Los terremotos provocados por el hombre, o sismicidad inducida, se han convertido en una preocupación cada vez mayor. Estos eventos pueden ocurrir durante la inyección o extracción de fluidos, como en yacimientos de petróleo o gas, eliminación de aguas residuales o yacimientos geotérmicos.
por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes
En unos pocos casos, los “terremotos inducidos fuera de control” más grandes fueron lo suficientemente fuertes como para causar preocupación pública y detener proyectos (por ejemplo, 2006 Basilea/Suiza) o incluso daños sustanciales (2017 Pohang/Corea del Sur). Sin embargo, una intensa investigación ha dado como resultado intentos exitosos de evitar tales eventos desbocados, como en el proyecto geotérmico de Helsinki en 2018. La clave para evitar sistemáticamente grandes terremotos inducidos es comprender mejor los procesos físicos subyacentes.
En un nuevo estudio publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias , el Dr. Lei Wang y sus colegas de la Sección “Geomecánica y Perforación Científica” de GFZ, junto con investigadores de la Universidad de Oslo, Noruega, informan que la rugosidad de la superficie pre -Las fallas existentes y la heterogeneidad de tensiones asociada en los yacimientos geológicos desempeñan un papel clave en la causa de tales eventos desbocados.
El estudio combina nuevos experimentos de inyección de fluidos bajo control acústico realizados en el laboratorio geomecánico de GFZ con resultados de modelización numérica.
“Descubrimos que las fallas rugosas y lisas en las rocas se comportaban de manera completamente diferente durante nuestros experimentos de laboratorio. Esta es una observación interesante, ya que evidenciamos la localización progresiva de la actividad microsísmica que indica la transferencia de tensiones antes de grandes eventos inducidos durante la inyección de fluido “, dice el primer autor, el Dr. .Wang quien diseñó y realizó los experimentos y el modelado.
La sismicidad inducida por inyección en el laboratorio destaca el importante papel de la rugosidad de la falla
La rugosidad de las fallas activas y las fracturas a lo largo de fallas tectónicas, así como de las fallas preexistentes pero inactivas en yacimientos geológicos, son difíciles de caracterizar. Para superar la resolución insuficiente al obtener imágenes o monitorear tales fallas en la naturaleza, el grupo de investigación redujo el tamaño a la escala de decímetros preparando fallas de laboratorio con una rugosidad superficial definida. Luego se presurizaron hasta estados de tensión casi críticos utilizando un aparato de compresión triaxial MTS.
Las muestras de roca también estaban equipadas con múltiples sensores, incluidos sismómetros de laboratorio piezoeléctricos, para monitorear miles de pequeños terremotos, las llamadas emisiones acústicas, que indican la deformación dentro de las rocas presurizadas antes de que se rompan. Luego se realizó una inyección de fluido en las muestras, simulando la inyección de fluido en yacimientos geológicos.
“El control de las condiciones límite y el uso de una densa red de monitoreo en el laboratorio nos permitió obtener imágenes de la evolución de los terremotos inducidos en el laboratorio, así como de la deformación sísmica lenta, y derivar parámetros clave como el deslizamiento de fallas y la tasa de deslizamiento, proporcionando una imagen completa para comprender mejor el física de la sismicidad inducida por inyección”, afirma Georg Dresen, profesor de la sección Geomecánica y Perforación Científica del GFZ, quien supervisó e inició el estudio.
En comparación con las fallas suaves, el deslizamiento inducido por inyección en fallas rugosas produce grupos de emisiones acústicas espacialmente localizados que ocurren alrededor de asperezas altamente estresadas. Es allí donde las tasas de deslizamiento local inducido son mayores, acompañadas de un número relativamente mayor de eventos grandes.
Este mecanismo normalmente se mide en el “valor b de Gutenberg-Richter” como medida de estrés. La inyección de fluido primero reactiva los parches de falla a través de un lento deslizamiento asísmico y causa solo unos pocos eventos sísmicos pequeños, seguidos de una localización progresiva, que finalmente conduce a grandes eventos inducidos.
“Este estudio tiene implicaciones importantes para los terremotos inducidos: significa que al monitorear las inyecciones de fluidos en yacimientos geológicos en tiempo real, esto puede permitir identificar dichos procesos de localización antes de la nucleación de eventos inducidos más grandes, lo que permitirá evitarlos”, dice el profesor Marco Bohnhoff. , jefe de la sección Geomecánica y Perforación Científica de GFZ.
Las similitudes entre la sismicidad inducida a escala de laboratorio y a escala de campo
Para investigar más a fondo la relevancia de los experimentos de laboratorio para terremotos en yacimientos geológicos, los autores compilaron una amplia gama de conjuntos de datos de sismicidad inducida que estudian la energía emitida en función de la energía hidráulica a partir de experimentos de inyección de fluidos in situ y a escala de laboratorio, así como así como de la fracturación hidráulica a escala de yacimiento, de proyectos geotérmicos y de eliminación de aguas residuales en todo el mundo.
El valor de la eficiencia de la inyección sísmica (es decir, la relación entre la energía emitida en los terremotos y la energía hidráulica que se introduce en el sistema mediante la inyección de fluido) separa las rupturas controladas por presión de las rupturas desbocadas. En contraste con los eventos desbocados con altas eficiencias de inyección sísmica, la sismicidad inducida que muestra una ruptura prolongada controlada por presión generalmente muestra una eficiencia de inyección sísmica mucho menor.
El Dr. Wang enfatiza que “nuestras observaciones de laboratorio tienen similitudes con aquellos terremotos inducidos a escala de campo correspondientes a rupturas controladas por presión, como lo refleja el hecho de que en nuestros experimentos, el deslizamiento inducido por la falla termina poco después de que detenemos la inyección de fluido”.
El objetivo es, en última instancia, controlar y evitar grandes terremotos inducidos.
El estudio forma parte de una iniciativa de investigación iniciada recientemente que tiene como objetivo pronosticar mejor los terremotos inducidos en yacimientos geológicos y, en última instancia, también los grandes terremotos naturales catastróficos. Parte de esta iniciativa es llevar los procesos de la escala de campo al laboratorio, donde se pueden controlar los parámetros límite y se pueden reproducir los procesos que conducen a eventos sísmicos.
Marco Bohnhoff concluye: “Sólo los nuevos enfoques de procesamiento de datos y la adaptación de los métodos sismológicos clásicos para el análisis de terremotos, ahora también en el laboratorio, forman la base para comprender con mayor detalle los procesos de deformación de las rocas”.
“Estudios como el que ahora publican Wang y sus coautores albergan el potencial de mitigar los peligros sísmicos provocados por el hombre, lo cual es una condición previa para alcanzar la aceptación pública cuando se utiliza el subsuelo geológico para el almacenamiento y extracción de energía como elemento clave. de la transición energética.”
Más información: Lei Wang et al, La rugosidad de las fallas controla la sismicidad inducida por inyección, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI: 10.1073/pnas.2310039121
