Un team di ricercatori di geoscienze del Virginia Tech College of Science ha sviluppato una nuova teoria per spiegare come e perché i terremoti indotti dall'iniezione continuano a verificarsi anche quando i tassi di iniezione diminuiscono.

Gli esperti sanno dagli anni '60 che quando le acque reflue dei giacimenti petroliferi vengono pompate nel terreno con pozzi di iniezione profondi, possono verificarsi terremoti. Nell'ultimo decennio, terremoti indotti da iniezione sono diventati eventi regolari in tutti i bacini petroliferi e di gas in tutto il mondo, soprattutto negli Stati Uniti centrali, e potenzialmente in Cina e Canada, anche.

La produzione di petrolio e gas è spesso accompagnata da acque sotterranee altamente salmastre, noto anche come salamoia petrolifera. Questi fluidi possono essere da cinque a sei volte più salati dell'acqua di mare, quindi sono tossici per gli ecosistemi terrestri e hanno scarso uso benefico. Di conseguenza, La salamoia del giacimento petrolifero è considerata un prodotto di scarto che viene smaltito pompandolo nuovamente in formazioni geologiche profonde.

Quando i fluidi vengono pompati in pozzi di iniezione profondi, alterano la pressione del fluido naturale nelle formazioni geologiche profonde. Queste variazioni di pressione del fluido possono destabilizzare i guasti, portando a terremoti, come il dannoso evento di magnitudo 5.8 a Pawnee, Oklahoma, nel settembre 2016.

Tra le domande scientifiche più irritanti sui terremoti indotti da iniezione c'è il motivo per cui sembrano diventare sempre più profondi in luoghi come l'Oklahoma e il Kansas, dove i tassi di iniezione sono diminuiti a causa di una combinazione di misure di mitigazione dei terremoti e del calo della produzione di petrolio e gas.

In uno studio pubblicato il 5 agosto in Scienze energetiche e ambientali , Ryan M. Polliea, ricercatore presso il Dipartimento di Geoscienze, e un team di studenti ricercatori ha proposto una nuova teoria secondo cui le stesse acque reflue svolgono un ruolo importante nei processi che causano i terremoti indotti dall'iniezione.

"Sappiamo che i terremoti stanno diventando più profondi in Oklahoma, " disse Polliea, che dirige il Computational Geofluids Lab al Virginia Tech, "quindi stiamo cercando di capire quali condizioni lo rendono possibile. La nostra ricerca suggerisce che è causato dalla combinazione della geologia, fluidi naturali nelle rocce del seminterrato, e le acque reflue stesse".

Sebbene i ricercatori sappiano da decenni che le iniezioni profonde di fluidi possono innescare terremoti, Pollyea ha affermato che la ricerca precedente manca di alcuni dettagli consequenziali su come si verificano. Nello specifico, ha sottolineato che la salamoia petrolifera ha proprietà molto diverse, come densità e viscosità, dell'acqua pura, e queste differenze influenzano i processi che causano la pressione del fluido per innescare i terremoti.

"L'idea di base è che la salamoia del giacimento petrolifero ha molto materiale solido disciolto, che rende le acque reflue più pesanti dei fluidi naturali nelle formazioni geologiche profonde, " ha detto Richard S. Jayne, un coautore dello studio ed ex dottorato di ricerca. studente al Virginia Tech che ora è ricercatore idrogeologo presso il Sandia National Laboratory, "così la densa acqua di scarico sprofonda, aumenta la pressione del fluido, e provoca terremoti più profondi di quanto sarebbe previsto se i fluidi avessero le stesse proprietà materiali".

Utilizzando i supercomputer della divisione Advanced Research Computing della Virginia Tech, Pollyea e il suo team hanno testato la loro idea producendo più di 100 modelli di smaltimento delle acque reflue dei giacimenti petroliferi utilizzando varie combinazioni di proprietà geologiche, temperatura delle acque reflue, e densità delle acque reflue. Con questo approccio computazionale, il team ha isolato sia le condizioni che i processi fisici che alterano la pressione dei fluidi nelle formazioni geologiche.

"Abbiamo scoperto che ci sono davvero due diversi processi che guidano la pressione del fluido in profondità nel seminterrato, dove avvengono i terremoti, " ha detto Pollyea. "Il primo è chiamato diffusione di pressione, che si verifica quando le acque reflue vengono spinte in formazioni geologiche già piene d'acqua. Questo processo è noto da tempo, ma il secondo processo si verifica quando le acque reflue ad alta densità affondano e spingono via i fluidi a densità inferiore".

Secondo questa nuova teoria, la differenza di densità tra acque reflue e fluidi profondi del seminterrato è molto più importante per il verificarsi di terremoti indotti di quanto fosse noto in precedenza. "Questa è una delle aree che è stata trascurata nella ricerca sulla sismicità indotta, " ha detto Megan Brown, un assistente professore di geologia specializzato in sismicità innescata da fluidi presso la Northern Illinois University e non è stato coinvolto in questo studio. "I transitori di pressione guidati dalla densità sono una conseguenza intuitiva di un differenziale di densità tra i fluidi iniettati e i fluidi di formazione".

Sebbene la frequenza dei terremoti sia diminuita negli Stati Uniti centrali dagli anni di punta del 2014 e del 2015, questa nuova teoria non solo spiega perché i terremoti stanno diventando più profondi in Oklahoma, ma spiega anche perché diversi terremoti di magnitudo 5+ hanno colpito l'Oklahoma nel 2016, quando i tassi di iniezione stavano diminuendo in tutto lo stato.

"Un aspetto affascinante del nostro studio è che i pennacchi di acque reflue che affondano non richiedono il pompaggio per migrare più in profondità nel sottosuolo, " disse Polliea, "infatti, continueranno ad affondare sotto il loro stesso peso per decenni dopo la cessazione delle iniezioni, e il nostro studio mostra che le acque reflue non devono essere molto più pesanti perché ciò accada".

In termini di mitigazione dei terremoti e pratiche normative, questo studio ha implicazioni di vasta portata:il team di ricerca ha sottolineato che le salamoie ad alta densità si verificano in molti bacini petroliferi e di gas negli Stati Uniti, ma hanno anche sostenuto che l'utilizzo di questo studio nella pratica richiede molte più informazioni sui fluidi. "Questo studio sottolinea la necessità di dati specifici del sito e un aumento del campionamento, " disse Bruno, perché "le differenze di densità come fattore trainante dei transitori di pressione in campo vicino possono anche portare ad azioni di mitigazione pre-iniezione".

Pollyea ha affermato che il suo team di ricerca sta continuando a lavorare sulla loro nuova teoria per i processi idrogeologici che causano i terremoti indotti. "Siamo davvero interessati a sapere come le nostre idee sulla chimica dei fluidi influenzino le operazioni di iniezione espansive a livello regionale in luoghi come l'Oklahoma e il Texas, " disse Polyea. "E uno dei nostri recenti M.S. laureati, Graydon Konzen (un coautore dello studio), ha svolto un nuovo ed entusiasmante lavoro in questo settore".