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Viver com geo-recursos e geo-riscos

Dois dos principais tópicos estratégicos do Roteiro Horizonte 2020 do Comitê Europeu giram em torno de geofrecursos e riscos geográficos, e seu impacto no desenvolvimento social e econômico. No caminho para uma política melhor para a produção de geo-recursos sustentáveis ​​- como petróleo, gás, energia geotérmica e água subterrânea, bem como para a gestão de risco geo-perigoso, como terremotos (induzidos) e erupções vulcânicas – os cientistas da Terra Sólida idealmente designados para fornecer a base científica necessária. A fim de compreender os mecanismos que impulsionam esses processos geológicos, os cientistas do Laboratório de Alta Pressão e Temperatura (HPT) do Departamento de Ciências da Terra da Universidade de Utrecht, na Holanda, investigam essas questões dentro da área estratégica de Terra e Sustentabilidade da universidade e, por por exemplo, no projeto SEISMIC, financiado pelo European Research Council Starting Grant do Dr. André Niemeijer.

Impacto em áreas urbanas

Com a demanda global por energia em alta, os recursos de combustíveis fósseis fáceis de obter diminuindo e os níveis crescentes de CO2 mudando o clima, o futuro fornecimento de energia está se tornando uma preocupação séria em escalas globais e regionais. Por este motivo, recursos de baixo carbono, como gás natural, gás de xisto e energia geotérmica, estão se tornando cada vez mais explorados, ao contrário do carvão ou do petróleo. No entanto, a exploração dos recursos subterrâneos da Terra remove o ambiente do reservatório de seu equilíbrio físico e químico natural. A produção de reservatórios freqüentemente causa compactação de reservatórios e reativação de falhas, levando à subsidência de superfície e (micro) sismicidade induzida. A densa população da Europa, ao contrário de outras áreas do mundo, inevitavelmente significa que a maioria das áreas tectonicamente ativas também são áreas urbanas. Terremotos naturais, mesmo aqueles de tamanho moderado, podem causar um impacto significativo na saúde e na economia nessas regiões, como o terremoto de L’Aquila em 2009. Ao mesmo tempo, tremores induzidos pelo homem em esforços de produção de geoenergia, como produção de hidrocarbonetos, energia geotérmica e ‘fraturamento’, em alguns casos também levaram a danos econômicos significativos e, em geral, a agitação social.

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Rumo à produção de energia sustentável da Terra

Dado o potencial impacto social e ecológico da subsidência da superfície, bem como o interesse atual em desenvolver energia geotérmica e recursos de gás não convencionais em áreas densamente povoadas, há muita necessidade de obter uma melhor compreensão quantitativa do comportamento das rochas reservatório para melhorar a previsibilidade do impacto e dos riscos da produção de geoenergia. O medo do desconhecido pode levar a respostas públicas exageradas e, portanto, é importante fornecer uma base científica sólida que separe os riscos reais das lendas urbanas.

A extração de fluidos da subsuperfície leva inevitavelmente à compactação (poro) elástica do reservatório, portanto, subsidência e ocasional reativação de falhas. A subsidência induzida é observada em campos de hidrocarbonetos onshore (por exemplo, Groningen, Holanda; Lacq, França) e offshore (por exemplo, Ekofisk, Mar do Norte norueguês) e pode ter um impacto técnico, econômico, social e ambiental significativo. Esses efeitos freqüentemente excedem o que é esperado do comportamento puramente elástico do reservatório e podem continuar muito depois de a exploração ter cessado. Isso é mais provavelmente devido à compactação dependente do tempo ou ‘deformação por fluência’ de tais reservatórios, impulsionada pela redução na pressão do fluido de poro em comparação com a cobertura de rocha.

Em contraste, a injeção de fluidos, por exemplo, para fraturamento ou armazenamento geológico de CO2, também pode induzir processos de deformação. O fraturamento de xistos contendo gás ou arenitos compactos pode causar sismicidade devido à sobrepressurização e fraturamento do reservatório subterrâneo. E embora o armazenamento de CO2 seja considerado uma solução potencial para reduzir as emissões de CO2, as interações químicas entre a rocha e o fluido podem alterar seu comportamento mecânico. A repressurização de um campo de hidrocarbonetos esgotado por CO2 de alta pressão pode levar ao deslizamento de falhas de limite. Em ambos os cenários, o comportamento mecânico da rocha in situ é controlado por seu comportamento de fluência.

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Até o momento, nenhum modelo de fluência com base física existe para prever tais efeitos. As ‘leis de fluência’ propostas são empíricas e não têm nenhuma base mecanicista para restringir a extrapolação de condições de laboratório para reservatórios in situ. A estimativa do perigo sísmico relacionado ao movimento da falha foi baseada principalmente em registros históricos de sismicidade. No entanto, em comparação com escalas de tempo geológicas, nossos registros são relativamente curtos e, portanto, incompletos.

Além disso, o potencial de (micro) sismicidade ao utilizar a subsuperfície para injeção ou extração de fluidos deve ser avaliado previamente. Para conseguir isso, precisamos entender como a resistência ao deslizamento das falhas, que acomodam a maior parte da deformação, evolui com as mudanças no estado de tensão ou ambiente químico. Além disso, é necessário delinear as condições sob as quais a reativação de falhas pode levar a um escorregamento instável e sismogênico.

Fornecendo uma base para os formuladores de políticas

Para desenvolver e adotar políticas para regular as estratégias de produção de energia ou gestão de riscos naturais, é necessária uma compreensão fundamental dos processos micromecânicos e químicos que operam na escala grão a grão. Na prática, isso envolve experimentos em escala de laboratório (escala mm a cm) em materiais rochosos representativos, sob as condições térmicas, de pressão e químicas existentes no subsolo. As instalações experimentais do laboratório HPT em Utrecht são utilizadas para investigar isso sob uma ampla variedade de condições de estresse, temperatura e químicas. Essas condições variam de condições subsuperficiais relativamente rasas (2-3 km) até aquelas relacionadas à ocorrência de mega-terremotos como o terremoto Tohoku em 2011 (20-30 km de profundidade), que causou o tsunami que atingiu a Usina Nuclear de Fukushima . Uma vez que os mecanismos de controle de escala de grãos são identificados e quantificados, os resultados experimentais são integrados em modelos numéricos de grande escala, em estreita colaboração com os grupos de tectonofísica e sismologia da Universidade de Utrecht, com o objetivo final de fornecer um melhor, de física e química baseada na avaliação de riscos sísmicos em escalas regionais.

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Dra. Suzanne Hangx

Pesquisador pós-doutorado

Dr. André Niemeijer

Professor assistente

Alta pressão e temperatura

Laboratório

Departamento de Ciências da Terra

Universidade de Utrecht

Tel: +31 30 253 5043

[email protected]

www.uu.nl/en/research/experimental-rock-deformationhpt-lab