La hidrogeología de zonas de falla es el estudio de cómo las rocas frágilmente deformadas alteran los flujos de fluidos en diferentes entornos litológicos , como rocas clásticas , ígneas y carbonatadas . [1] Los movimientos de fluidos, que pueden cuantificarse como permeabilidad , pueden verse facilitados o impedidos debido a la existencia de una zona de falla . [1] Esto se debe a que diferentes mecanismos que deforman las rocas pueden alterar la porosidad y la permeabilidad dentro de una zona de falla. [1] [2] Los fluidos involucrados en un sistema de falla generalmente son agua subterránea (agua dulce y marina) e hidrocarburos (petróleo y gas). [3]
Tenga en cuenta que la permeabilidad (k) y la conductividad hidráulica (K) se usan indistintamente en este artículo para una comprensión simplificada.
Una zona de falla generalmente se puede subdividir en dos secciones principales, que incluyen un núcleo de falla (FC) y una zona de daño (DZ) [4] [5] (Figura 1).
El núcleo de la falla está rodeado por la zona de daño. Tiene un espesor mensurable que aumenta con el lanzamiento y el desplazamiento de la falla, es decir, con el aumento de las deformaciones . [1]
La zona de daño envuelve el núcleo de la falla de manera irregular en 3D y puede tener desde metros hasta unos cientos de metros de ancho (perpendicular a la zona de la falla). [6] Dentro de un gran sistema de fallas, se pueden encontrar múltiples núcleos de falla y zonas de daño. [1] Los núcleos de fallas más jóvenes y las zonas dañadas pueden superponerse a los más antiguos.
En la siguiente sección se analizarán diferentes procesos que pueden alterar la permeabilidad de la zona de falla en el núcleo de la falla y la zona de daño, respectivamente. En general, la permeabilidad de una zona dañada es varios órdenes de magnitud mayor que la de un núcleo de falla, ya que las zonas dañadas generalmente actúan como conductos (se discutirá en la sección 3). [7] Dentro de una zona dañada, la permeabilidad disminuye a medida que se aleja del núcleo de una falla. [7]
Existen muchas clasificaciones para agrupar zonas de fallas en función de sus patrones de permeabilidad. Algunos términos son intercambiables; mientras que algunos tienen diferentes subgrupos. La mayoría de las expresiones se enumeran en la siguiente tabla para comparar. La categorización de Dickerson se utiliza comúnmente y es más fácil de entender en una amplia gama de estudios. [4]
La clasificación de una zona de falla puede cambiar espacial y temporalmente. El núcleo de la falla y la zona de daño pueden comportarse de manera diferente para adaptarse a las deformaciones . [1] Además, la zona de falla puede ser dinámica a través del tiempo. Por lo tanto, los patrones de permeabilidad pueden cambiar con efectos a corto y largo plazo. [1]
*K = Permeabilidad/Conductividad Hidráulica
*fz = zona de falla
*hr = roca huésped = Roca no deformada rodea las zonas de falla
La zona de falla resulta de una deformación frágil . [3] Numerosos mecanismos pueden variar la permeabilidad de una zona de falla. Algunos procesos afectan la permeabilidad temporalmente. Estos procesos aumentan la permeabilidad durante un cierto período y luego la reducen: en este caso, como en los eventos sísmicos, la permeabilidad no es constante a lo largo del tiempo. [11] Las reacciones físicas y químicas son los principales tipos de mecanismos. [1] Pueden ocurrir diferentes mecanismos en el núcleo de la falla y en la zona de daño, ya que las intensidades de deformación que experimentan son diferentes (Tabla 3).
*+ = es más probable que ocurra en
La formación de una banda de dilatación, en material no consolidado, es el resultado inicial de la aplicación de fuerzas de extensión. [1] La desagregación del tejido mineral ocurre junto con la banda, pero el movimiento de los granos no logra ninguna compensación [1] (Figura 3).
Una mayor deformación provoca desplazamientos de los granos minerales por rotación y deslizamiento. [3] Esto se llama banda de corte. La red de poros se reorganiza mediante movimientos granulares (también llamados flujo de partículas), por lo que mejora moderadamente la permeabilidad. Sin embargo, la deformación continua conduce a la cataclasis de los granos minerales, lo que reducirá aún más la permeabilidad más adelante (sección 3.2.3) [1] (Figura 4).
La brechación se refiere a la formación de fragmentos angulares de grano grueso incrustados en una matriz de grano fino . [13] Como la brecha (la roca que experimentó una brecha) a menudo no es cohesiva, la permeabilidad se puede aumentar hasta cuatro o cinco órdenes de magnitud. [1] Sin embargo, el espacio vacío ampliado por la brecha conducirá a un mayor desplazamiento a lo largo de la zona de la falla por la cementación, lo que resultará en una fuerte reducción de la permeabilidad [1] (Figura 5).
Las fracturas se propagan a lo largo de una zona de falla en la dirección que responde a la tensión aplicada. [5] La mejora de la permeabilidad está controlada por la densidad, orientación, distribución de longitud, apertura y conectividad de las fracturas. [4] Incluso una fractura con una apertura de 100-250 μm puede influir en gran medida en el movimiento del fluido (Figura 6). [1]
Los sedimentos, típicamente de formaciones distintas, con diferentes tamaños de grano, se mezclan físicamente por deformación, lo que da como resultado una mezcla peor clasificada . El espacio poroso se llena con granos más pequeños, lo que aumenta la tortuosidad (escamas minerales en este caso) del flujo de fluido a través del sistema de fallas. [1]
Los minerales arcillosos son filosilicatos , es decir, con estructura laminar. [14] Son agentes eficaces que bloquean los flujos de fluido a través de una zona de falla. [14] Las manchas de arcilla, capas deformadas de arcilla, que se desarrollan a lo largo de la zona de la falla pueden actuar como un sello del yacimiento de hidrocarburos, es decir, una permeabilidad extremadamente baja que casi prohíbe todos los flujos de fluidos (Figura 7). [1]
La cataclasis se refiere a la fracturación y trituración frágiles y generalizadas de los granos. [15] Este mecanismo se vuelve dominante a profundidades superiores a 1 km y con granos más grandes. [1] Con una intensidad creciente de la cataclasis, se forma una hendidura de falla , a menudo con presencia de arcilla. [1] La mayor reducción se produce en los flujos que son perpendiculares a la banda. [1]
Las compactaciones y cementaciones generalmente conducen a una reducción de la permeabilidad al perder porosidad. [1] Cuando una región grande, que consiste en una zona de falla, experimenta compactación y cementación, la pérdida de porosidad en la roca huésped (roca no deformada que rodea la zona de falla) puede ser mayor que la de la roca de la zona de falla. Por tanto, los fluidos se ven obligados a fluir a través de una zona de falla. [1]
El soluto transportado por los fluidos puede mejorar o reducir la permeabilidad mediante disolución o precipitación (cementación). [1] [16] El proceso que tiene lugar depende de las condiciones geoquímicas como la composición de la roca, la concentración de solutos, la temperatura, etc. [1] Los cambios en la porosidad controlan predominantemente si la interacción fluido-roca continúa o se desacelera como una fuerte reacción de retroalimentación .
Por ejemplo, minerales como carbonatos , cuarzo y feldespatos se disuelven mediante interacciones fluido-roca debido a una mayor permeabilidad. [1] Una mayor introducción de fluidos puede disolver continuamente o volver a precipitar minerales en el núcleo de la falla y, por lo tanto, altera la permeabilidad. [1] Por lo tanto, si la retroalimentación es positiva o negativa depende en gran medida de las condiciones geoquímicas.
Los terremotos pueden aumentar o disminuir la permeabilidad a lo largo de las zonas de falla, dependiendo de los entornos hidrogeológicos. Las descargas registradas de aguas termales muestran que las ondas sísmicas mejoran predominantemente la permeabilidad, [11] [17] [18] pero ocasionalmente también pueden producirse reducciones en la descarga. [19] La escala de tiempo de los cambios puede ser de hasta miles de años. [16] La fracturación hidráulica (fracking) requiere aumentar la interconexión del espacio poroso (en otras palabras, la permeabilidad) del esquisto para permitir que el gas fluya a través de la roca, y se aplica una actividad sísmica muy pequeña inducida deliberadamente de magnitudes menores que 1 para mejorar la permeabilidad de la roca. [20]
Tomando como ejemplo el terremoto de Chile en 2017 , la descarga del caudal de la corriente aumentó temporalmente seis veces, lo que indica una mejora seis veces mayor en la permeabilidad a lo largo de la zona de la falla. [11] Sin embargo, los efectos inducidos por los terremotos son temporales y normalmente duran meses; en el caso de Chile, duraron un mes y medio y disminuyeron gradualmente hasta alcanzar la descarga original. [11]
La porosidad (φ) refleja directamente el almacenamiento específico de la roca. Y la formación quebradiza altera los poros por diferentes mecanismos. Si los poros se deforman y se conectan entre sí, aumenta la permeabilidad de la roca. [2] Por otro lado, si los poros deformados se desconectan entre sí, la permeabilidad de la roca en este caso se reduce. [2]
Los granos minerales se pueden disolver cuando hay flujo de fluido. Los espacios originalmente ocupados por los minerales quedarán libres como vacíos, aumentando la porosidad de la roca. [2] Los minerales que suelen estar disueltos son el feldespato , la calcita y el cuarzo . [1] Los poros de disolución del grano resultantes de este proceso pueden mejorar la porosidad.
Los granos minerales se rompen en pedazos más pequeños por fallas. Esos fragmentos más pequeños se reorganizarán y se compactarán aún más para formar espacios porosos más pequeños. [2] Estos procesos crean poros de fractura intragranular y poros de fractura transgranular.
Es importante tener en cuenta que reducir la porosidad no equivale a reducir la permeabilidad. La fractura, bracificación y la etapa inicial de cataclasis pueden conectar espacios porosos mediante grietas y bandas de dilatación, aumentando la permeabilidad. [2]
Los granos minerales pueden precipitar cuando hay flujo de fluido. Los huecos en las rocas pueden estar ocupados por la precipitación de granos minerales. Los minerales llenan los huecos y, por tanto, reducen la porosidad. [1] Son comunes el crecimiento excesivo y la precipitación alrededor de un grano mineral existente de cuarzo. [2] Y los minerales demasiado crecidos rellenan los poros preexistentes, reduciendo la porosidad. [2]
Los minerales arcillosos son filosilicatos , es decir, con estructura laminar. [14] Son agentes eficaces que bloquean los flujos de fluidos. La caolinita , que se deriva del feldespato potásico con presencia de agua, es un mineral común que llena los espacios porosos. [2] La precipitación y la infiltración solo afectan a los materiales a poca profundidad, por lo tanto, más materiales arcillosos llenan los espacios porosos cuando están más cerca de la superficie. Sin embargo, el desarrollo de una zona de falla hace que el fluido fluya más profundamente. [2] Por lo tanto, esto facilita la deposición de arcilla en profundidad, reduciendo la porosidad.
La litología tiene un efecto dominante en el control de qué mecanismos tendrían lugar a lo largo de una zona de falla y, por lo tanto, cambia la porosidad y la permeabilidad. [1]
* ↑ = mecanismo que mejora la permeabilidad
*↓ = mecanismo que reduce la permeabilidad
Todas las fallas se pueden clasificar en tres tipos. Son falla normal , falla inversa (falla de empuje) y falla de deslizamiento . Estos diferentes comportamientos de fallas se adaptan al desplazamiento de distintas maneras estructurales.
Las diferencias en los movimientos de falla podrían favorecer o desfavorecer la aparición de ciertos mecanismos que alteran la permeabilidad. [1] Sin embargo, el principal factor de control de la permeabilidad es el tipo de roca. [1] Dado que las características de la roca controlan cómo se puede desarrollar una zona de falla y cómo se pueden mover los fluidos. Por ejemplo, la arenisca generalmente tiene una porosidad mayor que la del esquisto. Una arenisca deformada en tres sistemas de fallas diferentes debería tener un almacenamiento específico más alto , y por lo tanto una permeabilidad, más alta que la de la lutita. Un ejemplo similar, como la fuerza (resistencia a la deformación), también depende significativamente de los tipos de rocas en lugar de los tipos de fallas. Por lo tanto, las características geológicas de la roca involucrada en una zona de falla son un factor más dominante. [1] [2]
Por otro lado, el tipo de falla puede no ser un factor dominante, pero sí la intensidad de la deformación. [1] [6] Cuanto mayor sea la intensidad de las tensiones aplicadas a la roca, más intensamente se deformará la roca. La roca experimentará un evento de cambio de permeabilidad mayor. Por lo tanto, la cantidad de estrés aplicado es importante.
Igualmente importante es que el principal ámbito de estudio es identificar la categoría de permeabilidad de las zonas de falla (barreras, barreras-conductos y conductos). [1] En otras palabras, cómo se comportan las zonas de falla cuando pasan fluidos.
Los estudios de zonas de fallas son reconocidos en la disciplina de Geología Estructural ya que involucra cómo se deformaron las rocas; mientras que las investigaciones de movimientos de fluidos se agrupan en el campo de la Hidrología . [1] [4] Los geólogos estructurales e hidrólogos utilizan principalmente dos tipos de métodos para examinar la zona de falla (Figura 7).
Las pruebas in situ incluyen la obtención de datos de perforaciones , núcleos de perforación y proyectos de túneles. [1] Normalmente, la existencia de una zona de falla se encuentra cuando se miden diferentes propiedades hidráulicas a través de ella, ya que las zonas de falla rara vez se perforan (excepto en proyectos de túneles) (Figura 8).
Las propiedades hidráulicas de las rocas se obtienen directamente de muestras de afloramiento o de pozos de sondeo/ pozos de prueba poco profundos , [1] luego se hacen predicciones de la estructura de la falla para las rocas en profundidad (Figura 8).
Como ejemplo de una prueba de acuífero a gran escala realizada por Hadley (2020), el autor utilizó 5 pozos alineados perpendicularmente a la zona de la falla Sandwich en los EE. UU., y se observaron las caídas y las tasas de recuperación de los niveles de agua en cada pozo. [3] A partir de la evidencia de que las tasas de recuperación son más lentas para los pozos más cercanos a la zona de la falla, se sugiere que la zona de la falla actúa como una barrera para el movimiento del agua subterránea hacia el norte, afectando el suministro de agua dulce en el norte. [3]
A partir de un estudio de afloramiento de la falla de Zuccale en Italia realizado por Musumeci (2015), los hallazgos de los afloramientos de superficie y la relación transversal se utilizan para determinar el número y el mecanismo de los eventos deformacionales ocurridos en la región. [25] Además, la presencia de brechas y cataclasitas, que se formaron bajo deformación frágil, [25] sugieren que hubo una etapa inicial de aumento de la permeabilidad, promoviendo una entrada de fluidos hidratados ricos en CO 2 . [26] Los fluidos desencadenaron metamorfismo de bajo grado y disolución y precipitación (es decir, solución a presión ) en la escala mineral que dio forma a un núcleo de falla foliada , mejorando significativamente el efecto de sellado. [26]
Los fluidos subterráneos, en particular el agua subterránea, crean anomalías en los datos de gravedad superconductores que ayudan a estudiar la zona de la falla en profundidad. [27] El método combina datos gravitacionales y condiciones del agua subterránea para determinar no solo la permeabilidad de una zona de falla sino también si la zona de falla está activa o no. [27]
Las condiciones geoquímicas de los fluidos minerales, agua o gases, se pueden utilizar para determinar la existencia de una zona de falla comparando la geoquímica de la fuente de los fluidos, dado que se conocen las condiciones de los acuíferos . [28] Los fluidos se pueden clasificar por las concentraciones de solutos comunes como sólidos disueltos totales (TDS) , fase Mg - Ca - Na / K , fase SO4 - HCO3 - Cl y otros oligoelementos disueltos . [28] [29]
La selección de un enfoque de estudio apropiado es esencial ya que existen sesgos al determinar la estructura de permeabilidad de la zona de falla. [4]
En rocas cristalinas , las investigaciones centradas en el subsuelo favorecen los descubrimientos de un patrón de zona de falla de conducto; mientras que los métodos de superficie favorecen una estructura de zona de falla combinada de barrera y conducto. [4] Los mismos sesgos, en menor medida, también existen en las rocas sedimentarias . [4]
Los sesgos pueden estar relacionados con las diferencias en la escala de estudio. Para los geólogos estructurales, es muy difícil realizar estudios de afloramientos en una vasta región; Asimismo, para los hidrólogos resulta caro e ineficaz acortar los intervalos de las pruebas en las perforaciones. [4]
Económicamente vale la pena estudiar el complejo sistema, especialmente para las regiones áridas/semiáridas, [30] donde los recursos de agua dulce son limitados y las áreas potenciales con almacenamiento de hidrocarburos. [1] [3] [21] Investigaciones adicionales sobre la zona de la falla, resultado de la deformación, brindaron información sobre las interacciones entre los terremotos y los fluidos hidrotermales a lo largo de la zona de la falla. [16] [27] Además, los fluidos hidrotermales asociados con la zona de falla también proporcionan información sobre cómo se acumularon los depósitos de mineral . [dieciséis]
El secuestro de carbono es un método moderno que se ocupa del carbono atmosférico . Uno de los métodos es bombear carbono atmosférico a depósitos específicos de petróleo y gas agotados en profundidad. Sin embargo, la presencia de una zona de falla actúa como un sello o un conducto, [21] afectando la eficiencia de la formación de hidrocarburos.
Las microfracturas que cortan a lo largo de la unidad de sellado y la roca del yacimiento pueden afectar en gran medida la migración de hidrocarburos. [21] La banda de deformación bloquea el flujo lateral (horizontal) de CO 2 y la unidad de sellado evita que el CO 2 migre verticalmente [21] (Gif 1). La propagación de una microfractura que atraviesa una unidad de sellado, en lugar de tener una banda de deformación dentro de la unidad de sellado, facilita la migración de CO 2 hacia arriba (Gif 2). Esto permite las migraciones de fluidos de un yacimiento a otro. [21] En este caso, la banda de deformación todavía no facilita el flujo de fluido lateral (horizontal). [21] Esto podría conducir a la pérdida de carbono atmosférico inyectado, reduciendo la eficiencia del secuestro de carbono.
Una zona de falla que desplaza unidades de sellado y rocas reservorio puede actuar como un conducto para la migración de hidrocarburos. [6] La zona de falla en sí tiene una mayor capacidad de almacenamiento (capacidad específica) que la de las rocas reservorio, por lo tanto, antes de la migración a otras unidades, la zona de falla debe llenarse completamente [6] (Gif 3). Esto puede ralentizar y concentrar la migración de fluidos. La zona de falla facilita el movimiento vertical hacia abajo del CO 2 debido a su flotabilidad y diferencias de altura piezométrica , es decir, la presión / cabeza hidráulica es mayor a mayor elevación, lo que ayuda a almacenar CO 2 en profundidad. [6]
Las regiones que son o fueron sísmicas activas y con presencia de zonas de fallas pueden indicar que hay depósitos de mineral . Un estudio de caso en Nevada, EE. UU., realizado por Howald (2015) estudió cómo los fluidos inducidos por sísmos acumulan depósitos minerales , concretamente sínter y oro , a lo largo de los espacios proporcionados por una zona de falla. Se identificaron y fecharon dos eventos sísmicos separados mediante concentraciones isotópicas de oxígeno, seguidos de episodios de migraciones de fluidos hidrotermales ascendentes a través de la zona de falla normal permeable. [16] La mineralización comenzó a tener lugar cuando estos fluidos hidrotermales calientes ricos en sílice se encontraron con el agua meteórica fría infiltrada a lo largo de la zona de la falla hasta que se cerró el sistema de flujo convectivo. [16] Para depositar minerales, los eventos sísmicos que traen fluidos hidrotermales no son el único factor dominante, la permeabilidad de la zona de falla también debe ser suficiente para permitir los flujos de fluidos. [dieciséis]
Otro ejemplo tomado de Sheldon (2005) también muestra que el desarrollo de la zona de falla, en este caso mediante fallas de rumbo , facilita la mineralización. La dilatación repentina que se produjo junto con eventos de deslizamiento aumenta la porosidad y la permeabilidad a lo largo de la zona de la falla. [31] Un mayor desplazamiento conducirá a un mayor aumento de la porosidad. [31] Si el evento de falla atravesó una unidad de sellado que sella un acuífero confinado de fluidos sobrepresionados, los fluidos pueden ascender a través de la zona de falla. [31] Luego, la mineralización tendrá lugar a lo largo de la zona de la falla mediante una solución a presión , [31] reduciendo la porosidad de la zona de la falla. El canal de flujo de fluido a lo largo de la zona de la falla se cerrará cuando los poros estén casi ocupados por minerales recién precipitados. [31] Deben ocurrir múltiples eventos sísmicos para formar estos depósitos de mineral económicos con estructura de veta. [31]
{{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda ){{cite book}}: Mantenimiento CS1: otros ( enlace )