Quando gli esseri umani pompano grandi volumi di fluido nel terreno, possono scatenare terremoti potenzialmente dannosi, a seconda della geologia sottostante. Ciò è avvenuto in alcune regioni produttrici di petrolio e gas, dove le acque reflue, spesso mescolato con olio, viene smaltito iniettandolo nuovamente nel terreno, un processo che ha innescato notevoli eventi sismici negli ultimi anni.

Ora i ricercatori del MIT, lavorare con un team interdisciplinare di scienziati dell'industria e del mondo accademico, hanno sviluppato un metodo per gestire tale sismicità indotta dall'uomo, e hanno dimostrato che la tecnica ha ridotto con successo il numero di terremoti che si verificano in un giacimento petrolifero attivo.

I loro risultati, che appare oggi in Natura , potrebbe aiutare a mitigare i terremoti causati dall'industria petrolifera e del gas, non solo dall'iniezione di acque reflue prodotte con olio, ma anche quello prodotto dalla fratturazione idraulica, o "fracking". L'approccio del team potrebbe anche aiutare a prevenire i terremoti da altre attività umane, come il riempimento di bacini idrici e falde acquifere, e il sequestro dell'anidride carbonica nelle formazioni geologiche profonde.

"La sismicità innescata è un problema che va ben oltre la produzione di petrolio, ", afferma l'autore principale dello studio Bradford Hager, il Cecil e Ida Green Professore di Scienze della Terra nel Dipartimento della Terra del MIT, Scienze dell'atmosfera e planetarie. "Questo è un enorme problema per la società che dovrà essere affrontato se vogliamo iniettare in sicurezza l'anidride carbonica nel sottosuolo. Abbiamo dimostrato il tipo di studio che sarà necessario per farlo".

I coautori dello studio includono Ruben Juanes, professore di ingegneria civile e ambientale al MIT, e collaboratori dell'Università della California a Riverside, l'Università del Texas ad Austin, Università di Harvard, ed Eni, una multinazionale del petrolio e del gas con sede in Italia.

Iniezioni sicure

Sia i terremoti naturali che quelli indotti dall'uomo si verificano lungo le faglie geologiche, o fratture tra due blocchi di roccia nella crosta terrestre. In periodi stabili, le rocce su entrambi i lati di una faglia sono tenute in posizione dalle pressioni generate dalle rocce circostanti. Ma quando un grande volume di fluido viene improvvisamente iniettato a velocità elevate, può alterare l'equilibrio dello stress dei fluidi di un guasto. In alcuni casi, questa iniezione improvvisa può lubrificare una faglia e far scivolare le rocce su entrambi i lati e innescare un terremoto.

La fonte più comune di tali iniezioni di fluidi proviene dallo smaltimento delle acque reflue da parte dell'industria petrolifera e del gas che vengono allevate insieme al petrolio. Gli operatori sul campo smaltiscono quest'acqua attraverso pozzi di iniezione che pompano continuamente l'acqua nel terreno ad alta pressione.

"C'è molta acqua prodotta con l'olio, e che l'acqua viene iniettata nel terreno, che ha causato un gran numero di terremoti, " Hager osserva. "Quindi, per un po, le regioni produttrici di petrolio in Oklahoma hanno avuto più terremoti di magnitudo 3 rispetto alla California, a causa di tutte queste acque reflue che venivano iniettate."

Negli ultimi anni, un problema simile è sorto nel sud Italia, dove pozzi di iniezione su giacimenti petroliferi gestiti da Eni hanno innescato microsismi in un'area dove in precedenza si erano verificati grandi terremoti naturali. L'azienda, cercando modi per affrontare il problema, cercò consolazione da Hager e Juanes, entrambi massimi esperti in sismicità e flussi sotterranei.

"Questa è stata un'opportunità per noi di avere accesso a dati sismici di alta qualità sul sottosuolo, e impara come fare queste iniezioni in modo sicuro, " dice Juanes.

Progetto sismico

Il team ha utilizzato informazioni dettagliate, accumulato dalla compagnia petrolifera in anni di attività nel giacimento della Val D'Agri, una regione dell'Italia meridionale che si trova in un bacino tettonicamente attivo. I dati includevano informazioni sul record di terremoti della regione, risalente al 1600, così come la struttura delle rocce e delle faglie, e lo stato del sottosuolo corrispondente alle diverse velocità di iniezione di ciascun pozzo.

I ricercatori hanno integrato questi dati in un flusso sotterraneo accoppiato e un modello geomeccanico, che predice come le sollecitazioni e le deformazioni delle strutture sotterranee evolvono come il volume del fluido dei pori, come dall'iniezione di acqua, i cambiamenti. Hanno collegato questo modello a un modello di meccanica dei terremoti per tradurre i cambiamenti nella sollecitazione sotterranea e nella pressione del fluido in una probabilità di innescare terremoti. Hanno quindi quantificato il tasso di terremoti associati a vari tassi di iniezione d'acqua, e identificato scenari che difficilmente avrebbero innescato grandi terremoti.

Quando hanno eseguito i modelli utilizzando i dati dal 1993 al 2016, le previsioni dell'attività sismica coincidevano con il record di terremoto durante questo periodo, convalidare il loro approccio. Hanno quindi fatto avanzare i modelli nel tempo, fino al 2025, prevedere la risposta sismica della regione a tre diverse velocità di iniezione:2, 000, 2, 500, e 3, 000 metri cubi al giorno. Le simulazioni hanno mostrato che i grandi terremoti potrebbero essere evitati se gli operatori mantenessero i tassi di iniezione a 2, 000 metri cubi al giorno, una portata paragonabile a un piccolo idrante pubblico.

Gli operatori del giacimento Eni hanno implementato la tariffa raccomandata dal team al singolo pozzo di iniezione di acqua del giacimento in un periodo di 30 mesi tra gennaio 2017 e giugno 2019. In questo periodo, il team ha osservato solo pochi piccoli eventi sismici, che ha coinciso con brevi periodi in cui gli operatori hanno superato la velocità di iniezione raccomandata.

"La sismicità nella regione è stata molto bassa in questi due anni e mezzo, con circa quattro terremoti di magnitudo 0,5, al contrario di centinaia di terremoti, fino a 3 magnitudo, che stavano accadendo tra il 2006 e il 2016, "dice Hager.

I risultati dimostrano che gli operatori possono gestire con successo i terremoti regolando i tassi di iniezione, in base alla geologia sottostante. Juanes afferma che l'approccio di modellazione del team può aiutare a prevenire i terremoti legati ad altri processi, come la costruzione di serbatoi d'acqua e il sequestro dell'anidride carbonica, purché vi siano informazioni dettagliate sul sottosuolo di una regione.

"È necessario un grande sforzo per comprendere l'ambiente geologico, "dice Juanes, chi nota che, se il sequestro del carbonio fosse effettuato su giacimenti petroliferi esauriti, "tali serbatoi potrebbero avere questo tipo di storia, informazioni sismiche, e l'interpretazione geologica che potresti usare per costruire modelli simili per il sequestro del carbonio. Mostriamo che è almeno possibile gestire la sismicità in un contesto operativo. E offriamo un progetto su come farlo".

Questa ricerca è stata sostenuta, in parte, di Eni.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.