Geotermia e terremoti indotti
Induced Earthquakes Basel
La Svizzera si trova in una regione tettonicamente attiva. Il Servizio Sismico Svizzero (SED) registra ogni anno dai 1'000 agli 1'500 terremoti, di cui in genere 10 a 20 sono percepibili dalla popolazione. Tuttavia, non tutte le scosse presentano una causa naturale: alcune di esse sono causate dall’uomo. La comunità scientifica parla in questo caso di «sismi indotti» o di «sismicità indotta». I terremoti artificiali e indotti sono fondamentalmente terremoti come tutti gli altri, provocati da un improvviso calo di tensione lungo le fratture presenti nella crosta terrestre. L’energia sismica liberata si propaga sotto forma di onde attraverso la Terra e lungo gli strati terrestri, dando origine a vibrazioni percepite come scosse sismiche. I terremoti indotti non possono essere distinti dai terremoti naturali in base alle loro caratteristiche fisiche.
La sismicità indotta viene spesso causata da interventi tecnici di grande portata effettuati nel sottosuolo. I terremoti artificiali sono già stati osservati in Germania o in Inghilterra più di 100 anni fa in connessione con l’estrazione del carbone. Si tratta, con qualche rara eccezione, di terremoti di piccola entità pressoché impercettibili in superficie. I terremoti indotti in tutto il mondo hanno causato talvolta perdite economiche sostanziali, ma solo pochi feriti e ancor meno o nessuna vittima. Una panoramica dei terremoti indotti è disponibile nello snapshot Terremoti causati dall’uomo. In Svizzera i terremoti causati dall’uomo sono noti principalmente per il loro legame con i progetti geotermici: nel 2006 a Basilea l’acqua iniettata ad alta pressione nel sottosuolo ha causato un sisma di magnitudo 3.4, mentre nel 2013 si è verificato un terremoto di magnitudo 3.5 nei pressi di San Gallo. Ma terremoti indotti sono stati osservati in Svizzera anche in relazione a lavori relativi a gallerie o allo sbarramento di laghi artificiali.
Una sfida importante nei progetti internazionali nonché geotermici di Basilea (2006) o San Gallo (2013) risiede quindi nella sismicità indotta associata. L’attenzione è puntata perciò su come produrre la permeabilità necessaria per un progetto geotermico funzionante senza provocare forti vibrazioni.
Fattori che influenzano la sismicità indotta
Diversi fattori influenzano la frequenza dei terremoti indotti nell’ambito di un progetto geotermico.
Maggiore è il volume di roccia influenzato da variazioni sollecitanti, più è probabile che si verifichi un evento sismico. Questo è un effetto geometrico di prim’ordine. Viene attualmente dibattuto se la massima intensità possibile di un evento sismico sia proporzionale al volume interessato o all’area della faglia (Baisch et al., 2010a; Gischig e Wiemer, 2013; McGarr, 2014).
In un sistema chiuso ideale l’attività raggiungerà uno stato costante e le variazioni di pressione dei pori resteranno limitate a un determinato volume. La sismicità in tali sistemi dovrebbe stabilizzarsi col tempo (Soultz). Nei sistemi aperti la pressione o l’impronta della sollecitazione crescono col tempo e la sismicità in tali contesti sarà più variabile. Sono possibili improvvisi aumenti quando vengono raggiunti momenti critici di sollecitazione dovuti a cambiamenti di pressione e/o sollecitazione. La sismicità in tali contesti può essere sporadica (Landau), aumentare col tempo (campo di gas di Groningen) o essere più o meno stabile (Paradox Valley).
Si ritiene che, come conseguenza del profilo di forza della crosta terrestre, i sistemi più profondi producano generalmente più terremoti indotti: le sollecitazioni differenziali aumenteranno con la profondità e i terremoti naturali sono meno frequenti nei primi 1–3 chilometri di crosta terrestre. Secondo vari modelli, l’aumento dell’attività sismica dovuto a tale incremento supererà l’effetto geometrico del decadimento (Gischig e Wiemer, 2013). Tuttavia, sorprendentemente vi sono finora poche prove empiriche della dipendenza dalla profondità.
Le rocce cristalline di basamento sono ritenute tipicamente più sismogenetiche rispetto alle rocce sedimentarie (Evans, et al., 2012).
L’ipotesi che le aree di bassa sismicità naturale siano anche zone con meno probabilità di rispondere con elevati livelli di sismicità indotta o con magnitudo massime inferiori è intuitiva. Evans et al. (2012) hanno presunto, sulla base di una banca dati europea, che non sia un caso se nelle aree a basso rischio (definite arbitrariamente come aree con valori di accelerazione di picco al suolo [Peak Ground Acceleration, PGA] di < 0,08) le magnitudo massime registrate siano effettivamente inferiori. Per studiare più a fondo questa relazione potenzialmente importante abbiamo aggiornato il database Evans et al. (2012) aggiungendo dati al di fuori dell’Europa. Come si vede nell’immagine 114, questi dati aggiuntivi dimostrano che l’ipotesi delle regioni con bassi PGA che producono eventi sismici con magnitudo massime inferiori può essere rifiutata.
Immagine 114: Rapporto tra la magnitudo osservata massima attesa ed il picco di accelerazione (PGA, in percentuale della gravità) con il 10 % di probabilità di superamento in 50 anni (derivato dalla mappa del Global Seismic Hazard). Questo insieme di dati è stato esteso da Evans et al. (2012). I marcatori sono colorati a seconda della profondità di iniezione e hanno dimensioni corrispondente al volume iniettato.
In generale, maggiori sono le variazioni della pressione dei pori (differenziale) a cui è sottoposto il sottosuolo e più rapide sono queste variazioni, tanto più probabili sono gli eventi sismici indotti. La sismicità spesso inizia solo una volta che i cambiamenti di pressione hanno superato una certa soglia minima. D’altra parte, è noto che le faglie molto vicine a eventi critici possono essere attivate da cambiamenti molto piccoli di pressione dei pori (ad esempio Rothert et al., 2003).
Le iniezioni vicino a noti sistemi di faglie attive aumentano notevolmente la possibilità di indurre terremoti. Per alcune applicazioni, come lo smaltimento delle acque reflue, la regola generale è dunque «stare lontano dalle faglie attive» (Zoback et al., 2012.).
La sollecitazione di un luogo gioca chiaramente un ruolo importante nel determinare la risposta sismogenetica del sottosuolo. La sollecitazione differenziale preesistente su una faglia preesistente è un prerequisito per indurre eventi di hydroshearing. Nelle zone in cui le condizioni di sollecitazione sono molto vicine alla pressione litostatica (σ1 ≈ σ2 ≈ σ3) la possibilità di indurre grandi terremoti è molto minore. Analogamente, la complessità ed eterogeneità del campo di sollecitazione e della rete delle fratture è importante, ma spesso poco conosciuta prima della trivellazione.
Le zone in cui la distribuzione delle dimensioni dei terremoti naturali (il valore b della legge di Gutenberg-Richter) è spostata verso valori elevati (b > 1) possono anche produrre un numero inferiore di grandi eventi sismici indotti e un numero maggiore di eventi sismici più piccoli. Gischig et al. (in preparazione) presuppongono che queste possano essere condizioni favorevoli per la creazione di un serbatoio geotermico con pericolosità sismica accettabile. Le regioni vulcaniche o geotermiche come GEISER (Geothermal Engineering Integrating Mitigation of Induced Seismicity in Reservoirs), Taupo o alcune parti dell’Islanda sono tipicamente caratterizzate da valori b elevati e serbatoi superficiali con sollecitazioni differenziali più basse, il che può spiegare il motivo per cui questi hanno avuto meno problemi con i terremoti indotti nonostante siano stati produttivi per molti anni.
Gli eventi sismici potenzialmente dannosi hanno minori probabilità di verificarsi quando i sistemi semaforici sono impostati in modo conservativo. Ciò significa che le soglie di interruzione sono impostate a un livello inferiore e che di conseguenza le iniezioni vengono interrotte prima. Tuttavia, i semafori più conservativi avranno un impatto sul tasso di successo commerciale dei progetti.