ASPress - czasopisma pedagogiczne


ARCHIWUM WYDAŃ CYFROWYCH
       
Język Niemiecki



Wydania z lat 2009-2016 dostepne są w wersji elektronicznej jako pliki PDF. Są one identyczne z wersjami drukowanymi. Jednakże nie zawierają materiałów, które były na płytach CD/DVD dołączanych do niektórych wydań drukowanych.
W wersji drukowanej dostepne jest tylko jedno wydanie - 3/2016.
Więcej


Zbiór 52 felietonów poświęconych współczesnej Polsce, Polakom, polityce, roli telewizji i mediów we współczesnym świecie, globalizacji i konsekwencji wynikającej z naszego otwarcia na świat.
Wydanie w postaci pliku PDF
Cena 10 zł.
Zamów


Książka o podróżach, poznawaniu, odkrywaniu i podbijaniu świata, o pokonywaniu kolejnych horyzontów ludzkiego rozwoju. Ludzie wędrują od wieków, zawsze chcieli zobaczyć, co jest za kolejną rzeką, górą, morzem, za nowym horyzontem. Ta wędrówka pozwoliła najpierw poznać naszą planetę, a dziś już zaprowadziła człowieka poza granice Układu Słonecznego. Kim są ci, którzy zmieniają historię świata? Dlaczego Krzysztof Kolumb odkrył Amerykę, a Mikołaj Kopernik „poruszył” Ziemię?
Wydanie w postaci pliku PDF.
Cena 10 zł.
Zamów

Wydanie drukowane



Historia powstania  * Dane techniczne * Słynne rajdy * Rozwiązania konstrukcyjne

Pierwszy pojazd z napędem na obie osie skonstruowano w 1824 r. a więc ponad pól wieku wcześniej od samochódu. Jednak dopiero wojskowi amerykańskiej armii jako pierwsi chcieli mieć pojazd, który pojedzie każdą drogą, pokona głębokie rowy  i wyposażony będzie we wciągarkę, tak by mógł poruszać się w każdym terenie.
Cena 10 zł.
Zamów

Wydania specjalne "Geografii w Szkole"

2011

2010

2009

2008


Cena kompletu wydań 50 zł
Cena jednego wydania 10 zł
Zamów



Nowość!


Więcej

Górnictwo, zapory wodne, próby atomowe...



O przemyśle i trzęsieniach ziemi

"Fizyka w Szkole" nr 3/2019

Zbigniew Wiśniewski

Jeśli przeciętnego, oczytanego człowieka spytać o źródło trzęsień ziemi odpowie nam, że jego źródłem są ruchy płyt tektonicznych. Występują one w rejonach aktywnych sejsmicznie, gdzie płyty te się zderzają. W wyniku tego całą powierzchnię Ziemi można podzielić na rejony sejsmicznie czynne i nieczynne. Tymczasem okazuje się, że trzęsienia ziemi zaczynają się pojawiać tam, gdzie nikt ich się nie spodziewa. Są one związane z działalnością człowieka. Niektóre z nich są znane praktycznie od wieków. Nosiły one kiedyś nazwę szkód górniczych. Są one związane z wydobywaniem surowców z wnętrza Ziemi. Oczywiście tego typu zjawiska nie zniknęły. Są one obecne do dzisiaj.

Ponieważ różnorodność naszej aktywności wzrasta zwiększa się też ilość procesów powodujących wstrząsy sejsmiczne. Należy przy tym rozróżnić dwie sytuacje. Pierwsza, to trzęsienia ziemi indukowane (induced seismicity) działalnością człowieka. Są to trzęsienia, które towarzyszą działalności ludzkiej i na ogół po jej zakończeniu ustają. Druga kategoria to trzęsienia ziemi wyzwalane przez działalność człowieka tzw. (triggered seismicity). One mają bardziej długotrwały przebieg i często trwają po ustaniu ludzkiej działalności.

Dzięki rozwojowi techniki wydobywczej możemy sięgać na głębokości dawniej całkowicie niedostępne. Procesom tym towarzyszy zazwyczaj wprowadzanie dodatkowych naprężeń zaburzających równowagę skał. Relaksacja tych naprężeń może prowadzić do powstawania trzęsień ziemi. Jest to wspólny mechanizm dla wszystkich procesów omawianych w dalszej części artykułu.

Gaz i ropa naftowa

Jako przykład może tu posłużyć proces wydobywania gazu łupkowego, lub ropy naftowej. Trzęsienia ziemi mogą być wywoływane po pierwsze podczas samego procesu rozkruszania skał, kiedy to zaburzeniu ulega sama struktura skały. W czasie wydobywania ropy lub gazu często wtłacza się w strukturę skały brudną wodę. Wynikiem tego jest nagromadzenie się w skale dodatkowych naprężeń, które mogą prowadzić do powstawania dodatkowych pęknięć w skale, co objawia się jako trzęsienia ziemi.  

Pierwszy taki przypadek, gdzie występowanie trzęsień ziemi powiązano z wstrzykiwaniem wody miał miejsce w Denver w Colorado. Proces wpompowywania wody przeprowadzano w latach 1960-1965. Skutkiem tego procesu było wystąpienie około 1500 wstrząsów sejsmicznych. Dwa z nich miały amplitudę powyżej 4.5 i spowodowały poważne zniszczenia budynków. Ogólnie w środkowych stanach USA proces wydobycia gazu i ropy naftowej doprowadził do gwałtownego wzrostu sejsmiczności (Rys 1).

Podobne zjawiska mają też miejsce w Europie. Przykładem może tu być okręg Groningen w Holandii. W okręgu tym wydobywa się najwięcej gazu ziemnego w Europie. Jego eksploatacja rozpoczęła się w 1963 roku. Do tej pory wydobyto ok 75% dostępnego tam gazu. Skutkiem tych procesów było pojawienie się sejsmiczności w tym uprzednio praktycznie asejsmicznym rejonie. Pierwsze wstrząsy zaobserwowano w 1986 roku. Aktywność sejsmiczna osiągnęła tam maksimum w 2013 roku, kiedy to wystąpiło trzęsienie ziemi o amplitudzie 3.6.

Składowanie podziemne dwutlenku węgla i gazu

Podobny efekt może wywoływać modne obecnie składowanie dwutlenku węgla pod powierzchnią ziemi. Aby tego dokonać trzeba w skale nawiercić dziury, co skutecznie zmienia równowagę skały. Jednak większym zagrożeniem jest zmiana ciśnienia gazów (cieczy) znajdujących się w porach skały (pore prssure) będącego efektem wprowadzenia dwutlenku węgla. Znów może to powodować powstawanie dodatkowych naprężeń.  Proces relaksacji naprężeń prowadzić może do pojawienia się trzęsień ziemi.

Co więcej, ponieważ dwutlenek węgla wtłacza się na znaczne głębokości to powstające tam pole naprężeń może aktywować uśpione uskoki tektoniczne.  W związku z tym wybierając miejsca na składowiska CO2 należy unikać miejsc, gdzie są duże uskoki. Niestety stosując znane nam obecnie metody geofizyczne możemy wykryć tylko te duże uskoki. Te małe, kilkukilometrowe pozostają niewykryte, one właśnie mogą być aktywowane przez składowanie CO2.

Takie zjawiska obserwowano już w Kanadzie i USA. (Mark D. Zoback and Steven M. Gorelick). Uskoki te na szczęście nie są duże, więc nie zaobserwowano ofiar ani dużych zniszczeń, jednakże takie antropomorficzne trzęsienia ziemi mogą prowadzić do rozszczelnienia skał, w których gromadzony jest CO2 co w rezultacie może prowadzić do ucieczki CO2 i takie składowisko przestaje pełnić swoją funkcje.  

Największe trzęsienie ziemi związane z podziemnym składowaniem gazu miało miejsce w Portugalii 4 października 2013 roku, gdzie odnotowano wstrząsy o amplitudzie 4.3. Ciekawym pomysłem jest gromadzenie dwutlenku węgla w miejscach, z których uprzednio wybrano surowce naturalne. W miejscach takich pojawiają sią bowiem groźne naprężenie. Wtłaczanie CO2 powoduje efekt przeciwny przywracając naturalną równowagę skały, co zapobiega występowaniu antropomorficznych trzęsień ziemi. 

Wykorzystanie źródeł geotermalnych

Innym źródłem trzęsień ziemi może być wykorzystanie źródeł geotermalnych do celów grzewczych lub energetycznych. Nie chodzi tu o wykorzystywanie wody wypływającej naturalnie np. z gejzerów, tylko o często stosowaną hydrauliczną stymulacje. Otóż tak jak w przypadku wydobycia gazu łupkowego symulacja hydrauliczna polega na wtłoczeniu w głębokie warstwy skały wody, aby doprowadzić do powstania dodatkowych szczelin w skale albo by podwyższyć jej ciśnienie, aby mogła, tak jak w układzie centralnego ogrzewania, wypływać na zewnątrz.

Oczywiście, tak jak w poprzednich przypadkach relaksacja dodatkowych naprężeń w skale objawia się trzęsieniami ziemi. Takie zjawisko miało miejsce w Basel w Szwajcarii. W miejscowości tej w ramach konstruowania elektrowni geotermalnej wywiercono szyb o głębokości 5 km przez który wtłoczono do wnętrza skał 11 500 m3 wody. W czasie wtłaczania wody zanotowano tysiące wstrząsów sejsmicznych. Największe trzęsienie ziemi miało amplitudę 2.6, co spowodowało decyzję o przerwaniu procesu wtłaczania wody. Jednakże przerwanie procesu wpompowywania wody nie przerwało występowania sejsmiczności. Przez pewien czas rosła nawet. Największe trzęsienie miało amplitudę 4.7 i spowodowało znaczne straty materialne. Opisywane wydarzenia doprowadziły ostatecznie do zamknięcia inwestycji.

Zapory i sztuczne zbiorniki wodne

Omawiając kwestie indukowanej sejsmiczności nie możemy oczywiście zapomnieć o kwestii tam i innych sztucznych zbiorników wodnych. W tym przypadku naprężenia powstają zarówno podczas budowy tamy, jak i podczas jej napełniania wodą. W tym przypadku aktywność sejsmiczna rośnie stopniowo wraz z procesem napełniania. Maksymalne wstrząsy następują najczęściej kilka miesięcy lub kilka lat od osiągnięcia wypełnienia tamy. Potem jednak następuje stopniowy zanik.

Istnieje jednak sytuacja, w której aktywność sejsmiczna nie zanika całkowicie po wypełnieniu tamy. Tak najczęściej dzieje się, jeśli poziom wody w zbiorniku jest zmienny. W wyniku tego naprężenia w skale również zmieniają się periodycznie, czego skutkiem jest występująca periodycznie aktywność sejsmiczna.

Po raz pierwszy związek między aktywnością sejsmiczną udokumentowano w przypadku jeziora Mead w latach 1939-1940. Jezioro Mead jest to sztuczny zbiornik wodny na pograniczu stanów Newada i Arizona. Największe trzęsienie ziemi tego typu miało miejsce w 1967 w Koynanagar w Indiach. Jego amplituda wyniosła 6.3. W wyniku tego śmierć poniosło 180 osób a ponad 1800 zostało rannych.

Innym przypadkiem katastrofy wywołanej przez wstrząsy antropogeniczne był wypadek mający miejsce w 1963 roku we Włoszech. Feralna tama nosi nazwę Vaiont Dam. Podczas jej konstrukcji nastąpiła wzmożona aktywność sejsmiczna w rejonie. Skutkiem tego olbrzymia masa ziemi z pobliskich wzgórz osunęła się do zbiornika tamy. W efekcie olbrzymia masa błota przelała się przez tamę powodując śmierć ponad 1800 osób. Ta katastrofa jest przykładem zlekceważenia znaków ostrzegawczych wysyłanych przez naturę, gdyż symptomy zbliżającej się katastrofy można było wykryć co najmniej trzy lata wcześniej. Należy podkreślić, że zwłaszcza w rejonach aktywnych sejsmicznie nie zawsze można jednoznacznie rozstrzygnąć czy dane trzęsienie ziemi ma pochodzenie naturalne czy antropogeniczne.

Rozkład geograficzny

Jeśli przeanalizuje się mapę świata pod względem zjawisk indukcyjności indukowanej można stwierdzić, że obecnie tego typu zjawiska występują na wszystkich kontynentach, lecz bardzo nierównomiernie. Stosunkowo najwięcej takich zjawisk ma miejsce w Europie i Ameryce Północnej. Stosunkowo najmniej jest ich w Ameryce Południowej. Jeśli wierzyć źródłom Chile, gdzie występują najsilniejsze naturalne trzęsienia ziemi jest wolne od trzęsień indukowanych. Jak nietrudno się domyśleć rejony o większym uprzemysłowieniu są bardziej zagrożone niż tereny słabo rozwinięte.

Eksplozje atomowe

Ostatnią kategorią trzęsień ziemi wywoływanych działalnością człowieka są eksplozje atomowe dokonywane w podziemiach. Przodownikiem w produkcji tego typu wstrząsów sejsmicznych jest obecnie Korea Północna.

Konsekwencje

Tak jak wynika z przytoczonych przykładów, sejsmiczność antropogeniczna ma poważne konsekwencje zarówno społeczne jak i gospodarcze. Po pierwsze, mogą one powodować uszkodzenia budynków w okolicy oraz ofiary śmiertelne. Wystąpienie takich zjawisk powoduje zazwyczaj reakcje społeczeństwa. Przy czym siła tych reakcji zależy od kilku czynników. Najbardziej oczywisty jest to czynnik związany z gęstością populacji. Jeśli tereny, na których pojawia się aktywność sejsmiczna są niezaludnione to najprawdopodobniej nikt ich nie zauważy. Przy czym nikt oznaczać może nie tylko ludność, ale też naukowców. Ponieważ aby wstrząs został wykryty musi istnieć sieć monitoringu sejsmicznego.

Zagrożenia wywoływane sejsmicznością antropogeniczną są w Europie większe ze względu na 10 krotnie większą gęstość ludności, jak również na fakt występowania większej ilości starych budynków. Drugim czynnikiem jest kwestia przyzwyczajenia ludności. W przypadku regionów o długoletniej tradycji aktywności górniczej ludność jest bardziej przyzwyczajona niż w przypadku rejonów, gdzie ludzie takiej aktywności nie prowadzą. Różnica w podejściu do tego typu kwestii wystąpi też w rejonach, gdzie występuje naturalna aktywność sejsmiczna i w tych, gdzie takich zjawisk nie ma. Dodatkowo rejony o naturalnej aktywności sejsmicznej z natury swojej są lepiej przygotowane do aktywności sztucznej. Jedną z ważniejszych reakcji są te o charakterze administracyjnym jakie mogą być podjęte wskutek pojawienia się indukowanych trzęsień ziemi – jest to zazwyczaj nakaz ograniczenia lub zaprzestania działalności wydobywczej. Tak było np. w stanie Oklahoma. Wskutek pojawienia się trzęsień ziemi (ok. 900 wstrząsów rocznie) władze stanowe doprowadziły do ograniczenia działalności wydobywczej o 40%.

Inną rekcją na wzrastające zagrożenie sejsmicznością indukowaną jest wprowadzenie wymogu, aby firmy prowadzące działalność wydobywczą prowadziły monitoring sejsmiczny terenów, na których działają. Taki obowiązek wprowadziły już Włochy, Holandia i Szwajcaria.

Zbigniew Wiśniewski, Europejska Uczelnia w Warszawie

 

Literatura

Mark D. Zobacka, and Steven M. Gorelick „Earthquake triggering and large-scale geologic storage of carbon dioxide” www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1202473109

Francesco Grigoli   at. al. „Current challenges in monitoring, discrimination, andmanagement of induced seismicity related to underground industrial activities: A European perspective” Reviews of Geophysics 10.1002/2016RG000542

Pradeep Talwani „On the Nature of Reservoir-induced Seismicity” Pure appl. geophys. 150 (1997) 473–492