صورت مکانیکی به صفحه گسل در ژرفا منتقل شود. این پدیده بر اساس اصول مکانیک سنگ و الاستیسیته پوسته زمین قابل توجیه است. برداشت بی‌رویه آب زیرزمینی در دشت‌های آبرفتی ورامین، ری، شهریار و ملارد باعث کاهش فشار آب منفذی و در نتیجه فشرده‌شدن لایه‌های رسی و آبرفتی در ژرفاهای کم تا متوسط می‌شود. این فشرده‌سازی در سطح زمین به شکل فرونشست با نرخ‌های بالا تا بیش از ۳۰ سانتی‌متر در سال مشاهده می‌شود.

استاد پژوهشگاه زلزله‌شناسی خاطر نشان کرد: جابه‌جایی و تغییر شکل عظیم ناشی از فرونشست در لایه‌های سطحی، بارهای مکانیکی و تغییرات تنش به ویژه تنش برشی و تنش قائم را در لایه‌های ژرف‌تر و به ویژه در انتهای گسل‌ شمال تهران و رد سطحی گسل ماهدشت-جنوب کرج و گسل پردیسان ایجاد می‌کند. این پدیده را تغییر «تنش کولمب» می‌نامند. تغییر تنش‌های برشی می‌تواند مقاومت گسل در برابر لغزش را کاهش داده و آن را به آستانه گسیختگی نزدیک‌تر کند.

وی تاکید کرد: بسیاری از زمینلرزه‌های کوچک تا متوسط اخیر در منطقه تهران، مانند زلزله ملارد در سال ۱۳۹۶ (M=۵)، در پهنه فرونشست ملارد رخ داد.  این شواهد، ارتباط بین فرونشست و تحریک گسل‌هایی مانند گسل ماهدشت-جنوب کرج را تقویت می‌کند.

زارع افزود: اگرچه عمده پمپاژ از آبخوان‌های سطحی است، اما در برخی مناطق، پمپاژ چاه‌های ژرف‌تر که به آبخوان‌های ژرف‌تر و گاهی اوقات نزدیک به سنگ بستر می‌رسند نیز می‌تواند اثر مستقیم‌تری بر فشار منفذی در نزدیکی گسل‌ها بگذارد. با این حال، حتی بدون پمپاژ مستقیم در ژرفا، سازوکار فرونشست و انتقال تنش همچنان فعال است. تمرکز صرف بر اختلاف ژرفا و نادیده گرفتن سازوکارهای انتقال تنش، یک دیدگاه ساده‌انگارانه است. تغییرات عظیم حجمی در مقیاس‌های ده‌ها کیلومتر مکعب و نرخ‌های بالای فرونشست که در جنوب تهران تا بیش از ۳۰ سانتیمتر در داخل محدوده منطقه ۱ شهرداری تهران نیز گزارش شده است، به اندازه کافی بزرگ هستند تا تعادل تنش در گسل‌های ژرفای را تغییر دهند.

فرونشست رنگ جهانی دارد

این استاد پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی موضوع ارتباط بین پمپاژ آب زیرزمینی یا تخلیه سیالات زیرسطحی و تحریک گسل‌ها (لرزه‌خیزی القایی) را یک موضوع صرفاً محلی در ایران ندانست و ادامه داد: استخراج آب زیرزمینی و فرونشست در سایر کشورها نیز سازوکار مشابهی با آنچه در تهران رخ داده، مطرح است، یعنی فرونشست زمین ناشی از برداشت بی‌رویه آب و انتقال تنش به گسل‌های ژرفای‌تر، عامل تحریک زلزله در نظر گرفته می‌شود.

وی نمونه آن را در کشور اسپانیا دانست و اضافه کرد: مطالعات علمی و قوی زلزله «لورکا» سال ۲۰۱۱ با بزرگای ۵.۱ که منجر به خسارات جانی و مالی شد، نشان می‌دهد که این زلزله با استخراج شدید آب زیرزمینی و تغییرات فشار منفذی در یک گسل کم‌ژرفا مرتبط بوده است و ارتباط نزدیکی با فرونشست زمین ناشی از استخراج شدید آب‌های زیرزمینی منجر به تغییر شکل قابل توجه زمین، لغزش گسل کم ژرفا و خسارات گسترده در این شهر شد.

زارع خاطر نشان کرد: تخلیه آبخوان باعث تغییر تنش بر گسل Alhama de Murcia شده و باعث وقوع زلزله کم ژرفا شده و نقش فعالیت‌های انسانی در رویدادهای لرزه‌ای و نیاز به مدیریت پایدار آب را برجسته می‌کند. دهه‌ها پمپاژ آب‌های زیرزمینی در حوضه Alto Guadalentín باعث افت قابل توجه سطح آب  تا ۲۵۰ متر و فرونشست زمین متعاقب آن و فشرده‌سازی خاک‌های قابل تراکم شد. این تخلیه پوسته‌ای ناشی از برداشت آب، تنش‌هایی را بر بخش‌های کم ژرفا گسل Alhama de Murcia وارد کرد که باعث تغییر خواص اصطکاکی و مستعدتر شدن گسل برای لغزش شد.

به گفته وی، زلزله ۵.۱ اسپانیا شامل یک گسیختگی کم ژرفای ۴ کیلومتری در این گسل بود که با حرکت فشاری و چپگرد همراه بود و باعث لرزش شدید و جابجایی سطحی شد.

زارع ادامه داد: این فرونشست شرایطی را ایجاد کرد که هسته‌زایی و لغزش زلزله را تسهیل کرد و آن را به نمونه‌ای بارز از لرزه‌خیزی ناشی از فعالیت‌های انسانی یا لرزه‌خیزی تحریک‌شده تبدیل کرد. ژرفای کم و تنش‌های مرتبط با فرونشست منجر به آسیب شدید به ساختمان‌ها، از جمله سازه‌های تاریخی و منجر به تلفات و جراحات شد.

این محقق پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی نمونه دیگر را در ایالات متحده امریکا عنوان کرد و گفت: دره سن خوواکین کالیفرنیا به دلیل برداشت آب برای کشاورزی، یکی از شدیدترین نرخ‌های فرونشست در جهان را دارد. در حالی که پمپاژ آب‌های زیرزمینی در دره سن خواکین با تعدیل سالانه لرزه‌خیزی با بزرگای کم (معمولاً کمتر از  ۱.۳ ) مرتبط است و می‌تواند به طور بالقوه زمان وقوع یک زلزله زمین‌ساختی بزرگ در گسل سن آندریاس را جلو بیندازد.

وی تاکید کرد: نوسان فصلی سطح آب‌های زیرزمینی (پمپاژ بیشتر در فصل خشک) باعث می‌شود رشته‌کوه‌های ساحلی اطراف و کوه‌های سیرا نوادا بالا بیایند که این امر فشار قائم روی گسل سن آندریاس را کمی کاهش می‌دهد و میزان زلزله‌های کوچک افزایش می‌یابد. تغییرات تنش ناشی از تخلیه طولانی مدت آب‌های زیرزمینی می‌تواند به طور بالقوه باعث شود که زلزله زمین‌ساختی بزرگ بعدی در گسل سن آندریاس کمی زودتر از آنی رخ دهد که از قبل هم قابل انتظار بوده، اما این علت اصلی خود زلزله بزرگ نیست. برخی از زلزله‌های با بزرگای بیش از ۴  زمین‌ساختی در سایر نقاط کالیفرنیا به ویژه میدان‌های نفتی شهرستان کرن کانتی) به فعالیت‌های مختلف انسانی مانند تزریق سیال به چاه‌های دفع زباله مرتبط بوده‌اند که با  سازوکار پمپاژ-فرونشست آب‌های زیرزمینی متفاوت هستند.

رخدادهای زمینلرزه‌هایی در فلسطین اشغالی ناشی از برداشت بی‌رویه آب

استاد تمام پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله اظهار کرد: در فلسطین اشغالی، دریاچه کینرت خوشه‌هایی از زمینلرزه‌ها در این منطقه با برداشت مداوم آب زیرزمینی و کاهش شدید سطح آب مرتبط بوده‌اند. مدل‌سازی‌ها نشان داده که کاهش فشار منفذی ناشی از پمپاژ می‌تواند تنش‌های انبساطی ایجاد کند که باعث گسلش می‌شود.

وی اظهار کرد: خشک شدن دریاچه کینرت (دریای جلیل) نتیجه کاهش بارندگی و استخراج بیش از حد آب است و این فرآیند با لرزه‌خیزی القایی (فوج های زلزله) در منطقه مرتبط است. دریاچه کینرت مخزن اصلی آب شیرین طبیعی فلسطین اشغالی است و در دره فعال لرزه‌ای بحرالمیت قرار دارد. ترکیبی از کاهش الگوهای بارندگی و برداشت زیاد آب برای تأمین نیازهای جمعیت رو به رشد باعث شده است که سطح دریاچه در طول دهه‌ها به طور قابل توجهی کاهش یابد. در یک تغییر سیاست عمده، رژیم صهیونیستی  یک سیستم «قنات معکوس» را برای پمپاژ آب نمک‌زدایی شده دریای مدیترانه به دریاچه در صورت نیاز برای حفظ سطح آن ایجاد کرد. بین فعالیت‌های انسانی مرتبط با مدیریت آب و لرزه‌خیزی القایی در نزدیکی دریاچه ارتباط وجود دارد.

زارع افزود: دسته‌های زلزله‌های کوچک تا متوسط ​​(با بزرگای ۳ تا ۴) را به دوره‌های کاهش قابل توجه سطح آب‌های زیرزمینی در سفره‌های آب اطراف دریاچه مرتبط دانسته‌اند. حذف مقادیر زیادی از آب‌های زیرزمینی، فشار در منافذ سنگ را کاهش می‌دهد و به طور بالقوه باعث می‌شود گسل‌های موجود راحت‌تر لغزش کنند. دسته‌های زلزله قابل توجه در اکتبر ۲۰۱۳ و ژوئیه-آگوست ۲۰۱۸ در بخش شمالی دریاچه رخ دادند که ژرفای کانونی زلزله عمدتاً کمتر از ۱۰ کیلومتر بود که فرضیه محرک انسانی را تأیید می‌کند. این منطقه زمین‌ساختی فعال بر روی گسل بحرالمیت با سابقه زلزله‌های بزرگی مانند  سال‌های ۱۲۰۲، ۱۷۵۹ و ۱۹۲۷ به دلیل تنش زمین‌ساختی بوده است، به نظر می‌رسد تغییرات فشار آب ناشی از فعالیت‌های انسانی قادر به ایجاد زمین‌لرزه‌های کوچک‌تر و کم‌ ژرفاتر است.

فعالیت‌های نفتی و زمینلرزه

استاد پژوهشگاه بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله با اشاره به تأثیر فعالیت‌های نفتی بر تحریک لرزه‌ای گفت: در میدان گازی گرونینگن هلند، استخراج گسترده گاز موجب بروز زمینلرزه‌های متعددی تا بزرگای ۳.۶ شد و خسارت‌های قابل توجهی برجای گذاشت؛ به‌طوری‌که تولید فعال این میدان در سال ۲۰۲۳ متوقف شد.

به گفته وی، کاهش فشار و تراکم مخزن در این میدان باعث تغییر تنش در سنگ‌های اطراف و ایجاد لرزه‌خیزی القایی شده است.

زارع افزود: افزایش فشار منفذی یکی از شناخته‌شده‌ترین پیامدهای فعالیت‌های انسانی از جمله تزریق سیالات است که می‌تواند گسل‌ها را تحریک و باعث زمینلرزه القایی شود. تنش مؤثر نیرویی است که توسط دانه‌های جامد سنگ تحمل می‌شود و مقاومت آن را در برابر گسیختگی و لغزش تعیین می‌کند. این تنش از تفاضل تنش کل و فشار منفذی به دست می‌آید.

زارع با تاکید بر اینکه گسیختگی و لغزش گسل زمانی رخ می‌دهد که تنش برشی اعمال‌شده از مقاومت برشی گسل فراتر رود. مقاومت برشی بر اساس قانون کولمب–موهر محاسبه می‌شود و به‌طور مستقیم با تنش مؤثر نرمال بر سطح گسل مرتبط است. اگر گسلی پیش‌تر تحت تنش برشی زمین‌ساختی قرار داشته باشد، کاهش مقاومت برشی آن کافی است تا تنش موجود موجب لغزش و در نتیجه وقوع زمین‌لرزه شود. به بیان ساده، «آب تزریق‌شده مانند یک روان‌کننده عمل کرده و گسل را آزاد می‌کند.»

وی در ادامه به تجربه ایالت اوکلاهما اشاره کرد و گفت: در این منطقه، تزریق حجم بالای پساب‌های ناشی از تولید نفت و گاز به چاه‌های ژرف موجب افزایش فشار منفذی و تحریک گسل‌های غیرفعال شد؛ به‌گونه‌ای که تعداد زمین‌لرزه‌های با بزرگای ۳ در این ایالت از حدود دو رخداد در سال به صدها زلزله در سال افزایش یافت.

زارع با بیان اینکه این مکانیسم برعکس فرآیندی است که در اثر فرونشست زمین در تهران رخ می‌دهد، توضیح داد: در اوکلاهما، تزریق سیالات باعث افزایش فشار منفذی، کاهش تنش مؤثر و در نتیجه کاهش مقاومت برشی گسل و تحریک آن می‌شود. اما در تهران، پمپاژ و تخلیه آبخوان موجب کاهش بار وارد بر سفره، افزایش تنش برشی و تغییر تنش کل در اثر فرونشست می‌شود که از طریق انتقال تنش می‌تواند گسل‌های منطقه را تحریک کند.