Geocientífics de l'Institut Politècnic i Universitat Estatal de Virgínia (Virgínia Tech) han descobert que a les regions on s'eliminen d'aigües residuals en jaciments petrolífers, els terratrémols són cada vegada més profunds i que el percentatge de sismes de gran magnitud augmenta amb la profunditat i pot crear, encara que menys en número, terratrémols de major magnitud anys després que les taxes d'injecció es reduïsquen o es detinguen per complet.
L'estudi, que es publica aquest dimarts en 'Nature Communication', mostra que en àrees com Oklahoma i el sud de Kansas hi ha evidència que les aigües residuals dels jaciments petrolífers que s'injecten sota terra en la formació Arbuckle tenen una densitat molt major que la dels fluids naturals que ocorren dins de les falles de la zona sismogènica més profunda.
El problema és que les aigües residuals s'afonen i augmenten la pressió dels fluids en les profunditats subterrànies quan tenen una major densitat que els que ja existeixen naturalment. Els canvis de pressió tan profunds, a profunditats de fins a 5 milles (uns 8 quilòmetres) o més, poden causar més terratrémols de gran magnitud, encara que el nombre total de terratrémols està disminuint.
"Els terratrémols ara són comuns en el centre dels Estats Units, on el nombre de sismes de magnitud 3 o superior va augmentar de 19 per any abans de 2008 a més de 400 per any", apunta Ryan M. Pollyea, del Departament de Geociencias de la Facultat de Ciència de Virgínia Tech i professor assistent de geociencias i director del Laboratori Computacional de Geofluidos de la Universitat. A més, afig que la taxa general de terratrémols per any ha estat disminuint des de 2016.
"En molts casos, aquests terratrémols ocorren quan les aigües residuals dels jaciments petrolífers s'eliminen en bombar-les cap a formacions geològiques profundes --agrega Pollyea--. A mesura que les aigües residuals s'injecten a gran profunditat, la pressió dels fluids s'acumula i migra fora dels pous d'injecció. Això desestabilitza les falles i causa terratrémols 'induïts per injecció', com el terratrémol de magnitud 5,8 que va assotar a Pawnee, a Oklahoma, en 2016".
Pollyea, autor de l'estudi amb Martin Chapman, professor investigador associat de geociencias i director de l'Observatori Sismològic de Virgínia Tech; i Richard S. Jayne i Hao Wu, tots dos estudiants graduats, va utilitzar models computacionals i anàlisis de dades de terratrémols en una àmplia regió del nord d'Oklahoma i el sud de Kansas, aproximadament 30.000 milles quadrades (583.000 metres quadrats).
"Va ser un resultat sorprenent --admet Chapman--. Suggereix que l'aigua residual que s'afona augmenta la pressió del fluid a majors profunditats i pot causar terratrémols més grans".
En analitzar les dades de terratrémols, els investigadors van trobar que la quantitat de terratrémols de més d'una magnitud 4 va augmentar més del 150 per cent de 2017 a 2018, mentre que la quantitat de terratrémols de magnitud 2,5 o superior va disminuir un 35 per cent durant el mateix període. El nombre total de terratrémols està començant a disminuir, però el percentatge de terratrémols de major magnitud està augmentant.
"Els nostres models mostren que les aigües residuals d'alta densitat poden continuar afonant-se i augmentant la pressió del fluid a profunditats de 5 o més milles durant 10 o més anys després que es detinguen les injeccions --explica Pollyea--. Hi ha una major proporció de terratrémols de gran magnitud a profunditats superiors a 5 milles en el centre-nord d'Oklahoma i el sud de Kansas, però hi ha menys terratrémols totals a aquestes profunditats. Això implica que la taxa de terratrémols de gran magnitud està disminuint més lentament que la taxa general de terratrémols".
L'estudi també va trobar que la pressió del fluid causada per l'aigua residual que s'afona roman en el medi ambient molt més temps del que es creia anteriorment.
"Els nostres models mostren que les aigües residuals d'alta densitat continuen afonant-se i augmentant la pressió del fluid durant 10 a 15 anys després que es detenen les injeccions, i això pot prolongar el perill de terratrémols en regions com Oklahoma i Kansas", afig.
És important tindre en compte que Pollyea i els seus col·legues no estan dient que totes les operacions d'eliminació d'aigües residuals en camps petroliers causen terratrémols, ni prediuen un terratrémol gran i potencialment nociu a la regió del Mitjà Oest. L'estudi tampoc indica que l'acumulació de pressió impulsada per densitat ocórrega a tot arreu on ocorren les operacions d'aigües residuals en camps petroliers.
Pollyea recorda que els investigadors saben des de la dècada de 1960 que el bombament de fluids a gran profunditat pot desencadenar terratrémols, però aquest estudi és el primer a demostrar que la densitat de les aigües residuals juga un paper important en l'ocurrència d'un terratrémol. Com més pesat és el fluid, major és el canvi de la pressió del mateix i major és l'efecte del desplaçament dels fluids naturals.
"Els models anteriors de pressió de porus han assumit que la densitat dels fluids injectats és la mateixa que la de les roques, però el món real comença a diferir, i els fluids injectats sovint són més pesats --explica Shemin Ge, professora i directora del Departament de Ciències geològiques en la Universitat d'Acolorit, que no va participar en l'estudi--. Aquest estudi analitza l'efecte dels fluids més pesats en la pressió dels porus i, en conseqüència, en la inducció de terratrémols. Els fluids injectats més pesats tenen la tendència a migrar cap avall, la qual cosa provoca l'ocurrència de terratrémols".
Segons l'equip d'investigació, el nou estudi ofereix als científics, reguladors i formuladores de polítiques un nou marc per a la gestió de l'eliminació de les aigües residuals dels jaciments petrolífers i el risc associat de terratrémols. En llocs com Oklahoma, on les mesures per a mitigar els terratrémols estan en marxa, els resultats d'aquest estudi poden ser particularment importants perquè la combinació de pressió de fluid persistent i creixent suggereix que la taxa de terratrémols de gran magnitud probablement està disminuint més lentament que la taxa general de terratrémols.