Intersecções de fracturas sob tensão geológica alteram a mistura de fluidos em rocha fracturada

Modelos que descrevem como a poluição se desloca através de rocha fracturada costumam assumir que os pontos onde as fendas se cruzam são junções passivas e sempre bem ligadas.

Essa ideia está por trás de praticamente todas as simulações usadas para antecipar onde acabam os contaminantes subterrâneos.

Só que a Terra comprime esses cruzamentos tal como comprime qualquer outra porção de rocha em profundidade.

Com pressão suficiente, uma intersecção pode ficar quase estrangulada. E é o sentido dessa compressão que dita se o ponto de cruzamento permanece aberto.

Fendas na rocha que se cruzam

As fendas na rocha funcionam como auto-estradas para os fluidos no subsolo. Por serem muito mais permeáveis do que a pedra intacta em redor, atraem águas subterrâneas e poluentes dissolvidos.

Quando duas fendas se encontram, correntes com químicas diferentes convergem, misturam-se e seguem depois por outros ramos.

Estes cruzamentos - chamados intersecções de fracturas - controlam a forma como os fluidos se espalham por toda uma rede de fendas.

Peter K. Kang, geocientista na Universidade do Minnesota, e os seus colegas decidiram perceber como estas junções respondem quando são submetidas a pressão.

Fendas e secções de cruzamento

Toda a rocha em profundidade está sujeita a tensão geológica, e sabe-se há muito que a pressão modifica o escoamento dentro de fendas isoladas.

O comportamento nos locais onde as fendas se intersectam, contudo, tinha permanecido em grande parte no domínio da suposição.

Até aqui, os modelos tratavam esses pontos como centros fixos, em parte porque ninguém tinha observado uma intersecção real a deformar-se sob carga.

Imprimir fendas na rocha

Para ver o processo em detalhe, a equipa criou fracturas que pudesse controlar. Recorreu à impressão 3D para fabricar pequenas redes de cruzamento em blocos de resina, todas com superfícies rugosas.

O objectivo era reproduzir a forma como, no subsolo, as paredes das fendas se tocam e se intersectam. A rocha natural varia demasiado para permitir experiências repetidas e idênticas.

Cada amostra foi colocada num dispositivo pequeno que aplicava uma força constante e crescente. Entre compressões, realizaram tomografias 3D por raios X para observar o interior e, de seguida, mapearam os vazios abertos, fenda a fenda.

Este tipo de imagem de fracturas em deformação integra-se num conjunto de trabalhos que tem vindo a crescer. Um desses estudos acompanhou o comportamento de fracturas dentro de rocha sob pressão.

Nos novos ensaios, cada cruzamento foi montado em duas orientações face ao aperto: uma configuração em sinal de mais (+) e outra em cruz inclinada (×).

Um aperto com direcção

A orientação da carga determinou quase tudo o que se observou. No cruzamento em (+), à medida que a pressão subia, a fenda horizontal era apertada até fechar, enquanto a fenda vertical se mantinha aberta.

Nas imagens, surgiam zonas de contacto mais claras a alastrar ao longo da fractura achatada, onde as paredes se encostavam.

Já a cruz inclinada comportou-se de forma menos intuitiva. Uma das fendas fechou como seria de esperar, mas a outra alargou, aparentemente porque as paredes rugosas deslizaram e “subiram” uma sobre a outra, forçando a abertura.

Com ainda mais carga, a própria junção começou então a fechar. À medida que o aperto aumentava, o X definido transformou-se em dois canais semelhantes a um V, unidos por uma única abertura estreita.

A equipa chamou a essa passagem o gargalo da intersecção. A cada nova compressão, o gargalo encolhia. Ninguém tinha observado directamente uma junção a transformar-se desta maneira, o que indica que a tensão redesenha a geometria.

Seguir o escoamento

Conhecer a geometria não bastava, por isso a equipa executou simulações de escoamento através das junções digitalizadas.

Introduziram água simples por um ramo e, por outro, água com um traçador dissolvido, medindo depois quanto desse traçador passava para a saída do lado oposto.

No cruzamento em (+), o resultado manteve-se previsível. À medida que a fenda horizontal fechava, o escoamento para a fenda vertical aberta aumentou cerca de 80 percent sob a compressão mais elevada.

A mistura cresceu de forma contínua, em concordância com o que os modelos padrão costumam prever. Na cruz inclinada, o cenário tornou-se mais problemático.

No início, passou mais traçador, enquanto um dos ramos se alargava. Depois, a intersecção ficou estrangulada. A mistura caiu para perto de zero.

Mesmo quando o escoamento era muito lento - situação em que os modelos assumem que os fluidos acabam sempre por se misturar - o gargalo obstruído manteve as duas correntes separadas.

Quando os modelos falham

Para o cruzamento em (+), os modelos antigos funcionaram bem. Para a cruz inclinada, falharam por completo. Sob alta pressão, as equações padrão previram muita mistura, mas as simulações mostraram quase nenhuma.

A explicação estava na abertura estreita. Os modelos convencionais calculam o destino do fluido na junção com base apenas na largura de cada fenda, partindo do princípio de que o cruzamento se mantém aberto.

Quando o gargalo se fecha, ele próprio passa a guiar o escoamento, derrubando uma premissa que atravessa grande parte da investigação sobre rocha fracturada.

Assim, a equipa incorporou uma correcção nos modelos padrão, acrescentando um único parâmetro que representa o quanto o gargalo se estreitou sob tensão.

Com esse detalhe incluído, as equações corrigidas reproduziram o comportamento real da mistura, inclusive nos casos em que os modelos antigos mais se enganavam.

O que isto muda

O resultado principal é claro. A tensão geológica consegue transformar os cruzamentos onde as fendas se encontram, e a sua direcção decide se uma junção continua a misturar fluidos ou se os separa ao selar.

Os modelos usados para prever o transporte de contaminantes em rocha fracturada, ou para estimar como um fluido injectado se desloca num campo geotérmico, têm ignorado uma força que redesenha os caminhos.

As implicações são especialmente importantes para o armazenamento de carbono, a estratégia de fixar dióxido de carbono na rocha sob a forma de minerais sólidos.

A tensão determina quanto os fluidos se misturam, e onde isso acontece, pelo que uma intersecção que hoje mistura pode entupir e estrangular-se.

Saber em que pontos essas reacções vão ocorrer e de que modo a compressão lenta da Terra as desloca dá aos engenheiros uma alavanca que antes não tinham.

Afinal, os cruzamentos no subsolo nunca foram tão fixos como os modelos anteriores assumiam.