Carote di roccia del Texas orientale contenenti fratture. Le carote mostrano come le fratture aperte possono ospitare depositi di cemento, che possono fornire indizi sull'ambiente e sul processo di frattura. Credito:Lander et al.
Le fratture sono ovunque.
Sono le crepe nel marciapiede. Le fratture nei tagli stradali. Le texture ragnatele in mattoni e massi. E quelle sono solo le fratture visibili in superficie. Metropolitana, le fratture possono diffondersi attraverso le rocce creando reti complesse che si estendono per chilometri.
Capire come si formano le fratture e dove si trovano sono questioni fondamentali nelle geoscienze con importanti implicazioni per la vita quotidiana. Le fratture influenzano la quantità di petrolio e gas che possono fluire da un giacimento di scisto. Possono controllare dove le acque sotterranee sono abbondanti o difficili da trovare, e se l'anidride carbonica iniettata nel sottosuolo rimarrà ferma o rifluirà nell'atmosfera dove può contribuire al cambiamento climatico.
La maggior parte degli scienziati ha cercato risposte a queste domande attraverso osservazioni del sottosuolo e ricerche basate sulla meccanica. Ma questi approcci non hanno avuto successo nel rispondere anche alle domande di base sulle fratture in profondità, ambienti più caldi. Rispondere a queste domande è fondamentale per fare previsioni più accurate sui modelli di frattura del sottosuolo e prendere decisioni ingegneristiche migliori.
Un gruppo di ricerca guidato dall'Università del Texas ad Austin sta sfidando l'attuale paradigma scientifico sostenendo che la meccanica da sola non è sufficiente. Per fare progressi nella ricerca sulle fratture, gli scienziati devono iniziare a considerare il ruolo della chimica.
Stephen Laubach, il leader del programma di frattura e diagenesi presso l'Università del Texas presso il Bureau of Economic Geology della Austin Jackson School of Geosciences, sorge su uno sperone di roccia calcarea fratturata nel Parco Nazionale del Grand Teton. L'affioramento è un eccellente analogo per i giacimenti di gas sotterranei. Attestazione:Ann Laubach
I ricercatori hanno pubblicato un articolo nell'agosto 2019 sulla rivista Recensioni di Geofisica sostenendo l'adozione di una prospettiva chimica per capire come si sviluppano i modelli di frattura. Per esempio, una ricerca pubblicata di recente mostra che i minerali che rivestono l'interno delle fratture possono registrare importanti prove su quando e perché si formano le fratture. I rivestimenti di cristallo possono anche influenzare il processo di fratturazione stesso. Analisi chimica, sperimentazione, modellazione, e la teoria hanno il potenziale per aumentare la comprensione da parte degli scienziati di come i modelli di frattura si sviluppano su diverse scale temporali geologiche, ha affermato l'autore principale Stephen Laubach, un ricercatore senior presso l'UT Bureau of Economic Geology, un'unità di ricerca della Jackson School of Geosciences.
"Sono rocce calde con liquido caldo in loro, quindi sono ambienti estremamente chimicamente reattivi, "Ha detto Laubach.
Laubach è il leader del programma di frattura e diagenesi presso l'ufficio e co-autore del documento con altri 18 collaboratori. Il documento si basa sulle idee discusse in un seminario del 2016 sulla chimica dello sviluppo del modello di frattura sponsorizzato dal Dipartimento di Energia dell'Ufficio delle scienze energetiche di base.
Dalle vette delle montagne alle formazioni rocciose profonde chilometri, le fratture sono le strutture rocciose più comuni in molti ambienti geologici. La loro pura abbondanza influenza la forza della roccia circostante e il flusso del fluido. Però, la semplicità superficiale delle fratture è anche ciò che le rende un problema così difficile da risolvere. Solo con la meccanica e la geometria, è praticamente impossibile individuare i processi che hanno portato alla formazione di una frattura rispetto a un'altra. La chimica fornisce il contesto necessario per fare queste distinzioni.
"Con una semplice frattura in modalità di apertura, potrebbe essersi formato da tanti processi diversi, " Ha detto Laubach. "Quando vedi una frattura in un pezzo di nucleo, non puoi dire quando si è formato o perché si è formato, nello specifico. Hai poco da dedurre quali sono i modelli lontani dal pozzo."
Una rete di fratture nelle montagne dell'Oman. Credito:Laubach et al.
Nella carta, gli autori spiegano come la chimica può offrire maggiore specificità nei fattori che modellano le fratture, con la ricerca incentrata sulle fratture che si formano da 1-10 chilometri sotto la superficie.
Le fratture in questi ambienti ospitano frequentemente depositi minerali al loro interno. Poiché diversi minerali si formano in condizioni specifiche, i rivestimenti minerali servono come registrazione degli ambienti rocciosi nel tempo. I minerali stessi possono anche avere un impatto sia sul processo di fratturazione che sulla misura in cui il fluido può fluire attraverso le reti di frattura.
Laubach ha affermato che l'analisi della chimica delle fratture ha già portato a importanti scoperte. Per esempio, la ricerca dell'ufficio ha scoperto che una rete di fratture nel Texas orientale è cresciuta lentamente e costantemente per circa 50 milioni di anni, molto più a lungo del previsto. E l'alunno della Jackson School of Geosciences Abdulaziz Almansour (che ha conseguito un master presso il programma Energy and Earth Resources della scuola nel 2017) ha recentemente pubblicato un documento basato sulla sua ricerca di tesi che utilizza l'analisi chimica della roccia ospite per prevedere con successo come le fratture potrebbero migliorare o bloccare la produzione di petrolio a seconda che siano sigillati da cementi minerali o aperti e in grado di fungere da condutture per idrocarburi.
Però, nonostante il grande potenziale della chimica per far luce sul comportamento alla frattura, Laubach ha affermato che un approccio chimico è ancora una prospettiva relativamente insolita che necessita di ulteriori ricerche su tutta la linea.
"Sospettiamo che probabilmente sia necessaria un'intera generazione di lavoro osservativo e sperimentale, sia con materiali analogici che a temperature elevate lavorando con reazioni chimiche in cui si verificano reazioni come la precipitazione, " ha detto. "Negli anni '60, c'era una grande spinta per la meccanica della frattura correlata al laboratorio. Penso che probabilmente dovremmo fare un altro round di questo".
Giovanni Bertotti, un ricercatore di fratture che non è stato coinvolto nella pubblicazione e capo della sezione di Ingegneria Civile e Geoscienze presso la Delft University of Technology, ha definito il giornale una "pietra miliare" e ha affermato che si aspetta che l'articolo venga letto da un'ampia gamma di persone sia nel mondo accademico che nell'industria.
"Il documento di Laubach et al. è un'eccezionale panoramica delle attuali conoscenze su questi sistemi di frattura e una visione stimolante delle sfide future, " Egli ha detto.
