El projecte Castor suposava la creació d’un dipòsit estratègic de gas natural en un jaciment petrolífer esgotat en el anys setanta i situat davant del litoral de la comarca de la Sénia. La primera injecció de gas tingué lloc el 10 d’abril del 2012. Poc després hi hagué un terratrèmol de 3,1 en l’escala de Richter. Les injeccions continuaren i a partir de mitjan setembre del 2013 es multiplicaren els terratrèmols, fins que l’1 d’octubre hi hagué un de 4,2. Els treballs d’injecció foren paralitzats ja el 16 de setembre. Una investigació ulterior indicà que les injeccions de gas havien provocat el moviment d’una falla profunda. El cas Castor és un exemple paradigmàtic de la complexitat de processos físics que entren en lloc en la sismicitat induïda per la injecció de fluids. Georgios Michas i Filippos Vallianatos, de la Universitat Kapodistriana d’Atenes, presenten en un article a Scientific Reports un model de camí aleatori en temps continu de la sismicitat induïda per injecció. Aquest coneixement pot ajudar a mitigar el risc associat a aquestes operacions i a establir una regulació adient. Per a construir el seu model Michas & Vallianatos utilitzen dades d’estimulacions hidràuliques del camp geotèrmic de la Conca de Cooper que van del 2003 al 2012. Aquestes estimulacions induïren milers de microsismes per un mecanisme de subdifusió. El model recull l’evolució espacial i temporal dels microsismes al voltant de dos pous d’injecció.
Michas & Vallianatos han calculat la densitat de probabilitat d’un terratrèmol al voltant del pou Habanero-4 de la conca australiana de Cooper en passar 9 dies (dalt) o 14 dies (baix) de l’inici d’injeccions de fluids. Els punts negres representen les localitzacions dels terratrèmols que realment tingueren lloc.
La sismicitat induïda per injecció
Injeccions de fluid en el subsòl com ara les associades amb l’abocament d’aigües residuals, la fractura hidràulica, el segrest de CO2 o l’extracció d’energia geotèrmica poden constituir una font artificial de sismicitat. Aquestes injeccions poden reduir la força de cisalla de falles ja estressades. No obstant mentre hi hagut operacions d’injecció que no han generat ni tan sols microsismicitat, d’altres sí han produït terratrèmols de consideració.
La variabilitat de situacions obeeix a un conjunt de factors. Les injeccions fan augmentar la pressió porosa i això pot manifestar-se en una reducció de l’estrès normal efectiu en els plans de falla produint lliscaments. Estressos poroelàstics, interaccions d’estrès entre successives injeccions, canvis en l’estrès induït termoelàsticament i lliscaments asísmics promoguts per la pressió de fluid influeixen en la sismicitat final i en la seva distribució en l’espai i el temps.
Un model de sismicitat induïda per injecció ha de considerar la complexitat geològica del lloc d’injecció així com els paràmetres d’injecció. Michas & Vallianatos pensen que la incertesa d’aquests factors convida a considerar un marc purament estocàstic en la generació de les propietats essencials del procés. La teoria del camí aleatori de temps continu i l’equació de difusió fraccional els ajuden a representar l’evolució espaciotemporal de la sismicitat induïda per injecció.
Michas & Vallianatos posen a prova el seu model amb dades del 2003 al 2012 d’estimulacions hidràuliques realitzades al camp geotèrmic de la Conca de Basin (Austràlia del Sud). Aquestes injeccions de fluid es feien amb la finalitat d’augmentar la permeabilitat hidràulica del basament de granit calent. Així es podria desenvolupar un sistema geotèrmic. Aquestes operacions induïren milers de microsismes.
La teoria del camí aleatori de temps continu
Michas & Vallianatos consideren la sismicitat com un procés puntual en el temps i en l’espai, caracteritzat per la magnitud de cada esdeveniment sísmic. Cada injecció marca un origen en el temps (t0) i en l’espai (x0). D’aquest origen parteix un camí aleatori que passa per cadascun dels sismes. Per cada sisme hom pot calcular la distància i durada respecte de l’origen: el desplaçament mitjà es pot considerar en funció del temps transcorregut.
La relació entre l’espai i el temps pot adoptar la forma de potència (ta). Aquest exponent a és superior a 1 en processos de superdifusió, igual a 1 en processos de difusió, i entre 0 i 1 en processos de subdifusió.
La sismicitat induïda per estimulació hidràulica al camp Habanero
Les estimulacions hidràuliques a la Conca de Cooper començaren a principi de novembre del 2003, amb treballs al pou Habanero-1. Les primeres injeccions de fluid es feren el dia 30, amb una durada de 9,5 dies. En el decurs de l’estimulació s’injectaren més de 20000 metres cúbics d’aigua dins de l’Habanero-1. La profunditat d’aquest pou era de 4421 metres, i la inundació arribà a un nivell de 4254 metres. Les taxes de flux augmentaren gradualment durant el període d’estimulació, arribant a un màxim de 45 litres per segon. En aquest màxim la pressió en el cap del pou s’enfilà a 65 MPa.
Aquesta injecció de fluids desencadenà 28.000 microsismes, dels quals 15.709 es produïren durant el període d’estimulació. A mesura que avançava la injecció també més lluny arribava la sismicitat. Els sismes s’arrengleraven en una zona amb un gruix vertical de 100 a 150 metres, cosa que indicava que una sola zona de fractura actuava de focus sísmic.
En el 2012 s’estimulà hidràulicament el pou Habanero-4. Aquest pou té una fondària de 4204 metres. L’objectiu de l’operació era estendre el reservori creat prèviament. El 14 de novembre començaren les injeccions. El període central d’estimulació anà del dia 16 al 30. En total s’injectaren 34.000 metres cúbics d’aigua, amb un pic de 60 litres per segon (quan la pressió arribà a 50 MPa). S’hi generaren 29.000 microsismes en un període de 2 mesos, dels quals 17.266 es registraren en el període d’injecció. La distribució de la sismicitat indicava una extensió en el temps, especialment cap al nord.
Imatges obtingudes del pou Habanero-3 indiquen que una zona única de falla planar determinava els fluxos de l’aigua injectada i la sismicitat.
Aquests catàlegs de terratrèmols foren examinats per destriar els que superessin un criteri de magnitud: foren seleccionats 9491 microsismes d’Habanero-1 del 2003 i 7708 microsismes d’Habanero-4 del 2012.
En tots dos casos hi ha un augment de la distància dels sismes amb el temps. Els exponents són propis d’un procés de subdifusió: 0,45 per a Habanero-1 i 0,70 per a Habanero-4. En el cas d’Habanero-4 aquest exponent tendeix a augmentar en direcció cap al nord.
El temps d’espera entre cada microsisme es va allargant, però no pas com ho faria un procés de distribució aleatori sinó d’una manera agregada. Per a Habanero-1 el temps d’espera medià entre cada microsisme és de 89 segons; i per a Habanero-4 és de 144 segons. En el cas d’Habanero-1 el 50% dels microsismes té lloc en cinc dies, i en el cas d’Habanero-4 depassa els nou dies.
El model de Michas & Vallianatos reprodueix aquestes distribucions a grans trets. No obstant, en el cas d’Habanero-1 el model no arriba a predir el segon pic de microsismes situat en el dia 5 a 500 metres del punt d’injecció, ni tampoc el pic més ample del dia 10 (a 300-650 metres de distància). En el cas d’Habanero-4 el model no arriba a predir òptimament el pic de microsismes i valora en excés els microsismes més distants.
La distribució de microsismes té forma d’un el·lipsoide allargat de manera que Michas & Vallianatos introdueixen una anàlisi unidimensional en la direcció principal nord-sud. Alhora l’el·lipsoide tridimensional és simplificat en una el·lipse bidimensional, que fa uns 3 km2. Els valors de subdifusió es mantenen tot i la simplificació.
El desenvolupament de sistemes geotèrmics
Conèixer la sismicitat induïda per injeccions hidràuliques és vital per poder desenvolupar sistemes geotèrmics com el de la Conca Cooper. Una bona modelització ajudaria a distingir si un microsisme és atribuïble o no a una operació d’injecció. Un avantatge del model de Michas & Vallianatos és la reducció del nombre d’assumpcions prèvies necessàries.
La subdifusió que han trobat Michas & Vallianatos obeeix possiblement a la relaxació inelàstica no-lineal de l’escorça terrestre davant de pertorbacions d’estrès. Ara bé els nivells de subdifusió són prou diferents entre els dos casos estudiats, cosa indicativa del rol que deuen jugar condicions geològiques i reològiques. L’impacte de la injecció deixa una petjada en el sistema geològica que es manifesta en microsismes que es produeixen cronològicament molt més enllà (mesos o anys) del període d’injecció. Si els primers microsismes s’associen a una pressió de porus, els més tardans obeirien a efectes poroelàstics.
El model de Michas & Vallianatos pot aplicar-se a la predicció de sismes una vegada hom coneix l’exponent de sismicitat associat a una injecció concreta. Aquesta predicció tindria una doble finalitat mitigadora i reguladora.
Lligams:
– Stochastic modeling of injection induced seismicity based on the continuous time random walk model. Georgios Michas & Filippos Vallianatos. Sci. Rep. 14: 4951 (2024).
– Habanero Geothermal Project Field Development Plan, a la pàgina web de l’Australian Renewable Energy Agency.
– Episodis sísmics a la Conca de Cooper, a la Episodes Platform.
Des de la Mediterrània 