The Effect of Gas Migration From Deep Geological Formations Into Mine Workings During the Evolution of Mining-Induced Seismicity

Diep onder het aardoppervlak is de grond zelden onbeweeglijk. Zelfs op plaatsen waar niemand graaft, staat de korst van de planeet onder enorme druk, samengeperst door tektonische krachten die al miljoenen jaren opbouwen. In veel regio's is deze druk zo groot dat het gesteente al op de rand van breken staat, een toestand die wetenschappers "kritisch gespannen" noemen. Het is als een zware boekenkast die perfect in evenwicht is, maar klaar is om in te storten als er zelfs maar één boek wordt toegevoegd. Wanneer mensen kolen gaan mijnen, verwijderen ze enorme hoeveelheden gesteente, wat de balans van de krachten in de grond verandert. Deze verstoring creëert een nieuw soort druk, een die de rots kan doen verschuiven en breken. Hoewel we weten dat mijnbouw gas vrijlaat uit de kolenlagen die worden uitgegraven, stelt een nieuwe onderzoeksvraag een verbazingwekkende vraag: zou de schok en het kraken veroorzaakt door de mijnbouw zo diep kunnen reiken dat het gas van kilometers diep naar boven trekt, ver voorbij het bereik van enige schep of boor?

Een team onderzoekers uit Rusland en China heeft een mechanisme voorgesteld om te verklaren waarom sommige mijnen plotselinge, enorme uitbarstingen van methaangas ervaren die niet verklaard kunnen worden door de kolen die worden gedolven. In hun studie suggereren zij dat naarmate de mijnbouwactiviteiten uitbreiden, de zone van spanning en breuk niet stopt bij de bodem van de put. In plaats daarvan duwt deze omlaag, waardoor diepe lagen van de aarde die voorheen rustig waren, worden geactiveerd. Dit proces creëert, zo stellen de onderzoekers, een netwerk van barsten dat fungeert als een snelweg, waardoor methaan dat gevangen zit in diepe geologische formaties naar boven kan migreren in de mijngangen. De onderzoekers testten dit idee met behulp van computersimulaties en door real-world data te analyseren van een enorme dagbouwmijn in de regio Koedoe-bass (Kuzbass) in Rusland, waarbij zij ontdekten dat het volume aan gas dat vanuit de diepe aarde omhoog beweegt, vergelijkbaar kan zijn met het gas dat vrijkomt uit de kolenlagen zelf.

Om te begrijpen hoe dit gebeurt, moet men eerst kijken naar hoe de grond reageert op mijnbouw. Wanneer een mijn wordt gegraven, wordt de rots boven en rond de ontginning ontlast van zijn gewicht, een proces dat bekend staat als ontlasting (unloading). Deze ontlasting creëert een zone van gebroken gesteente, maar traditionele modellen suggereren dat deze zone slechts enkele honderden meters diep reikt. De onderzoekers wijzen er echter op dat in veel mijnbouwgebieden seismische activiteit — kleine aardbevingen veroorzaakt door menselijke activiteit — wordt gedetecteerd op dieptes van meerdere kilometers, ver onder waar enige mijnbouw plaatsvindt. Deze diepe seismiciteit geeft aan dat de rochtmassa diep onder de grond ook in die kritische, brekende toestand wordt geduwd. Naarmate de mijn groter en dieper wordt, plant de verandering in spanning zich verder naar beneden voort, waarbij steeds diepere lagen gesteente opeenvolgend van een stabiele toestand naar een kritisch gespannen toestand worden omgezet.

Wanneer gesteente deze kritisch gespannen toestand bereikt, ondergaat het een specifieke vorm van vervorming. Het breekt niet alleen één keer en stopt dan; het begint te breken en te verschuiven langs bestaande zwaktes in de grond. Deze breukvorming vergroot de doorlatendheid van het gesteente drastisch, een maatstaf voor hoe gemakkelijk vloeistoffen en gassen erdoorheen kunnen stromen. Stel je een spons voor die strak is samengedrukt en water vasthoudt; als je hem indrukt tot hij barst, kan het water er plotseling uitstromen. Op dezelfde manier, wanneer diepe rotslagen breken, laten ze het methaangas vrij dat al eonen lang in hun poriën gevangen zit. De onderzoekers stellen voor dat deze diepe breukvorming een continu pad creëert waar het gas via kan reizen van dieptes van enkele kilometers helemaal tot aan het oppervlak of in de mijngangen.

Het team testte dit concept met behulp van een computermodel dat de aardkorst onder een mijn simuleerde. Ze verdeelden het ondergrondse gebied in lagen en programmeerden het model om de geleidelijke toename van de mijnbouwactiviteit na te bootsen. Terwijl de simulatie vorderde, observeerden zij dat de rotslagen direct boven een diep methaanreservoir begonnen te breken en meer doorlatend werden. Aanvankelijk bleef het gas gevangen. Maar naarmendig de gesimuleerde mijnbouwspanning diepere lagen bereikte, nam de doorlatendheid van het gesteente aanzienlijk toe, waardoor een kanaal ontstond waar het methaan door kon ontsnappen. De simulatie toonde aan dat zodra het gesteente boven de gasbron voldoende gebroken was, grote volumes methaan naar boven begonnen te stromen, bewegend door de nieuw gevormde barsten richting de mijn en het oppervlak.

Om te zien of deze theorie standhield in de echte wereld, keken de onderzoekers naar de Bachat-dagbouwmijn in de regio Koedoe-bass, een locatie die bekend staat om zijn intense mijnbouw-geïnduceerde seismiciteit. Zij onderzochten de geschiedenis van de aardbevingen die decennialang onder de mijn zijn geregistreerd. De gegevens toonden een duidelijk patroon: de diepte van deze seismische gebeurtenissen is in de loop der tijd gestaag toegenomen. In het begin van de jaren 2000 vonden de aardbevingen plaats op dieptes van één tot drie kilometer. In 2013 werd een significante aardbeving geregistreerd op een diepte van vier kilometer. In 2020 werd seismische activiteit gedetecteerd op een diepte van zes kilometer. Deze progressie suggereert dat de zone van kritisch gespannen gesteente inderdaad dieper naar benzij beweegt, laag voor laag, naarmate de mijnbouwactiviteiten doorgaan.

Met behulp van deze observaties schatten de onderzoekers hoeveel gas er vanuit deze diepe zones zou kunnen migreren. Ze berekenden het volume aan methaan dat beschikbaar is in de rotslagen tot vier kilometer diepte en pasten een factor toe om rekening te houden met hoeveel van dat gas vrijgekomen zou kunnen worden door de breukvorming. Hun berekeningen suggereerden dat de hoeveelheid methaan die potentieel vanuit deze diepe horizonten migreert, honderden miljoenen kubieke meters kan bereiken. Dit cijfer is opmerkelijk omdat het vergelijkbaar is met de totale hoeveelheid gas die vrijkomt uit de kolenlagen die momenteel in de Bachat-locatie worden gedolven. Dit impliceert dat een aanzienlijk deel van het gas dat in de mijn wordt gevonden, mogelijk niet afkomstig is van de kolen die worden gedolven, maar van de diepe aarde die wordt ontsloten door de spanning van de mijnbouw zelf.

De studie raakt ook aan de bredere implicaties van dit fenomeen. Als diepe gasmigratie plaatsvindt, helpt dat te verklaren waarom sommige mijnen plotselinge, gevaarlijke pieken in gasniveaus ervaren die uit het niets lijken te komen. Het suggereert ook dat de risico's die gepaard gaan met mijnbouw niet verdwijnen wanneer een mijn sluit. De breuken die zijn ontstaan door decennia van mijnbouw en de daarmee gepaard gaande seismische activiteit kunnen jarenlang open blijven, waardoor gassen uit de diepe ondergrond blijven kanaliseren lang nadat de laatste schep de put heeft verlaten. Dit kan voortdurende risico's vormen voor het milieu en de volksgezondheid, aangezien gassen zoals methaan en radon in de atmosfeer blijven sijpelen.

De onderzoekers erkennen dat hun werk een simulatie is en een theoretisch kader gebaseerd op beschikbare gegevens, en geen definitief bewijs voor elk detail. Echter, de overeenkomst tussen hun computermodellen, de geobserveerde verdieping van de seismische activiteit en de onverklaarde gasanomalieën in mijnen biedt een dwingend nieuw perspectief. Het daagt de traditionele visie uit dat mijngas alleen komt uit de directe nabijheid van de ontginning. In plaats daarvan schetst het een beeld van een dynamische aarde waar menselijke activiteit een kettingreactie diep onder de grond kan triggeren, waardoor de eigen diepe reservoirs van de planeet worden omgevormd tot een bron van gas die via de barsten die wij hebben gemaakt naar boven stroomt. Dit begrip is cruciaal voor het ontwikkelen van betere veiligheidsmaatregelen en het voorspellen van gasgedrag in enkele van de meest actieve mijnbouwregio's ter wereld.