Los terremotos originados por la acción humana están más extendidos que nunca hoy en día. La inyección de gas en el terreno para su almacenamiento (plataforma Castor), de agua para la extracción de hidrocarburos (‘fracking’) o la sobreexplotación de acuíferos (cuenca de Lorca), generan una gran polémica. Para evaluar la implicación del ser humano y prevenir las consecuencias, se hace necesario el desarrollo de modelos computacionales como el aquí presentado.
La sismicidad producida por el hombre se concibe como una realidad desde principios del siglo XX, asociándose principalmente al llenado de grandes embalses y la minería. Desde la última década, con el desarrollo de nuevos procesos energéticos que interactúan con el terreno, se está tomando más consciencia al respecto. Las actividades de inyección de fluidos a presión en profundidad (energía geotérmica, ‘fracking’, almacenamiento de gases…) están originando series sísmicas que afectan a la sociedad. El terremoto de Lorca de 2011 o la serie sísmica próxima a la plataforma Castor son solo un ejemplo de la interacción del hombre con la estabilidad del terreno.
Este riesgo sísmico es mayor y más complejo de tratar en zonas sismo-tectónicamente activas de forma natural, en presencia de fallas. Las fallas geológicas son discontinuidades en la corteza terrestre que generan un plano de debilidad en el terreno y, por lo tanto, una vía principal de deslizamiento. El deslizamiento, que se genera por una deformación diferencial entre un lado y otro de la falla, puede producir un terremoto si se produce de forma brusca.
Para la prevención y mitigación del riesgo sísmico, se presenta el desarrollo de un modelo computacional que permite analizar variaciones en el estado del terreno y del plano de falla, observando si existe desestabilización de la misma. Haciendo uso de un modelo de fricción “stick-slip” es capaz de representar los deslizamientos bruscos y enérgicos de las fallas.
Figura 1. Esquema de una plataforma de almacenamiento de gas mediante inyección en profundidad (izquierda) y modelo simplificado (derecha).
La interacción hidráulico-mecánica es clave en la reactivación de fallas. Un deslizamiento en la falla puede venir dado tanto por cambios en la presión intersticial como por procesos tectónicos. La presión intersticial de un medio es la presión a la que está sometida el agua (o cualquier otro fluido) que llena los poros de dicho medio (figura 2a).
Este trabajo se centra en modelar el deslizamiento producido por el incremento de presión intersticial generado por el hombre. La inyección de fluidos en profundidad incrementa la presión intersticial y reduce la tensión normal efectiva (resistencia) del terreno. Gráficamente se puede representar mediante el círculo de Mohr (figura 2b). Este proceso equivale a desplazar el semicírculo gris hacia la izquierda, si este contacta la recta que define la resistencia de la falla, se produce el deslizamiento. Esto permite la reactivación de la falla a una tensión tangencial en la que el deslizamiento y su liberación de energía asociada no se habrían producido sin la acción del hombre.
Figura 2. Esquema de la interacción hidráulica y mecánica (izquierda) y descripción gráfica tensional (derecho).
Para estudiar el deslizamiento en fallas activas, es necesario el acoplamiento hidro-mecánico, que incluye caracterización hidráulica y la mecánica de las mismas. Las propiedades hidráulicas se definen mediante transmisividad normal y permeabilidad paralela al plano de falla (Figura 3a). Mecánicamente, el modelo de fricción “Rate and State” permite representar la generación espontánea de inestabilidades. Esta dinámica se caracteriza por episodios muy largos con poca o nula deformación en los que se acumula mucha energía, seguidos por repentinas liberaciones de energía mediante deslizamientos bruscos (Figura 3b).
Figura 3. Caracterización hidráulica (izquierda) y mecánica (derecha) de la falla.
Figura 4. Modelo bidimensional implementado.
El modelo se ha implementado en el software Comsol Multiphysics (MEF) para representar la inyección en un acuífero confinado cerca de una falla. Se ha cuidado el riguroso acoplamiento entre mecánica, hidráulica y fricción en la fractura. Dos análisis se han llevado a cabo de forma consecutiva. El primero, sin inyección, determina las condiciones naturales o ambientales del terreno (sirve como marco de referencia). En el segundo, se modela la inyección de fluido y se comprueban las implicaciones de la actividad antropogénica.
Los resultados que se obtienen tras 82 días de inyección se analizan en el campo de presiones y deformaciones. El incremento de presión queda confinado en la zona izquierda del acuífero debido a la baja permeabilidad de los estratos que lo confinan y de la falla. La variación de presión en las inmediaciones de la capa más permeable supera los 20 MPa.
Deslizamientos de hasta seis centímetros se presentan en el plano de falla, aunque mayor importancia tiene el análisis cualitativo de los mismos. La figura 5 presenta la diferencia de deslizamiento entre el punto 1 (Figura 4) y su equivalente del otro lado de la fractura. El modelo de fricción “Rate and State” permite discernir la componente sísmica (saltos puntuales y bruscos) y asísmica (deformación prolongada en el tiempo) del movimiento. Analizando los segmentos sísmicos del desplazamiento y cuantificando su área se puede caracterizar la magnitud del terremoto generado.
Figura 5. Resultado del deslizamiento del punto 1, diferencia de desplazamientos a un lado y otro de la falla.
Mediante este procedimiento se hacen posibles la simulación y cuantificación de sismos por inyección, la prevención y mitigación de sus efectos, el análisis de procesos efectuados en el pasado (ingeniería forense), el análisis de riesgo sísmico en tiempo real y, con todo esto, el avance en diversos problemas de ingeniería y geociencias.
Este tipo de modelos permiten, por lo tanto, anticiparse a la producción de terremotos de origen humano. Se han de seguir desarrollando y mejorando, mientras la interacción del hombre con el terreno continúa incrementándose, ya que contiene muchas de las posibles tecnologías a emplear para frenar el cambio climático.
AUTOR
Elena Dominguez Poyatos y Marcelo Laviña Lafuente
Elena Dominguez Poyatos y Marcelo Laviña Lafuente han recibido el premio accésit del jurado XV certamen Arquímedes por su trabajo «El acoplamiento riguroso de flujo, geomecánica y fricción stick‐slip: Un modelo computacional para simular terremotos inducidos por flujo subterráneo». Ambos son estudiantes de la Universidad Politécnica de Madrid y han sido tutorizados por Luis Cueto‐Felgueroso Landeira, Juan Carlos Mosquera Feijoo y David Santillán Sánchez
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