Los terremotos, por lo general pequeños aunque ocasionalmente dañinos, son un efecto secundario de procesos industriales como la energía geotérmica y la producción de petróleo y gas, que implican inyectar agua bajo tierra. Sin embargo, los científicos no tenían claro cuál es exactamente el papel de la inyección de fluidos en la generación de estos terremotos causados por el ser humano.
Ahora, por primera vez, investigadores de Caltech y otras instituciones de Estados Unidos y Francia han observado cómo la inyección de fluidos desencadena microterremotos en una falla subterránea de gran tamaño. Los hallazgos podrían conducir a una mejor gestión del riesgo sísmico gracias a una comprensión más profunda del flujo de fluidos en las fallas, y también esclarecer la mecánica de los terremotos naturales.
«En este momento, uno de los principales problemas para la industria es que no existe una teoría establecida para evaluar el peligro sísmico asociado a las inyecciones de fluidos», afirma el coautor del artículo Jean-Philippe Avouac, profesor de geofísica en la University of Cambridge y titular de la cátedra Earle C. Anthony de Geología en Caltech, además de exdirector del Observatorio de Tectónica de Caltech (ya cerrado), donde comenzó la investigación. «Con experimentos como el nuestro, podemos elaborar modelos muy necesarios que ayudarían a evaluar la posible ubicación, magnitud y probabilidad de los terremotos».
La investigación, dirigida por Yves Guglielmi, profesor del Centro Europeo de Investigación y Educación en Geociencias Ambientales (CEREGE) de la Universidad de Aix-Marsella, en Francia, aparece en el número del 12 de junio de Science.
Los terremotos suelen producirse cuando segmentos de la corteza terrestre se deslizan a lo largo de fallas debido a la presión acumulada. Las fallas más conocidas son las que se encuentran entre las placas tectónicas, del tamaño de continentes, que componen la corteza terrestre, como la falla de San Andrés, en California, el límite entre las placas del Pacífico y Norteamérica. Sin embargo, de estas fallas principales se ramifican muchas fallas menores que se extienden hasta las grietas microscópicas presentes en la mayoría, si no en todas, las rocas.
«Uno de los desafíos de mi campo es relacionar la deformación de las rocas a la escala que podemos simular en el laboratorio con lo que observamos en la naturaleza, donde la deformación ocurre a escalas muchos órdenes de magnitud mayores», afirma Avouac. «La diferencia de escala es enorme».
El nuevo estudio contribuye a cerrar esa brecha. Avouac y sus colegas realizaron un experimento de inyección de fluidos en una falla que atraviesa más de un cuarto de milla de caliza. Se puede acceder a la falla gracias a que se encuentra junto al Laboratoire Souterrain à Bas Bruit (LSBB), una antigua instalación militar subterránea del sureste de Francia que ahora está a disposición de los científicos.
El equipo de investigación perforó un agujero hasta la falla, a unos 925 pies de profundidad. Luego introdujo en él un cilindro de cinco pies de largo equipado con sensores, denominado Step-Rate Injection Method for Fracture In-Situ Properties (método de inyección escalonada para determinar propiedades in situ de fracturas), o SIMFIP. El SIMFIP se diseñó para medir la presión, el caudal de agua, el movimiento de las rocas y otros datos clave mientras permanece suspendido en la zona de la falla.
«La sonda SIMFIP abre el camino para caracterizar las propiedades de las fallas, fundamentales para estudiar el peligro sísmico y comprender la física de los terremotos», afirma el coautor del artículo Frédéric Cappa, profesor del Laboratorio de Ciencias de la Tierra y Planetarias Géoazur de la Universidad de Niza Sophia Antipolis, en Francia. Cappa, quien desarrolló los experimentos y modelos junto con Guglielmi y Avouac, fue profesor visitante en el Observatorio de Tectónica durante la preparación del estudio.
«La tecnología SIMFIP supone un gran avance», afirma Avouac. «Esperamos que esta tecnología u otras similares se utilicen en el futuro para estudiar fallas en diversos contextos geológicos».
Tras insertar la sonda SIMFIT, los investigadores inyectaron 250 galones de agua en la zona de la falla. El SIMFIP registró un deslizamiento inicialmente lento y gradual de las rocas a medida que se bombeaba el fluido; este tipo de movimiento en una falla se denomina deslizamiento asísmico, ya que no se producen microterremotos medibles. Sin embargo, al separarse los dos lados de la falla durante este leve movimiento, el caudal de agua que entraba en ella aumentó drásticamente. Unos 18 minutos después de iniciado el experimento, aumentó la velocidad del deslizamiento, lo que generó ondas sísmicas y decenas de microterremotos medibles.
El experimento reveló que la inyección de fluidos no provocó directamente un terremoto. En cambio, es probable que el deslizamiento asísmico acumulara tensión en los bordes de la zona de deslizamiento gradual de la roca. Finalmente, la tensión venció la fricción entre las caras rocosas dentro de la falla y desencadenó los terremotos.
Emily Brodsky, sismóloga de UC Santa Cruz que no participó en el estudio, señala que las «observaciones cercanas» de la investigación «ofrecen la imagen más completa hasta la fecha del inicio de un terremoto. La transición del deslizamiento silencioso y gradual a los terremotos está muy bien documentada en este conjunto de datos y, sorprendentemente, se ajusta bien a un modelo muy sencillo».
El trabajo aporta información sobre los peligros sísmicos relacionados con la inyección de fluidos por parte de la industria del petróleo y el gas, así como con la instalación de centrales por parte de empresas de energía geotérmica. La continuación de los estudios con el SIMFIP también podría contribuir al desarrollo de tecnologías de captura y almacenamiento de carbono para confinar bajo tierra el dióxido de carbono emitido por las centrales eléctricas e impedir que este gas de efecto invernadero llegue a la atmósfera. Preocupa la posible inducción de terremotos, que, por ejemplo, podrían dañar los yacimientos subterráneos de carbono y provocar fugas.
Por último, Avouac y sus colegas sugieren que comprender mejor los terremotos superficiales causados por el ser humano a raíz de la inyección de fluidos ayudará a formular teorías sobre cómo influye el agua a grandes profundidades en las fallas y en su potencial para generar terremotos de gran magnitud.
El artículo se titula «Seismicity triggered by fluid injection-induced aseismic slip» . El trabajo experimental recibió financiación de la Agence Nationale de la Recherche (ANR) Captage de CO2, a través del proyecto HPPP-CO2, y de PACA, a través del proyecto PETRO-PRO. Los modelos de falla de tasa y estado utilizados en este estudio recibieron el apoyo de la Academia de Ciencias de Francia, el Observatorio de Tectónica de Caltech y la ANR HYDROSEIS.
Este artículo se publica en colaboración con Caltech. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Adam Hadhazy escribe para Caltech.
Imagen: Un arcoíris aparece sobre una de las lagunas secas del Refugio Nacional de Vida Silvestre Quivira, en Hudson, Kansas. REUTERS/Jeff Tuttle
