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 fallas 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 utilizan indistintamente en este artículo para simplificar la comprensión.
Una zona de falla se puede subdividir generalmente en dos secciones principales, que incluyen un núcleo de falla (CF) y una zona de daño (ZD) [4] [5] (Figura 1).
El núcleo de la falla está rodeado por la zona dañada y tiene un espesor medible que aumenta con la proyección y el desplazamiento de la falla, es decir, con deformaciones crecientes . [1]
La zona de daño envuelve el núcleo de la falla de manera irregular en una forma tridimensional que puede tener metros o cientos de metros de ancho (perpendicular a la zona de falla). [6] Dentro de un sistema de fallas grande, se pueden encontrar múltiples núcleos de falla y zonas de daño. [1] Los núcleos de falla y las zonas de daño más jóvenes 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 dañada, 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 suelen actuar como conductos (se analizará en la sección 3). [7] Dentro de una zona dañada, la permeabilidad disminuye a medida que se aleja del núcleo de la falla. [7]
Existen muchas clasificaciones para agrupar las zonas de fallas en función de sus patrones de permeabilidad. Algunos términos son intercambiables, mientras que otros tienen subgrupos diferentes. La mayoría de las expresiones se enumeran en la siguiente tabla para su comparación. 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 dañada 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 para efectos a corto y largo plazo. [1]
*K = Permeabilidad/Conductividad hidráulica
*fz = zona de falla
*hr = roca anfitriona = La roca no deformada rodea las zonas de falla
La zona de falla es el resultado de una deformación frágil . [3] Numerosos mecanismos pueden variar la permeabilidad de una zona de falla. Algunos procesos afectan la permeabilidad temporalmente. Estos procesos mejoran la permeabilidad durante un período determinado y luego la reducen más adelante: 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 dañada, ya que las intensidades de deformación que experimentan son diferentes (Tabla 3).
*+ = más probable que ocurra en
La formación de una banda de dilatación, en material no consolidado, es el resultado temprano 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 produce ningún desplazamiento [1] (Figura 3).
La deformación adicional provoca desplazamientos de los granos minerales por rotación y deslizamiento. [3] Esto se denomina banda de cizallamiento. La red de poros se reorganiza por los 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 que reducirá aún más la permeabilidad más adelante (sección 3.2.3) [1] (Figura 4).
La brechificación 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 la brechificación) a menudo no es cohesiva, la permeabilidad puede aumentar hasta cuatro o cinco órdenes de magnitud. [1] Sin embargo, el espacio vacío agrandado por la brechificación conducirá a un mayor desplazamiento a lo largo de la zona de falla por 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 una dirección que responde a la tensión aplicada. [5] La mejora de la permeabilidad está controlada por la densidad, la orientación, la distribución de la longitud, la apertura y la 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, que suelen provenir de formaciones distintas y tienen 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 (en este caso, la escala mineral) 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 fluidos 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 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 frágil generalizada y la conminución de granos. [15] Este mecanismo se vuelve dominante a profundidades superiores a 1 km y con granos más grandes. [1] Con el aumento de la intensidad de la cataclasis, se forma una ranura de falla , a menudo con presencia de arcilla. [1] La mayor reducción ocurre en los flujos que son perpendiculares a la banda. [1]
Las compactaciones y cementaciones generalmente conducen a una reducción de la permeabilidad por pérdida de porosidad. [1] Cuando una región extensa, que consiste en una zona de falla, experimenta compactación y cementación, la pérdida de porosidad en la roca madre (roca no deformada que rodea la zona de falla) puede ser mayor que la de la roca de la zona de falla. Por lo tanto, los fluidos se ven obligados a fluir a través de una zona de falla. [1]
El soluto transportado por fluidos puede mejorar o reducir la permeabilidad por 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 soluto, 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, los minerales como los carbonatos , el cuarzo y los feldespatos se disuelven por las interacciones fluido-roca debido a la mayor permeabilidad. [1] La introducción adicional de fluidos puede disolver continuamente o volver a precipitar minerales en el núcleo de la falla y, por lo tanto, alterar la permeabilidad. [1] Por lo tanto, que la retroalimentación sea 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 las condiciones hidrogeológicas. Las descargas de aguas termales registradas muestran que las ondas sísmicas mejoran predominantemente la permeabilidad, [11] [17] [18] pero ocasionalmente también pueden producirse reducciones en la descarga. [19] La escala temporal 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 deliberadamente inducida muy pequeña de magnitudes menores a 1 para mejorar la permeabilidad de la roca. [20]
Si tomamos como ejemplo el terremoto de Chile de 2017 , el caudal del caudal aumentó temporalmente seis veces, lo que indica una mejora de seis veces en la permeabilidad a lo largo de la zona de falla. [11] Sin embargo, los efectos inducidos por los sismos son temporales y normalmente duran meses; en el caso de Chile, duraron un mes y medio y luego disminuyeron gradualmente hasta alcanzar el caudal original. [11]
La porosidad (φ) refleja directamente el almacenamiento específico de la roca. Y la formación de fragilidad altera los poros mediante diferentes mecanismos. Si los poros se deforman y se conectan entre sí, la permeabilidad de la roca aumenta. [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 pueden disolverse cuando hay flujo de fluido. Los espacios originalmente ocupados por los minerales quedarán libres como huecos, aumentando la porosidad de la roca. [2] Los minerales que suelen disolverse son el feldespato , la calcita y el cuarzo . [1] La disolución de los granos en los poros resultante de este proceso puede aumentar la porosidad.
Los granos minerales se fragmentan en fragmentos más pequeños debido a un evento de falla. Esos fragmentos más pequeños se reorganizarán y se compactarán aún más para formar espacios porosos más pequeños. [2] Estos procesos crean poros de fractura intragranulares y poros de fractura transgranulares.
Es importante tener en cuenta que la reducción de la porosidad no equivale a una reducción de la permeabilidad. La fracturación, la brasificación y la etapa inicial de cataclasis pueden conectar los espacios porosos mediante grietas y bandas de dilatación, lo que aumenta la permeabilidad. [2]
Los granos minerales pueden precipitarse cuando hay flujo de fluido. Los huecos en las rocas pueden ser ocupados por la precipitación de granos minerales. Los minerales llenan los huecos y, por lo tanto, reducen la porosidad. [1] El crecimiento excesivo, la precipitación alrededor de un grano mineral existente, de cuarzo es común. [2] Y los minerales que crecen demasiado 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 altera a partir del feldespato potásico con la presencia de agua, es un mineral común que rellena los espacios porosos. [2] La precipitación y la infiltración solo afectan a los materiales a poca profundidad, por lo tanto, más materiales arcillosos rellenan los espacios porosos cuando están más cerca de la superficie. Sin embargo, el desarrollo de una zona de falla introduce fluido para fluir a mayor profundidad. [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, modificando así 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: falla normal , falla inversa (falla inversa) y falla de desgarre . Estos diferentes comportamientos de fallas se adaptan al desplazamiento de distintas maneras estructurales.
Las diferencias en los movimientos de falla pueden favorecer o desfavorecer la ocurrencia de ciertos mecanismos que alteran la permeabilidad. [1] Sin embargo, el principal factor que controla 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 más alta que la de la pizarra. Una arenisca deformada en tres sistemas de falla diferentes debería tener un almacenamiento específico más alto , y por lo tanto una mayor permeabilidad, que la de la pizarra. Un ejemplo similar, como la resistencia (resistencia a la deformación), también depende significativamente de los tipos de roca en lugar de los tipos de falla. Por lo tanto, las características geológicas de la roca involucrada en una zona de falla son un factor más dominante. [1] [2]
Por otra parte, el tipo de falla puede no ser un factor dominante, pero sí lo es la intensidad de la deformación. [1] [6] Cuanto mayor sea la intensidad de las tensiones aplicadas a la roca, más intensa será la deformación de la misma. La roca experimentará un mayor cambio de permeabilidad. Por lo tanto, la cantidad de tensión aplicada es importante.
Igualmente importante es que la identificación de la categoría de permeabilidad de las zonas de falla (barreras, barreras-conductos y conductos) es el principal objetivo de estudio. [1] En otras palabras, cómo se comportan las zonas de falla cuando hay paso de fluidos a través de ellas.
Los estudios de zonas de fallas se reconocen en la disciplina de la Geología Estructural , ya que involucra cómo se deformaron las rocas; mientras que las investigaciones de los movimientos de fluidos se agrupan en el campo de la Hidrología . [1] [4] Existen principalmente dos tipos de métodos utilizados para examinar la zona de falla por los geólogos estructurales e hidrólogos (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 detecta a medida que se miden diferentes propiedades hidráulicas a lo largo de ella, ya que rara vez se perforan zonas de falla (excepto en proyectos de túneles) (Figura 8).
Las propiedades hidráulicas de las rocas se obtienen directamente de muestras de afloramientos o de pozos de sondeo poco profundos [ 1] , luego se realizan las predicciones de la estructura de fallas para las rocas en profundidad (Figura 8).
Hadley (2020) realizó un ejemplo de una prueba de acuífero a gran escala en la que utilizó cinco pozos alineados perpendicularmente a la zona de falla Sandwich en los EE. UU. y observó las reducciones 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 falla, se sugiere que la zona de falla actúa como una barrera para el movimiento de agua subterránea hacia el norte, lo que afecta el suministro de agua dulce en el norte. [3]
A partir de un estudio de afloramiento de la falla Zuccale en Italia realizado por Musumeci (2015), los hallazgos del afloramiento superficial y la relación transversal se utilizan para determinar el número y el mecanismo de los eventos de deformación que sucedieron en la región. [25] Además, la presencia de brechas y cataclasitas, que se formaron bajo deformación frágil, [25] sugiere que hubo una etapa inicial de aumento de la permeabilidad, que promovió una afluencia de fluidos hidratados ricos en CO2 . [26] Los fluidos desencadenaron un metamorfismo de bajo grado y disolución y precipitación (es decir, presión-solución ) en la escala mineral que dio forma a un núcleo de falla foliada , mejorando así significativamente el efecto de sellado. [26]
Los fluidos subterráneos, en particular el agua subterránea, crean anomalías para los datos de gravedad superconductores que ayudan a estudiar la zona de 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, pueden utilizarse 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 categorizar 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 las rocas cristalinas , las investigaciones centradas en el subsuelo favorecen el descubrimiento de un patrón de zona de falla de conducto; mientras que los métodos de superficie favorecen una estructura combinada de zona de falla de conducto-barrera. [4] Los mismos sesgos, en menor medida, existen también 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 región extensa; de la misma manera, para los hidrólogos, es costoso e ineficaz acortar los intervalos de sondeo para las pruebas. [4]
Vale la pena estudiar económicamente el complejo sistema, especialmente para regiones áridas/semiáridas, [30] donde los recursos de agua dulce son limitados y áreas potenciales con almacenamientos de hidrocarburos. [1] [3] [21] Investigaciones posteriores sobre la zona de falla, resultado de la deformación, brindaron información sobre las interacciones entre los terremotos y los fluidos hidrotermales a lo largo de la zona de falla. [16] [27] Además, los fluidos hidrotermales asociados con la zona de falla también brindan información sobre cómo se acumularon los depósitos de mineral . [16]
El secuestro de carbono es un método moderno para abordar el problema del carbono atmosférico . Uno de los métodos consiste en bombear el 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] lo que afecta 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 CO2 y la unidad de sellado evita que el CO2 migre verticalmente [21] (Gif 1). La propagación de una microfractura que corta a través de una unidad de sellado, en lugar de tener una banda de deformación dentro de la unidad de sellado, facilita la migración ascendente de CO2 (Gif 2). Esto permite migraciones de fluidos de un yacimiento a otro. [ 21] En este caso, la banda de deformación todavía no facilita el flujo lateral (horizontal) de fluidos. [21] Esto podría conducir a la pérdida de carbono atmosférico inyectado, lo que reduce la eficiencia del secuestro de carbono.
Una zona de falla que desplaza unidades de sellado y rocas del yacimiento 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 del yacimiento, por lo tanto, antes de la migración a otras unidades, la zona de falla debe llenarse por completo [6] (Gif 3). Esto puede ralentizar y concentrar la migración de fluidos. La zona de falla facilita el movimiento vertical descendente del CO2 debido a su flotabilidad y diferencias de carga piezométrica , es decir, la presión / carga hidráulica es mayor a mayor elevación, lo que ayuda a almacenar CO2 en profundidad. [6]
Las regiones que son o fueron sísmicamente activas y con presencia de zonas de fallas podrían indicar que hay depósitos de mineral . Un estudio de caso en Nevada, EE. UU. por Howald (2015) estudió cómo los fluidos inducidos por sismo acumulan depósitos minerales , a saber, sinter y oro , a lo largo de los espacios provistos por una zona de falla. Se identificaron y dataron dos eventos sísmicos separados por concentraciones isotópicas de oxígeno, seguidos por episodios de migraciones ascendentes de fluidos hidrotermales a través de una zona de falla normal permeable. [16] La mineralización comenzó a tener lugar cuando estos fluidos hidrotermales ricos en sílice caliente se encontraron con el agua meteórica fría infiltrada a lo largo de la zona de 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 flujos de fluidos. [16]
Otro ejemplo tomado de Sheldon (2005) también muestra que el desarrollo de la zona de falla, en este caso por fallas de desgarre , facilita la mineralización. La dilatación repentina que ocurre junto con los eventos de desgarre aumenta la porosidad y la permeabilidad a lo largo de la zona de falla. [31] Un mayor desplazamiento conducirá a un mayor aumento de la porosidad. [31] Si el evento de falla corta a través de una unidad de sellado que sella un acuífero confinado de fluidos sobrepresionados, los fluidos pueden ascender a través de la zona de falla. [31] Entonces, la mineralización se llevará a cabo a lo largo de la zona de falla por solución de presión , [31] reduciendo la porosidad de la zona de falla. El canal de flujo de fluido a lo largo de la zona de falla se cerrará cuando los poros estén casi ocupados por minerales de mineral recién precipitados. [31] Deben ocurrir múltiples eventos sísmicos para formar estos depósitos de mineral económicos con estructura de veta. [31]
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