Fattori chiave nei terremoti provocati dall’uomo

In un nuovo studio pubblicato su Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze, Il Dr. Lei Wang e i suoi colleghi della Sezione ‘Geomeccanica e perforazione scientifica’ della GFZ, insieme a ricercatori dell’Università di Oslo, Norvegia, riferiscono che la rugosità delle faglie preesistenti e l’eterogeneità dello stress associato nei serbatoi geologici svolgono un ruolo chiave per aver causato tali eventi fuori controllo. Lo studio combina nuovi esperimenti di iniezione di fluidi sotto monitoraggio acustico eseguiti nel laboratorio geomeccanico di GFZ con risultati di modellazione numerica. “Abbiamo scoperto che le faglie ruvide e lisce nelle rocce si comportavano in modo completamente diverso durante i nostri esperimenti di laboratorio. Questa è un’osservazione entusiasmante poiché abbiamo evidenziato la progressiva localizzazione dell’attività microsismica che indica il trasferimento dello stress prima di grandi eventi indotti durante l’iniezione di fluidi”, afferma il primo autore, il dottor Wang, che ha progettato ed eseguito gli esperimenti e la modellazione.

La sismicità indotta dall’iniezione in laboratorio evidenzia l’importante ruolo della rugosità della faglia

La rugosità per faglie attive e fratture lungo faglie tettoniche così come faglie preesistenti ma inattive nei serbatoi geologici sono difficili da caratterizzare. Per superare la risoluzione insufficiente durante l’imaging o il monitoraggio di tali difetti in natura, il gruppo di ricerca ha “ridimensionato” alla scala decimetrica preparando difetti di laboratorio con rugosità superficiale definita. Questi sono stati quindi pressurizzati fino a raggiungere stati di stress quasi critici utilizzando un apparato di compressione MTS triassiale. I campioni di roccia sono stati inoltre dotati di più sensori, tra cui sismometri da laboratorio piezoelettrici per monitorare migliaia di piccoli terremoti, le cosiddette emissioni acustiche, che indicano la deformazione all’interno delle rocce pressurizzate prima che si rompano. L’iniezione di fluido è stata quindi eseguita nei campioni simulando l’iniezione di fluido nei serbatoi geologici. “Il controllo delle condizioni al contorno e l’utilizzo di una fitta rete di monitoraggio in laboratorio ci ha permesso di immaginare l’evoluzione dei terremoti indotti in laboratorio così come la deformazione antisismica lenta e di derivare parametri chiave come lo scorrimento della faglia e il tasso di scorrimento, fornendo un’immagine completa per migliorare comprendere la fisica della sismicità indotta dall’iniezione”, afferma Georg Dresen, professore nella sezione Geomeccanica e perforazione scientifica del GFZ, che ha supervisionato e avviato lo studio.

Rispetto alle faglie lisce, lo scivolamento indotto dall’iniezione sulle faglie grezze produce gruppi spazialmente localizzati di emissioni acustiche che si verificano attorno alle asperità altamente sollecitate. È lì che i tassi di slittamento locale indotto sono più elevati, accompagnati da un numero relativamente più elevato di grandi eventi. Questo meccanismo viene tipicamente misurato nel “valore b di Gutenberg-Richter” come misura dello stress. L’iniezione di fluido riattiva dapprima le zone di faglia attraverso uno scorrimento lento e asismico e causando solo pochi e piccoli eventi sismici, seguito da una localizzazione progressiva che alla fine porta a grandi eventi indotti. “Questo studio ha importanti implicazioni per i terremoti indotti: significa che quando si monitorano le iniezioni di fluidi nei serbatoi geologici in tempo reale, ciò potrebbe consentire di identificare tali processi di localizzazione prima della nucleazione di eventi indotti più grandi, consentendo di evitarli”, afferma il Prof. Marco Bohnhoff, responsabile della sezione Geomeccanica e Perforazioni Scientifiche del GFZ.

Le somiglianze tra la sismicità indotta su scala di laboratorio e su scala di campo

Per indagare ulteriormente la rilevanza degli esperimenti di laboratorio per i terremoti nei serbatoi geologici, gli autori hanno compilato un’ampia gamma di set di dati sulla sismicità indotta studiando l’energia emessa in funzione dell’energia idraulica da esperimenti su scala di laboratorio e di iniezione di fluidi in situ, nonché come dalla fratturazione idraulica su scala di giacimenti, dai progetti geotermici e di smaltimento delle acque reflue in tutto il mondo. Il valore dell’efficienza dell’iniezione sismica (cioè il rapporto tra l’energia emessa nei terremoti e l’energia idraulica immessa nel sistema mediante l’iniezione del fluido) separa le rotture a pressione controllata dalle rotture fuori controllo. A differenza degli eventi fuori controllo con elevate efficienze di iniezione sismica, la sismicità indotta che mostra una rottura estesa controllata dalla pressione mostra tipicamente un’efficienza di iniezione sismica molto inferiore. Il dottor Wang sottolinea che “le nostre osservazioni di laboratorio presentano somiglianze con quei terremoti indotti su scala reale corrispondenti a rotture controllate dalla pressione, come evidenziato dal fatto che nei nostri esperimenti lo scorrimento della faglia indotta termina poco dopo aver interrotto l’iniezione di fluido”.

L’obiettivo finale è quello di controllare ed evitare grandi terremoti indotti

Lo studio fa parte di un’iniziativa di ricerca avviata di recente che mira a prevedere meglio i terremoti indotti nei serbatoi geologici e, in ultima analisi, anche i grandi terremoti naturali catastrofici. Parte di questa iniziativa consiste nel portare i processi dalla scala del campo al laboratorio dove i parametri di confine possono essere controllati e i processi che portano agli eventi sismici possono essere riprodotti. Marco Bohnhoff conclude: “Solo nuovi approcci di elaborazione dati e la messa a punto di metodi sismologici classici per analizzare i terremoti, ora anche in laboratorio, costituiscono la base per comprendere i processi di deformazione delle rocce in maggiore dettaglio. Studi come quello ora pubblicato da Wang e co. -gli autori sostengono il potenziale per mitigare i rischi sismici causati dall’uomo, che è una precondizione per raggiungere l’accettazione pubblica quando si utilizza il sottosuolo geologico per lo stoccaggio e l’estrazione di energia come elemento chiave della transizione energetica.”