La mappa USGS evidenzia le zone a rischio sismico. I riquadri blu indicano le aree ad alta attività di terremoto causato dall'uomo a causa dell'iniezione di fluidi in profondità. Credito:USGS
Utilizzando i dati degli esperimenti sul campo e la modellazione dei guasti a terra, i ricercatori della Tufts University hanno scoperto che la pratica dell'iniezione di fluidi sotterranei utilizzata nel "fracking" e nello smaltimento delle acque reflue per l'esplorazione di petrolio e gas potrebbe causare attività sismica in rapida diffusione oltre la zona di diffusione dei fluidi. È noto che le iniezioni di fluidi profonde, più profonde di un chilometro, sono associate a una maggiore attività sismica, spesso ritenuta limitata alle aree di diffusione dei fluidi. Eppure lo studio, pubblicato oggi sulla rivista Scienza , verifica e supporta fermamente l'ipotesi che le iniezioni di fluidi stiano causando terremoti potenzialmente dannosi più lontano dal lento scorrimento delle reti di frattura delle faglie preesistenti, in stile domino.
I risultati spiegano l'osservazione che la frequenza dei terremoti provocati dall'uomo in alcune regioni del paese supera i punti caldi dei terremoti naturali.
Lo studio rappresenta anche una prova di concetto nello sviluppo e nel test di modelli più accurati di comportamento dei guasti utilizzando esperimenti reali sul campo. Gran parte delle nostre attuali conoscenze sulla fisica delle faglie geologiche deriva da esperimenti di laboratorio condotti su scale di lunghezza del campione di un metro o meno. Però, i terremoti e la rottura delle faglie si verificano su scale molto più grandi. Le osservazioni della rottura della faglia su queste scale più ampie sono attualmente effettuate a distanza e forniscono scarse stime dei parametri fisici del comportamento delle faglie che verrebbero utilizzate per sviluppare un modello degli effetti provocati dall'uomo. Più recentemente, la comunità scientifica dei terremoti ha investito risorse in esperimenti di iniezione su scala di campo per colmare il divario di scala e comprendere il comportamento delle faglie nel suo habitat naturale.
I ricercatori hanno utilizzato i dati di queste iniezioni sperimentali sul campo, precedentemente condotto in Francia e guidato da un team di ricercatori con sede presso l'Università di Aix-Marseille e l'Università di Nizza Sophia-Antipolis. Gli esperimenti hanno misurato la pressurizzazione e lo spostamento del guasto, slippage e altri parametri che vengono inseriti nel modello fault-slip utilizzato nel presente studio. L'analisi dei ricercatori di Tufts fornisce l'inferenza più solida fino ad oggi secondo cui lo slittamento attivato dai fluidi nelle faglie può superare rapidamente la diffusione del fluido nel sottosuolo.
L'iniezione di acque reflue chilometri sotto terra porta a una regione di fluido poroso pressurizzato nella roccia (regione ombreggiata in blu). Gli autori dello studio scoprono che tale iniezione può indurre la lenta rottura di faglie (linee nere spesse) che si propagano più velocemente di quanto il fluido possa migrare. La perturbazione dello stress da questo slittamento di faglia può essere la causa principale di una nuvola di sismicità in espansione (cerchi grigi), spesso osservato sul campo. Sottili linee nere indicano preesistente, ma guasti non ancora attivati. Credito:Rob Viesca &Pathikrit Bahattacharya, Tufts University
"Un vincolo importante nello sviluppo di modelli numerici affidabili di pericolosità sismica è la mancanza di osservazioni del comportamento della faglia nel suo habitat naturale, " disse Pathikrit Bhattacharya, un ex post-doc nel dipartimento di ingegneria civile e ambientale presso la School of Engineering della Tufts University e autore principale dello studio. "Questi risultati dimostrano che, quando disponibile, tali osservazioni possono fornire una visione notevole del comportamento meccanico dei guasti e costringerci a ripensare al loro potenziale di rischio". Bhattacharya è ora assistente professore presso la Scuola della Terra, Scienze oceaniche e climatiche presso l'Indian Institute of Technology di Bhubaneswar, India.
Il pericolo rappresentato dai terremoti indotti dai fluidi è motivo di crescente preoccupazione per l'opinione pubblica negli Stati Uniti. L'effetto del terremoto artificiale è considerato responsabile di aver reso l'Oklahoma, una regione molto attiva nell'esplorazione di petrolio e gas, la regione sismica più produttiva del paese, compresa la California. "È straordinario che oggi abbiamo regioni di attività sismica provocata dall'uomo che superano il livello di attività in punti caldi naturali come la California meridionale, " ha detto Robert C. Viesca, professore associato di ingegneria civile e ambientale presso la Scuola di Ingegneria della Tufts University, co-autore dello studio e supervisore post-dottorato di Bhattacharya. "I nostri risultati forniscono la convalida per le sospette conseguenze dell'iniezione di fluido in profondità nel sottosuolo, e uno strumento importante per valutare la migrazione e il rischio di terremoti indotti nella futura esplorazione di petrolio e gas".
La maggior parte dei terremoti indotti dal fracking sono troppo piccoli, 3.0 sulla scala Richter, per essere un problema di sicurezza o di danni. Però, la pratica dell'iniezione profonda dei prodotti di scarto di queste esplorazioni può interessare faglie più profonde e più grandi che sono sotto stress e suscettibili di scorrimento indotto dai fluidi. L'iniezione di acque reflue in pozzi profondi (superiori a un chilometro) può causare terremoti abbastanza grandi da essere avvertiti e causare danni.
Secondo il Servizio Geologico degli Stati Uniti, il più grande terremoto indotto dall'iniezione di fluidi e documentato nella letteratura scientifica è stato un terremoto di magnitudo 5,8 nel settembre 2016 nell'Oklahoma centrale. Altri quattro terremoti superiori a 5,0 si sono verificati in Oklahoma a causa dell'iniezione di fluido, e terremoti di magnitudo compresa tra 4.5 e 5.0 sono stati indotti dall'iniezione di fluido in Arkansas, Colorado, Kansas e Texas.
