lunedì 6 marzo 2017

il rapporto 2017 sulla sismicità indotta da attività antropiche negli Stati Uniti


Il Servizio Geologico degli Stati Uniti produce una carta della sismicità naturale, che viene utilizzata per diversi scopi, principalmente per regolamentare la costruzione di edifici, ma anche per le assicurazioni contro i terremoti, quantificazione del rischio e quant’altro. In questi ultimi anni in alcune aree precedentemente non interessate da terremoti la situazione si è improvvisamente modificata, a causa di attività antropiche, in particolare la reiniezione di fluidi inquinanti residui dell’industria petrolifera a scopo di smaltimento in pozzi profondi. La conseguenza è stata la trasformazione in zone ad elevato rischio sismico di aree che fino a poco tempo fa erano invece immuni dal problema. Il rischio sismico per sismicità  antropica cambia di contiinuo a seconda della quantità di acque reiniettate nel sottosuolo e pertanto ogni anno viene pubblicato un rapporto in materia. Il fenomeno per il 2017 è previsto in diminuzione rispetto al 2016.


Il rischio sismico indotto dalle attività antropiche dipende da cause puramente locali e cambia molto rapidamente (nell’ordine dell’anno o poco più), un ritmo troppo veloce per modificare la zonazione sismica degli edifici e il tempo di vita di parecchie strutture. Quindi ogni anno escono le previsioni per il rischio sismico negli Usa centrali che tengono conto delle modificazioni della sismicità di origine antropica.
Si tratta di una carta ben diversa da quella  della sismicità naturale e si limita alla parte centrale degli USA continentali: non vi sono compresi stati come la California, dove le attività antropiche non alterano un valore già piuttosto alto di suo del rischio sismico. Ovviamente si tratta di previsioni dal punto di vista statistico e non danno quindi certezza alcuna. 

La notizia della redazione della carta del rischio sismico da attività antropica per il 2017 ha suscitato il classico vespaio all’italiana con i soliti atteggiamenti manichei in cui in genere si divide l’opinione pubblica della nazione nazionalpopolare. A proposito della sismicità indotta i due schieramenti manichei sono:
  • quelli che tutti i terremoti (in particolare quelli dell’Emilia) sono indotti
  • quelli che parteggiano sfacciatamente per le case petrolifere e cercano di dire che questo problema avviene in pochi, pochissimi casi isolati

In mezzo ci sarebbe il rigore scientifico. Per una introduzione generale del problema ho scritto questo post.
Ora, chi mi conosce sa che non sono mai stato tenero con l’industria petrolifera. Addirittura sostengo che la questione del meteorite killer dei dinosauri sia stata tirata fuori non casualmente l’anno dopo l’articolo su Science in cui Dewey McLean espresse chiaramente l’idea che i rettiloni si sarebbero estinti a causa di un intenso riscaldamento globale dovuto ad emissioni di CO2. Nel mio libro ho appunto fatto notare come prima della trovata degli Alvarez, per i quali il K/T si è svolto in un un momento freddo e buio, tutti i dati erano (e sono tuttora…) in favore appunto di un forte riscaldamento dovuto a emissioni di CO2 naturali, con buona pace degli impattisti che continuano a far finta di nulla su questo (a proposito, anche Alvarez figlio ora sostiene che il cosmico scontro sia avvenuto ben prima del KT e che abbia solo avuto l’effetto di rendere particolarmente virulente le eruzioni del Deccan e le loro emissioni di CO2). Insomma, con le nostre emissioni stiamo facendo un esperimento globale per capire come si sono estinti i dinosauri e come sono avvenute le altre estinzioni di massa che hanno punteggiato la storia della vita sulla Terra. 
Come anche mi sono espresso chiaramente contro il fracking, una pratica devastante per il sottosuolo e per me ambientalmente insostenibile. Ma non si può accusare il fracking di quello che non fa direttamente.

La curva cumulativa degli eventi sismici negli USA centrali
evidenzia l'incremento dell'attività sismica negli ultimi anni
da [1] 
ESTRAZIONE DI IDROCARBURI CONVENZIONALE E CON L’IDRAULIC FRACTURING (FRACKING) E LA NECESSITÀ DI REINIETTARE ACQUE NEL SOTTOSUOLO. Il rischio sismico negli USA centrali è dovuto essenzialmente alle attività antropiche. Tanto per riepilogare come stanno le cose, ricordo brevemente la situazione: in molte zone di quell’area non interessate generalmente da terremoti, si è assistito negli ultimi anni ad un forte aumento della sismicità, come evidenzia la curva qui accanto, tratta da [1].  Lì per lì la causa era stata addebitata alle operazioni di fracking, cioè l’estrazione di idrocarburi non convenzionali dai gas e oil shales che sono nate e si sono sviluppate giusto negli ultimi tempi.
Nelle coltivazioni tradizionali gas e petrolio sono estratti dai pozzi esattamente come l’acqua, perché esistono delle falde sotterranee che li contengono in rocce permeabili. Gli scisti sono rocce sedimentarie molto dure e a grana molto fine: dunque a meno che contengano fratture sono impermeabili perché più la grana della roccia è fine, più piccoli sono gli interstizi fra i grani e quando questi interstizi sono troppo piccoli i liquidi non riescono a passare e rimangono quindi intrappolati.
Questo succede nei gas e oli shales: gli idrocarburi non possono essere estratti semplicemente pompandoli in quanto non sono liberi di muoversi negli interstizi fra i grani della roccia e allora per farlo occorre frantumare lo scisto. Allora si usa acqua ad alta pressione in cui vengono aggiunte sostanze (sostanzialmente acidi e battericidi) che – eufemisticamente parlando – non sono esattamente quanto ti aspetti di trovare nelle acque di una fonte alpina. La maggior parte di quest’acqua resta in profondità, ma una parte (tipicamente il 20%) torna indietro e va smaltita perché è un fluido altamente inquinante. E quindi in genere viene reiniettata nel sottosuolo.
Preciso inoltre che non esiste proprio di fare fracking con giacimenti tradizionali (a parte qualche scavo di pozzo, ma non per estrarre idrocarburi).

L’aumento della sismicità è correlato dal punto di vista temporale allo sviluppo del fracking. In realtà questa tecnica c’entra poco direttamente con questa storia: rapporti diretti sono stati evidenziati solo a Fox Creek (Alberta), Poland Township (Ohio) e Preese Hall (Inghilterra) ed è bene che anche gli ambientalisti lo sappiano, perché accusare il fracking falsamente oltretutto indebolisce l’azione di (per me giusta) protesta.
Segnalo poi che ci sono aree in cui la sismicità indotta avviene in corrispondenza di attività estrattiva convenzionale (per esempio Oklahoma, California e anche Basilicata). Si tratta di acque altamente salate che vengono pompate insieme al petrolio: anch’esse non possono essere rilasciate nell’ambiente. Spesso la reiniezione di queste acque serve anche per aumentare la produttività dei pozzi. Ne ho parlato qui.

Questo perché la sismicità è indotta non dai prelievi di idrocarburi, ma semplicemente dalla reiniezione di liquidi, quale ne sia l’origine (con buona pace di quelli che i terremoti in Adriatico sono dovuti “alle trivelle”...). Ne avevo parlato qui.
È bene chiarire che il fenomeno non riguarda tutti i pozzi di reiniezione, tantomeno lo fa in maniera casuale. 

LA SISMICITÀ NEGLI USA CENTRALI. Negli USA centrali solo l’area di Nueva Madrid, a cavallo fra Arkansas, Kentucky, Missouri e Tennessee presenta una sismicità di origine naturale, che ha provocato tra dicembre 1811 e febbraio 1812 4 eventi a M superiore a 7. Si tratta di alcuni dei più forti terremoti mai registrati lontano dai margini di zolla e su cui mi sono sempre ripromesso di parlare prima o poi. 
Nell’area di Nueva Madrid l’Iris Earthquake Browser segnala per l’attività sismica negli ultimi 30 anni 67 scosse con M uguale o superiore a 2 (con 5 eventi a M > 4.0) tra febbraio 1987 e febbraio 1997, 68  tra febbraio 1997 e febbraio 2007 (1 evento a M 4.1). Tra febbraio 2007 e febbraio 2017  sono stati invece 286 (2 eventi a M 4 e 4.1 nel 2012 e nel 2015), ma l’aumento esponenziale lo vediamo dal 2014 a oggi: da un valore compreso tra 5 e 13 eventi l’anno registrati tra il 1987 e il 2013, siamo passati a 56, 75 e 72 eventi all’anno tra il 2014 e il 2016.
Insomma, si tratta di una zona sicuramente teatro di sismicità naturale, come naturale è considerato l’aumento degli ultimi anni: a prima vista l’aumento sembra eccessivo ma il grafico presentato nel lavoro ridimensiona l’impressione che si ha leggendo le cifre brutali. Oltretutto non ci sono attività di estrazione di idrocarburi nell’area interessata dalla sismicità, anche se esistono in zone vicine.

Carta modificata da [2]: in giallo i pozzi di reiniezione che
hanno indotto sismicità, in cui ho evidenziato le zone
a rischio nel rapporto per l'anno 2017
Ci sono poi 4 aree in cui la sismicità è di origine puramente antropica: Oklahoma-Kansas, Raton Basin (tra Colorado e New Mexico), Texas settentrionale e Arkansas settentrionale.
Come mai queste aree sono particolarmente prone al fenomeno? Perché la sismicità indotta si sviluppa su faglie preesistenti che si trovano nel basamento metamorfico sotto i sedimenti fra i quali ci sono quelli contenenti gli idrocarburi. Queste faglie non sono più attive dalla fine dell’orogenesi ercinica (250 milioni di anni fa): per rimetterle in movimento occorre che la pressione dei liquidi immessi superi l’attrito del piano di faglia e quindi per provocare il fenomeno i pozzi devono accoppiare a un elevato tasso di reiniezione lo scarso spessore di sedimenti sopra il basamento. Queste condizioni, negli USA centrali, si hanno soprattutto nell’interno, come si evidenzia da questa carta presa da [2]; ad esempio, le reiniezioni influenzano la pressione dei pori delle vecchie faglie del basamento nel Texas settentrionale e in Oklahoma, dove lo spessore della copertura sedimentaria è esiguo, mentre nella zona del Golfo del Messico la serie sedimentaria è enorme e quindi è difficile che la sovrapressione arrivi al basamento. Non sto a dilungarmi sulla questione, visto che per chi vuole approfondirla avevo scritto questo post.

L’OKLAHOMA. Ho parlato anche in specifico della sismicità indotta nell’Oklahoma dall’inizio del XX secolo in quanto è avvenuta anche ben prima degli ultimi anni e, soprattutto, perché è legata a coltivazioni convenzionali. Il post è della fine del 2015 e quindi approfitto dell’occasione per aggiornarlo. In questo stato dal 2009 è stato registrato un aumento della sismicità in numero ed intensità degli eventi e il 2016 è stato piuttosto pesante: 21 eventi con M ≥ 4, di cui 3 con M ≥ 5, tutti avvenuti nella zona che era stata indicata come quella più a rischio nel rapporto 2016. Ci sono stati anche danneggiamenti, liquefazioni del terreno e fuoriuscite di sabbie.
Come è noto la sismicità indotta si distingue da quella naturale perché con il tempo aumenta in intensità e numero di scosse. In Oklahoma è evidente l’aumento sia degli eventi sia della loro intensità: tra il 1980 e il 2000 ci sono stati soltanto 2 terremoti a M superiore a 2, mentre dal 2009 in poi si vede un crescendo rossiniano fino ai 2500 e 4000 terremoti con M > 2.0 rispettivamente nel 2014 e nel 2015. Il numero è calato a 2500 nel 2016. Il primo evento importante a causare danni è stato il terremoto M 5.7 del 6 novembre 2011 di Prague. Notare che nel 2016 la diminuzione della frequenza degli eventi ha comunque coinciso con l’anno in cui si è verificato un numero maggiore di quelli con M uguale o superiore a 5.0.

La sismicità negli USA centrali tra 2015 e 2016, da [3]
IL RAPPORTO 2017. Rispetto a quello per il 2016, il rapporto del 2017, appena uscite in un articolo pubblicato su Seismological Research Letters [3], presenta un rischio minore in alcune aree dove il 2016 è stato “meno sismico” del 2015. La cosa potrebbe essere connessa con gli effetti di nuove regole imposte dalle autorità, ma anche con la diminuzione dei volumi di idrocarburi estratti a causa della fase a basso prezzo del petrolio che ha reso antieconomico lo sfruttamento di riserve coltivate con il fracking o convenzionali in cui il costo di estrazione è particolarmente alto. Meno estrazione significa anche meno reiniezione; oggi il numero di pozzi attivi è in netta ricrescita e questo significa un maggiore volume di fluidi da reiniettare. Non solo, ma trattandosi di pozzi “maturi” la quantità di acqua pompate insieme al petrolio è maggiore che in pozzi giovani e questo è un altro aspetto preoccupante per il 2018 (a dimostrazione del fatto che il rischio sismico da attività indotta cambia rapidamente con il tempo). 
Resta il fatto che in tutte le aree interessate il rischio sismico resta molto più alto di quello che era prima del 2009, e questo proprio a causa delle attività antropiche.

La conclusione del lavoro è che nonostante il rischio sismico da attività antropica sia diminuito, tra Oklahoma e Kansas meridionale ci sono ancora 3 milioni di persone che vivono dove il potenziale di danno strutturale alle case è elevato, in quanto queste costruzioni sono state concepite per una zona a rischio sismico naturale nullo mentre oggi abbiamo un rischio simile a quello che esiste naturalmente in California.

NB: per chi volesse approfondire la situazione di casa nostra sulla sismicità antropica in Italia ne ho parlato a questo link.

[1] Ellsworth (2013) Injection-Induced Earthquakes Science 341, 1421225942. DOI: 10.1126/science.1225942 
[2] Weingarten et al. (2015): High-rate injection is associated with the increase in U.S. mid-continent seismicity. Science 348; 1336 – 1340
[3] Petersen et al. (2017) 2017 One-Year Seismic-Hazard Forecast for the Central and Eastern United States from Induced and Natural Earthquakes Seismological Research Letters 88-3 doi: 10.1785/0220170005 

5 commenti:

zoomx ha detto...

"Spesso la reiniezione di queste acque serve anche per aumentare la produttività dei pozzi. Ne ho parlato qui LINK"

Ma il link non c'è.

Non sapevo invece della carta annuale di aumento del rischio.
Mi chiedo anche com'è che non sia stata avviata una class action, negli USA ne fanno tante.

Aldo Piombino ha detto...

grazie per la segnalazione. Ho corretto
saluti

Francesco Penno ha detto...

A volte ci vuole un OT.
In questi giorni ho letto sulla stampa online americana della "scoperta" di un sistema di faglie offshore nella California meridionale ( es. http://www.usatoday.com/story/tech/sciencefair/2017/03/08/california-earthquake-fault-line-san-diego-los-angeles-san-andreas/98903142/ ). Quasi tutte le fonti citano un articolo del LA Times (a pagamento) apparso in questi giorni.
Cerco sul sito dell'USGS e trovo questa pagina: https://walrus.wr.usgs.gov/geohazards/socalfaults.html
In effetti la nuova mappatura di questo sistema di faglie, pur recente, non è di questi giorni. Direi, informazione non errata, ma "a scoppio ritardato".

Aldo Piombino ha detto...

è un lancio di agenzia su un articolo che sta per uscire sul Journal of Geophysical research: Seismic Constraints on the Architecture of the Newport-Inglewood/Rose Canyon Fault: Implications for the Length and Magnitude of Future Earthquake Ruptures, che ha determinato meglio la geometria della faglia

Francesco Penno ha detto...

Grazie per la precisazione.