I probabili legami fra sismicità storica ed estrazione di petrolio in Oklahoma nel XX secolo

Negli Stati Uniti centrali la sismicità indotta dalla reiniezione di fluidi è un problema di grande importanza che riguarda soprattutto Texas, Oklahoma e Ohio. La bassa profondità di questi eventi e la loro intensità che spesso supera M 4 arrivando fino a 5.5 provocano danni in territori che non erano abituati a confrontarsi con problemi sismici. Normalmente si associa la reiniezione di fluidi alle acque di flow-back del fracking, ma questo non è sempre vero, nel senso che in alcuni casi questi fluidi vengono da giacimenti tradizionali. Questo vale soprattutto per l'Oklahoma, dove nuove tecniche di coltivazione hanno reso possibile l'estrazione di petrolio da giacimenti precedentemente considerati esauriti ma che producono molta più brine saline del normale. La novità per quanto riguarda questo Stato è che a queste reiniezioni potrebbe essere correlata anche l'attività sismica del XX secolo, in particolare durante gli anni '30 e '50

la carte evidenzia le zone interessate dalla sismicità indotta
dalla reiniezione di fluidi nella zona centrale degli USA

Gli Stati Uniti, con l'eccezione della costa pacifica e il suo entroterra, non sono particolarmente noti per ospitare fenomeni sismici di rilievo. Di fatto tutto quello che sta ad est delle montagne Rocciose è considerato un'area stabile, in cui però ci sono delle faglie che possono davvero muoversi, come nel caso dei forti terremoti di  New Madrid (tra Missouri, Arkansas, Tennessee e Mississippi) tra il dicembre 1811 e il febbraio 1812). Ci sono poi chiarissime evidenze che altre faglie paleozoiche siano ancora saltuariamente attive: ad esempio la faglia di Meerse nell'Oklahoma ha prodotto nelle ultime migliaia di anni eventi sismici piuttosto forti (M>6) [1]

Dal 2009 si è assistito ad un notevole aumento della sismicità nella fascia centrale degli Stati Uniti, che è stato collegato alle operazioni di reiniezione nel terreno a scopo di smaltimento delle acque inquinate provenienti dalle attività di fracking. 

Il caso più tipico è quello dell'Oklahoma, dove dal 2008 ad oggi 2 dicembre 2015 si sono registrati 84 eventi con M superiore a 4 mentre tra il 1990 e il 2007 il database ne comprende appena 2 nel 1995, peraltro nell'estremo sud dello stato, non interessato dalla sismicità attuale di tipo antropico: probabilmente sono connessi all'attività tettonica della zona di Ouachita, che continua sia pure a ritmi molto blandi da quando nel Paleozoico superiore quella zona era compresa nella parte americana della fascia orogenica Ercinica.

Come ho scritto in questo post, è stato evidenziato che l'induzione di sismicità su faglie preeesistenti interessa il 10% dei pozzi di reiniezione, quelli che soddisfano due condizioni fondamentali: un alto tasso di reiniezione e la bassa profondità sotto i sedimenti delle rocce del basamento cristallino [2]. In Oklahoma entrambe queste condizioni sono soddisfatte e quindi è una delle zone più "calde" per questo fenomeno e il governo dello Stato (repubblicano) è stato costretto obtorto collo a prendere delle decisioni che hanno ostacolato l'industria petrolifera.

TERREMOTI DA REINIEZIONE DI ACQUE DI GIACIMENTI TRADIZIONALI

La cosa interessante però è che in Oklahoma questa sismicità non è legata (solo) alle acque del fracking perché in questo Stato la reiniezione è aumentata moltissimo negli ultimi anni, ma sembra dovuta soprattutto ad attività convenzionali. 

Come mai ad un certo punto le attività convenzionali producono un forte aumento di fluidi? 

Quando un giacimento invecchia la percentuale di petrolio recuperata si abbassa nei confronti di quella delle acque salate (tecnicamente dette brine saline). A questo punto entrano in gioco le tecniche di Enhanced Oil Recovery (EOR), che servono per stimolare la produzione di un giacimento. La tecnica più classica è quella della iniezione di acqua nelle vicinanze (in genere si usano le stesse brine appena estratta insieme all'olio): a questo modo si aumenta la pressione nel giacimento, e così il petrolio riesce a risalire (e – contestualmente – si smaltiscono le brine, che non possono essere rilasciate nell'ambiente). Ma ad un certo punto la percentuale petrolio / brine del fluido estratto si abbassa troppo e il giacimento viene considerato esaurito.

LO SFRUTTAMENTO DEL PETROLIO NEL XX SECOLO IN OKLAHOMA

Un lavoro appena uscito [3] ha considerato la storia della produzione di petrolio e di reiniezione primaria di acque e ha trovato che è possibile – se non probabile – l'origine antropica di alcuni eventi sismici che hanno interessato l'Oklahoma in tutto il corso del XX secolo. 

Come si vede dalla figura qui accanto, i primi pozzi datano al 1896 e la prima fase di elevato sfruttamento c'è stata tra il 1907 e il 1929. La produzione ha toccato il livello massimo assoluto nella storia dell'Oklahoma tra il 1920 e il 1935 (nonostante la depressione del 1929). Un nuovo incremento si è avuto dopo la II guerra mondiale, ma dagli anni '50 l'esplorazione di nuovi pozzi non riuscì a compensare quelli in via di esaurimento; di conseguenza la produzione di petrolio in questo Stato, dopo il picco dell'inizio degli anni '70, ha continuato a calare inesorabilmente fino a qualche anno fa e molti giacimenti vennero considerati esauriti.

Nel 2004 il prezzo del petrolio è tornato a salire, passando i 40 dollari al barile e toccando addirittura i 140 dollari e, a parte un breve calo, dal 2010 è sempre stato sopra i 60 dollari (anzi, dal 2011 all'estate del 2014, stabilmente sopra i 100 dollari).

I prezzi alti e il miglioramento delle tecniche di recupero avanzato con l'iniezione di fluidi hanno reso conveniente lo sfruttamento di due tipologie di giacimenti precedentemente scartati: quelli considerati esauriti (il rapporto petrolio / brine era diventato troppo basso)  e quelli precedentemente scartati sempre per l'eccessiva presenza di acqua.

Siamo quindi davanti a giacimenti convenzionali ma coltivati in maniera piuttosto estrema, in cui si estrae petrolio con una percentuale di acqua (o, meglio, di brina salina) molto superiore al normale, acqua che ovviamente deve essere smaltita in qualche modo. E questo diventa un problema da risolvere.

Come?

Una parte viene sfruttata di nuovo come acqua di reiniezione per stimolare la produzione, ma quella in più o viene depurata (processo molto costoso) oppure finisce nei pozzi di stoccaggio permanente, con il risultato di aumentare la sismicità indotta, in quanto si avverano le due condizioni fondamentali descritte da Weingartner: un forte tasso di reiniezione e la scarsa profondità del basamento cristallino.

E infatti i terremoti sono iniziati in coincidenza con l'incremento della produzione di petrolio, ottenuta appunto da questi pozzi una volta non considerati remunerativi.

Oggi con il prezzo del petrolio così basso lo sfruttamento di questi giacimenti è ovviamente stato sospeso.

UN LEGAME FRA ATTIVITÀ SISMICA E PETROLIFERA

IN OKLAHOMA PER TUTTO IL XX SECOLO?

La cosa impressionante è che molto probabilmente anche la sismicità pregressa in Oklahoma ha una origine antropica che è stata riconosciuta solo oggi.

L'efficiente apparato burocratico di questo Stato conserva contea per contea i permessi di reiniezione per la stimolazione dei pozzi dal 1932 e per lo smaltimento delle brine dal 1945 (anche se non vengono indicati i quantitativi) ed è stato facile per i ricercatori localizzarli tutti: i dati dimostrano quindi che già negli anni '30 erano iniziate le operazioni di Enhanced Oil Recovery introducendo acqua nel sottosuolo. 

I due periodi di elevata sismicità registrati nel XX secolo coincidono con le fasi di elevata produzione di petrolio, quello tra il 1920 e il 1940 e quello fra il 1950 e il 1970.

I collegamenti geografici fra pozzi di reiniezioene
ed eventi sismici negli anni '50 del XX secolo

In particolare il terremoto di El Reno del 9 aprile 1952 (M 5.5, con intensità fino al VII grado) è avvenuto vicino a due pozzi di reiniezione. In sostanza 6 dei 7 eventi con M>3 registrati negli anni '50 sembrano essere collegati alle attività di reiniezione. Solo l'evento M 4.0 del 17 giugno 1959 parrebbe essere naturale a causa della attività tettonica residua della zona di Ouachita (come quelli del 1995).

Venendo ai giorni nostri, il fortissimo incremento dell'attività sismica coincide con l'inizio dello sfruttamento di quei pozzi precedentemente scartati per il loro elevato contenuto di acqua nei fluidi estratti dal 2007. 

Concludendo, anche se non vi sono certezze assolute, è fortemente probabile l'origine antropica di questi terremoti, grazie a 3 generi di indicazioni:

• la coincidenza temporale fra i picchi di attività di reiniezione e attività sismica
• la coincidenza spaziale fra gli ipocentri dei terremoti e la localizzazione dei pozzi di reiniezione 
• il tipo di scuotimento generato in particolare dagli eventi del 1952 e del 1956

Il problema per il passato è l'imprecisione della localizzazione e della profondità degli eventi e di alcuni pozzi (di cui comunque non si conosce l'entità delle reiniezioni) e la scarsità di registrazioni strumentali. Questo in particolare vale per gli eventi connessi al primo boom della produzione (1920 / 1935), durante la quale sembrano essersi verificati i primi casi di sismicità indotta.

NOTA FINALE: a scanso di equivoci e stupide strumentalizzazioni ripeto per l'ennesima volta che non c'è nessuna relazione fra i terremoti emiliani del 2012 e le attività petrolifere

[1] Crone e Luza 1990. Style and timing of Holocene surface faulting on the Meers fault, southwestern Oklahoma Geological Society of America Bulletin, v. 102, p. 1 - 17  

[2] Weingarten et al 2015 High-rate injection is associated with the increase in U.S. mid-continent seismicity Science 348, 1336 - 1340

[3] Hough e Page 2015 A Century of Induced Earthquakes in Oklahoma? Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 105, No. 6, pp. –, December 2015, doi: 10.1785/0120150109