Natural and Induced Seismicity in the Lake Erie-Lake Ontario Region: Reactivation of Ancient Faults with Little Neotectonic Displacement Sismicité naturelle et provoquée dans la région des lacs Érié et Ontario : réactivation d’anciennes failles avec décalage néotectonique peu important Natürliches und induziertes Auftreten von Erdbeben im Eriesee-Ontahosee-Gebiet: Rekativierung alter Verwerfungen mit geringer neotektonischer Verstellung

ABSTRACT

The two most prominent seismic zones in the Lake Erie-Lake Ontario region are associated with the Akron magnetic lineament and with the Clarendon-Linden fault. Both these features are recognized from geophysical data as regional basement structures related to the Grenville collisional orogen. Neotectonic displacement is not geologically evident, although Paleozoic reactivation is manifested by the Clarendon-Linden fault. We have sharpened the definition of seismic zones in the region by introducing newly discovered events, improving constraints on locations and size for many others, and omitting unreliable ones. This seismicity tends to occur on old faults with minor neotectonic displacements. Related conclusions are: 1) neotectonic surface displacement is not necessary for fault capability, 2) seismogenic faults may have geological and/or geophysical expressions, and 3) a stationary moment release at the historic level requires more capable faults than the ones active during the historic period. Waste fluid injection, oil recovery, and salt-brine recovery have been implicated in cases of induced seismicity in the study area and might have contributed a significant portion of the known earthquakes. Fluid is being injected into the basal platform formation at a depth of 1.8 km near Ashtabula, Ohio. In July 1987, about a year after the onset of injection, a mbLg=3.8 main shock occurred within a 60 km wide area with no known prior seismicity. Aftershocks detected by a short-term local seismic network define a vertical left-lateral fault in the basement just below the platform rocks as close as 700 m from the injection well, probably a reactivated pre-existing fault. Subsequent seismicity suggests a westward migration by 5-10 km, possibly along the same fault.

RÉSUMÉ

Les deux principales zones sismiques de la région sont associées au linéament magnétique d'Akron et à la faille de Clarendon-Linden. Selon les données géophysiques, ces deux éléments sont reconnus comme étant des structures régionales du socle reliés à l'orogenèse de Grenville. On a précisé la détermination des zones sismiques dans la région en ajoutant les séismes découverts récemment, en précisant les lieux et les dimensions d'autres séismes et en éliminant ceux qui sont mal connus. La sismicité tend à se manifester dans d'anciennes failles avec peu de décalage néotectonique. On en conclut que 1) le décalage néotectonique superficiel ne met pas en cause la compétence d'une faille; 2) les failles d'origine sismique peuvent avoir des manifestations géologiques ou géophysiques; 3) un relâchement momentané localisé survenant au cours de la période historique requiert plus de compétence qu'en ont les failles actives au cours de cette période. L'injection de liquide, la récupération de pétrole ou de sel ont été impliquées dans les cas de sismicité provoquée dans la région et ont probablement causé une bonne partie des séismes connus. Près d'Ashtabula, en Ohio, on a injecté des liquides à une profondeur de 1,8 km à la base de la plate-forme. En juillet 1987, environ un an après le début des injections, un séisme de mbLg= 3,8 s'est produit dans une aire de 60 km de superficie apparamment non sismique. Les répliques enregistrées par un réseau temporaire ont laissé voir une faille verticale à décrochement sénestre, immédiatement sous la plate-forme rocheuse, à près de 700 m du puits d'injection; il s'agit probablement d'une faille réactivée. Par la suite, la sismicité indique une migration de 5 à 10 km, probablement le long de la même faille.

ZUSAMMENFASSUNG

Die zwei hauptsàchlichen seismischen Zonen in der Eriesee-Ontariosee-Region werden mit dem magnetischen Lineament von Akron in Verbindung gebracht. Mittels geophysikalischer Daten erkennt man in diesen Bildungen régionale Untergrundstrukturen, die mit der Kollisions-Orogenese von Grenville verbunden sind. Wir haben die Definition der seismischen Zonen in dem Gebiet pràzisiert, indem wir kùrzlich entdeckte Erdbeben ergànzt und fur viele andere die Definition der Ort und GroRe betreffenden Zwànge verbessert haben, und die Unzuverlàssigen weggelassen haben. Dièse Erdbeben haben die Tendenz, auf alten Verwerfungen mit geringen neotektonischen Verstellungen aufzutreten. Hieraus kann man schlieBen: 1) neotektonische Oberflàchenverstellung ist keine Bedingung fur Verwerfungsfâhigkeit, 2) durch Erdbeben entstandene Verwerfungen kônnen sich geologisch und/oder geophysikalisch ausdrùcken und 3) eine ortsgebundene momentané Entlastung auf historischer Ebene erfor-dert mehr fàhige Verwerfungen als die, welche wàhrend der historischen Période aktiv waren, In den Fallen von induziertem Auftreten von Erdbeben im untersuchten Gebiet waren Zufùhrung von Flùssigkeit und ôl- und Salzgewinnung beteiligt, und sie haben wohl einen bedeutenden Anteil der bekannten Erdbeben hervorgerufen. Bei Ashtabula, Ohio, hat man in einer Tiefe von 1.8 km Flùssigkeit an der Basis der Plattformbildung eingespritzt. Im JuIi 1987, etwa ein Jahr nach Beginn der Ein-spritzungen, kam es zu einem neuen gewi-chtigen Beben von mbM) = 3.8 innerhalb eines 60 km breiten Gebiets, in dem vorher kein Erdbeben bekannt war. Nach beben, die von einem kurzfristigen ôrtlichen Erdbeben-Netzwerk registriert wurden, ergeben eine vertikale linksseitige Verwerfung im Untergrund unter der Felsenplattform, etwa 700 m vom Einspritzungsbohrloch entfernt; es handelt sich moglicherweise um eine reaktivierte, schon existierende Verwerfung. Darauffolgende Erdbeben weisen auf eine Wanderung westwàrts von 5-10 km, moglicherweise Iangs derselben Verwerfung.