Els terratrémols originats per l’acció humana estan més estesos que mai hui en dia. La injecció de gas en el terreny per a emmagatzemar-lo (plataforma Castor), d’aigua per a l’extracció d’hidrocarburs (fracking) o la sobreexplotació d’aqüífers (conca de Lorca) generen una gran polèmica. Per a avaluar la implicació de l’ésser humà i prevenir-ne les conseqüències, es fa necessari el desenvolupament de models computacionals com el que es presenta ací.
La sismicitat produïda per l’home es concep com una realitat des de principis del segle XX, i s’associa principalment a l’ompliment de grans embassaments i a la mineria. Des de l’última dècada, amb el desenvolupament de nous processos energètics que interactuen amb el terreny, se n’està prenent més consciència. Les activitats d’injecció de fluids a pressió en profunditat (energia geotèrmica, fracking, emmagatzematge de gasos…) estan originant sèries sísmiques que afecten la societat. El terratrémol de Lorca de 2011 o la sèrie sísmica pròxima a la plataforma Castor són només un exemple de la interacció de l’home amb l’estabilitat del terreny.
Aquest risc sísmic és més gran i més complex de tractar en zones sismotectònicament actives de manera natural en presència de falles. Les falles geològiques són discontinuïtats en l’escorça terrestre que generen un pla de debilitat en el terreny, i per tant una via principal de lliscament. El lliscament, que es genera per una deformació diferencial entre un costat i l’altre de la falla, pot generar un terratrémol si es produeix de manera brusca.
Per a la prevenció i mitigació del risc sísmic, es presenta el desenvolupament d’un model computacional que permet analitzar variacions en l’estat del terreny i del pla de falla, observant si n’hi ha desestabilització. Fent ús d’un model de fricció stick-slip és capaç de representar els lliscaments bruscos i enèrgics de les falles.
Figura 1. Esquema d’una plataforma d’emmagatzematge de gas per injecció en profunditat (esquerra) i model simplificat (dreta).
La interacció hidraulicomecànica és clau en la reactivació de falles. Un lliscament en la falla pot ser causat tant per canvis en la pressió intersticial com per processos tectònics. La pressió intersticial d’un medi és la pressió a què està sotmesa l’aigua (o qualsevol altre fluid) que ompli els porus d’aquest medi (figura 2a).
Aquest treball se centra a modelar el lliscament produït per l’increment de pressió intersticial generat per l’home. La injecció de fluids en profunditat incrementa la pressió intersticial i redueix la tensió normal efectiva (resistència) del terreny. Gràficament es pot representar mitjançant el cercle de Mohr (figura 2b). Aquest procés equival a desplaçar el semicercle gris cap a l’esquerra; si aquest contacta la recta que defineix la resistència de la falla, es produeix el lliscament. Açò permet la reactivació de la falla a una tensió tangencial en què el lliscament i l’alliberament d’energia associada no s’haurien produït sense l’acció de l’home.
Figura 2. Esquema de la interacció hidràulica i mecànica (esquerra) i descripció gràfica tensional (dreta).
Per a estudiar el lliscament en falles actives, és necessari l’adaptació hidromecànica, que inclou la caracterització hidràulica i la seua mecànica. Les propietats hidràuliques es defineixen mitjançant la transmissivitat normal i la permeabilitat paral·lela al pla de falla (figura 3). Mecànicament, el model de fricció Rate and State permet representar la generació espontània d’inestabilitats. Aquesta dinàmica es caracteritza per episodis molt llargs amb poca o nul·la deformació en què s’acumula molta energia, seguits per sobtats alliberaments d’energia a través de lliscaments bruscos (figura 3b).
Figura 3. Caracterització hidràulica (esquerra) i mecànica (dreta) de la falla.
Figura 4. Model bidimensional implementat.
El model s’ha implementat en el programari Comsol Multiphysics (MEF) per a representar la injecció en un aqüífer confinat prop d’una falla. S’ha cuidat el rigorós acoblament entre mecànica, hidràulica i fricció en la fractura. Dues anàlisis s’han dut a terme de manera consecutiva. El primer, sense injecció, determina les condicions naturals o ambientals del terreny (serveix com a marc de referència). En el segon, es modela la injecció de fluid i es comproven les implicacions de l’activitat antropogènica.
Els resultats que s’obtenen després de 82 dies d’injecció s’analitzen en el camp de pressions i deformacions. L’increment de pressió queda confinat a la zona esquerra de l’aqüífer a causa de la baixa permeabilitat dels estrats que el confinen i de la falla. La variació de pressió en els voltants de la capa més permeable supera els 20 MPa.
Lliscaments de fins a sis centímetres es presenten en el pla de la falla, encara que té més importància la seua anàlisi qualitativa. La figura 5 presenta la diferència de lliscament entre el punt 1 (figura 4) i el seu equivalent de l’altre costat de la fractura. El model de fricció Rate and State permet discernir la component sísmica (salts puntuals i bruscos) i asísmica (deformació prolongada en el temps) del moviment. Analitzant els segments sísmics del desplaçament i quantificant-ne l’àrea es pot caracteritzar la magnitud del terratrémol generat.
Figura 5. Resultat del lliscament del punt 1, diferència de desplaçaments a un costat i a l’altre de la falla.
A través d’aquest procediment es fan possibles la simulació i la quantificació de sismes per injecció, la prevenció i la mitigació dels efectes, l’anàlisi de processos efectuats en el passat (enginyeria forense), l’anàlisi de risc sísmic en temps real i, amb tot açò, l’avanç en diversos problemes d’enginyeria i geociències.
Aquest tipus de models permeten, per tant, anticipar-se a la producció de terratrémols d’origen humà. S’han de continuar desenvolupant i millorant, mentre la interacció de l’home amb el terreny continua incrementant-se, ja que conté moltes de les possibles tecnologies a emprar per a frenar el canvi climàtic.
AUTOR
Elena Dominguez Poyatos i Marcelo Laviña Lafuente
Elena Dominguez Poyatos y Marcelo Laviña Lafuente han rebut el premi accèssit del jurat XV certamen Arquímedes pel seu treball “L’acoblament rigorós de flux, geomecànica i fricció estic-eslip: Un model computacional per simular terratrèmols induïts per flux subterrani”. Tots dos són estudiants de la Universitat Politècnica de Madrid i han estat tutoritzats per Luis Cueto-Felgueroso Landeira, Juan Carlos Mosquera Feijoo i David Santillán Sánchez
+INFO CERTAMEN ARQUÍMEDES
No comments yet.