Experimento sismológico en la Cuenca Neuquina, la región de mayor explotación de hidrocarburos por métodos no convencionales de la Argentina

Correa-Otto, Sebastián

2023-A
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Resumen

El estado económico global que se estaba gestando desde el 2005 en referencia a comercio del petróleo, así como avances tecnológicos en la técnica de fracturación hidráulica (el proceso industrial a través del cual se extraen los hidrocarburos no convencionales) en 2009, permitieron expandir las operaciones entre 2007 y 2011 de los recursos de hidrocarburos no convencionales de forma súbita. Grandes reservas antes sin atención se volvieron invaluables de la noche a la mañana, y aquellos países que disponían de grandes reservorios explorados pero no explotados dieron un paso al frente para alterar el clima económico mundial.

Sin embargo esto no se dio sin problemas, los métodos usados para la extracción de recursos petroleros no convencionales tienen un gran impacto ambiental. Pero este no es el mayor inconveniente estudiado en el presente trabajo, la intensa actividad que se desarrolló alrededor de esta industria de crecimiento explosivo generó gran preocupación debido a lo que aparentemente eran eventos sísmicos inducidos. Las poblaciones en zonas residenciales cercanas a las áreas petroleras siendo explotadas, comenzaron a sentir movimiento de suelos, un fenómeno al que no estaban para nada acostumbrados. Los terremotos inducidos siempre han sido cuestionados, relacionados en el pasado mayormente a colapso de minas subterráneas, se intentó minimizar este problema en un comienzo debido a la poca intensidad de los mismos. Pero los eventos no disminuyeron, al contrario con los años comenzaron a multiplicarse rápidamente y crecer en magnitud, estudiar este fenómeno era imperativo.
¿Pero como estudiar estos eventos que en su gran mayoría eran invisibles para las redes de registro sismológicas globales y regionales?, distribuidas en general en regiones de conocida actividad sísmica. La mayoría de las áreas petroleras en cuestión se encontraban en el centro de áreas continentales. Se comenzó entonces a desplegar redes sismológicas lentamente, a medida que se generaba concientización sobre el problema del aumento de sismicidad. Pero los primeros registros mostraron un desafío propio, los eventos eran pequeños, demasiado pequeños para ser estudiados por métodos sismológicos tradicionales y las formas de onda de los mismos se perdían en el ruido natural del registro. Con la gran mayoría de registros captando solo micro-sismicidad, el problema de la sismicidad inducida en zonas de explotación de hidrocarburos no convencionales requeriría mucho trabajo y estudio.

Tan recientemente como en el 2015 era común encontrar en literatura científica afirmaciones de que la posibilidad de generar un terremoto que produzca daños debido a la fracturación hidráulica era prácticamente nula. Sin embargo, la extracción de gases no convencionales en el Reino Unido fue detenida por completo a los pocos meses de haber comenzado en las dos ocasiones que se intentó realizar. En la cuenca occidental de Canadá y en Oklahoma, Estados Unidos se han concentrado las mayores áreas de extracción y principales estudios. Sin embargo, muchos de estos estudios de control son realizados por las mismas empresas que trabajan una zona y las regulaciones gubernamentales no existen o están pobremente definidas. Esto no es nada extraño, ya que la información sobre el tema es escasa y a menudo confidencial. A partir del 2017 la problemática gana mayor visibilidad debido al creciente número de problemas generados a la sociedad y la publicación de estudios científicos y notas periodísticas de investigación. El terremoto de magnitud 5.7 Ml de Sichuan, China ocurrido en 2018 y publicado en 2019 es ahora un evento referente en el estudio de la sismicidad inducida. En estos países se han implementado regulaciones, métodos de control, incluso altos parciales o totales en ciertas áreas.

Argentina tiene grandes reservas de hidrocarburos no convencionales, Vaca Muerta aparece nombrada en muchos diarios y noticieros no solo localmente, si no través del mundo. La cuenca Neuquina cuenta con casi el cincuenta por ciento de la producción petrolera del país, y la formación Vaca Muerta está ubicada entre los primeros puestos en reservas de no convencionales a nivel mundial. La técnica de fracturación hidráulica se emplea en Argentina desde 1959, pero no fue hasta el 2011 que comenzó a usarse de manera masiva, debido a la gran retribución económica que trajo el nuevo mercado del petróleo. Los estudios sismológicos en Argentina se concentran hacia el norte de los 33° de latitud sur, para conocer la sismicidad base natural de la zona de la cuenca Neuquina se precisaban amplios estudios locales. Era necesario realizar un control efectivo y generar un conocimiento ampliado que permitiera aplicar medidas de seguridad, que lleven a trabajar y explotar el área de forma más segura y responsable, sin generar daños a la población y al ambiente.

El trabajo de investigación comenzado en 2014 presentado en esta tesis, abarca el estudio de antecedentes geológicos y geofísicos de la cuenca Neuquina, y la instalación de una red local de sismómetros de banda ancha en puntos clave, que permitieran estudiar la sismicidad tanto natural, como inducida de la zona, hasta la fecha no documentada. Estos datos inéditos permitieron mejorar métodos de estudios sismológicos tradicionales y desarrollar algoritmos y ajustar softwares que funcionan correctamente con sismicidad de intraplaca de baja magnitud. Se comenzó realizando controles de calidad sobre los registros sísmicos, para asegurar la integridad de los mismos, y luego se realizó la identificación y localización de la sismicidad en el área. Esta a su vez, se utilizó para obtener un modelo de velocidad para el área de estudio que permitió disminuir la incertidumbre de las localizaciones. Para completar la caracterización de los eventos sísmicos se obtuvo la magnitud de los mismos y se trabajó con algoritmos de relocalización por doble diferencia. Finalmente se obtuvieron mecanismos focales para los eventos más significativos y se obtuvo el tensor momento completo del primer sismo registrado en el área.

Una extensa base de datos gravimétricos regionales se utilizó en combinación con mediciones locales en las áreas que presentaron mayor actividad sísmica, esto permitió elaborar modelos matemático-gravimétricos de gran precisión que se utilizaron como restricción de los modelos sismológicos, generándose una base sobre la cual desarrollar estas nuevas metodologías. Los modelos fueron elaborados a partir del cálculo de anomalías gravimétricas y el realce de las mismas, en particular el cálculo del gradiente de TILT para resaltar bordes de estructuras, la profundidad de la discontinuidad de Mohorovicic para mejorar el modelo de velocidad y autovectores de la fábrica del terreno para comprobar direcciones de desplazamiento de máximos esfuerzos.

Usando estos resultados se realizó en primer lugar un análisis sismotectónico evaluando el área de cobertura de los datos y las estructuras existentes y antecedentes, en base a esto se realizó un análisis de la sismicidad y una interpretación de las estructuras y resultados obtenidos, lo que permitió determinar factores favorables sismogénicos. En segundo lugar, se evaluó el carácter de la sismicidad estudiada para determinar la posibilidad de que la misma sea inducida. Se realizó un estudio del estado de deformación actual en la cuenca Neuquina, de las zonas de explotación de recursos no convencionales y sobre las diferencias entre sismicidad natural o inducida.

El trabajo integrado de estas disciplinas, bajo la norma de monitorear, reportar y mejorar, permite presentar modelos geofísicos y geológicos ajustados de la zona, remarcando estructuras geológicas de interés y su comportamiento dinámico; para arrojar luz sobre el interrogante: ¿El fracking genera sismicidad inducida?

Abstract

The global economic state of affairs that had been brewing since 2005 in reference to oil trade, as well as technological advances in the technique of hydraulic fracturing (the industrial process through which unconventional hydrocarbons are extracted) in 2009, allowed the expansion of operations between 2007 and 2011 of unconventional hydrocarbon resources in a sudden way. Large, previously untapped reserves became invaluable overnight, and those countries with large explored but untapped reservoirs stepped forward to alter the global economic climate.

However, this did not come without problems; the methods used to extract unconventional oil resources have a huge environmental impact. But this is not the major drawback studied in this work, the intense activity that unfolded around this explosive growth industry generated great concern due to what were apparently induced seismic events. Populations in residential areas close to the oil areas being exploited began to feel ground shaking, a phenomenon they were not at all accustomed to. Induced earthquakes have always been questioned, related in the past mostly to the collapse of underground mines, and attempts were made to minimise this problem at first due to the low intensity of the events. But the events did not diminish, on the contrary, over the years they began to multiply rapidly and grow in magnitude, so studying this phenomenon was imperative.
But how to study these events, which were largely invisible to global and regional seismic recording networks, generally distributed in regions of known seismic activity. Most of the petroleum areas in question were in the centre of continental areas. Seismological networks began to be deployed slowly, as awareness of the problem of increased seismicity grew. But the first records showed a challenge of their own – the events were small, too small to be studied by traditional seismological methods, and the waveforms of the events were lost in the natural noise of the record. With the vast majority of records capturing only microseismicity, the problem of induced seismicity in unconventional hydrocarbon exploitation zones would require much work and study.

As recently as 2015, it was common to find claims in the scientific literature that the likelihood of an earthquake causing damage from hydraulic fracturing was virtually zero. However, unconventional gas extraction in the UK was halted completely within months of commencing on the two occasions it was attempted. The western basin of Canada and Oklahoma in the United States have been the focus of the largest extraction areas and major studies. However, many of these monitoring studies are carried out by the same companies that work an area and government regulations are either non-existent or poorly defined. This is not surprising, as information on the subject is scarce and often confidential. Since 2017, the issue has become more visible due to the increasing number of problems generated for society and the publication of scientific studies and investigative journalistic articles. The magnitude 5.7 Ml earthquake in Sichuan, China that occurred in 2018 and was published in 2019 is now a reference event in the study of induced seismicity. In these countries, regulations, control methods, and even partial or total stoppages have been implemented in certain areas.

Argentina has large reserves of unconventional hydrocarbons, Vaca Muerta is mentioned in many newspapers and news reports not only locally, but throughout the world. The Neuquén basin accounts for almost fifty percent of the country’s oil production, and the Vaca Muerta formation is among the world’s largest unconventional reserves. The hydraulic fracturing technique has been used in Argentina since 1959, but it was not until 2011 that it began to be used on a massive scale, due to the large economic retribution brought about by the new oil market. Seismological studies in Argentina are concentrated to the north of 33° south latitude, to know the natural base seismicity of the Neuquén basin area, extensive local studies were needed. It was necessary to carry out an effective control and generate a broader knowledge that would allow the application of safety measures, leading to work and exploit the area in a safer and more responsible way, without causing damage to the population and the environment.

The research work started in 2014 and presented in this thesis includes the study of the geological and geophysical background of the Neuquén basin, and the installation of a local network of broadband seismometers at key points to study both natural and induced seismicity in the area, which has not been documented to date. These new data allowed the improvement of traditional seismological study methods and the development of algorithms and software that work well with low-magnitude intraplate seismicity. We began by performing quality control checks on the seismic records to ensure their integrity, and then identified and located the seismicity in the area. This, in turn, was used to obtain a velocity model for the study area, which allowed us to reduce the uncertainty of the locations. To complete the characterisation of the seismic events, the magnitude of the events was obtained and double-difference relocation algorithms were used. Finally, focal mechanisms were obtained for the most significant events and the full moment tensor of the first earthquake recorded in the area.

An extensive regional gravimetric database was used in combination with local measurements in the most active seismic areas, allowing the development of highly accurate mathematical-gravimetric models that were used as constraints on the seismological models, providing a basis on which to develop these new methodologies. The models were developed from the calculation of gravity anomalies and their enhancement, in particular the calculation of the TILT gradient to highlight structure edges, the depth of the Mohorovicic discontinuity to enhance the velocity model and autovectors of the ground fabric to check directions of maximum stress displacement.

Using these results, firstly a seismotectonic analysis was performed by evaluating the data coverage area and the existing structures and background, based on this a seismicity analysis was performed and an interpretation of the structures and results obtained, which allowed determining favourable seismogenic factors. Secondly, the character of the studied seismicity was evaluated to determine the possibility of induced seismicity. A study was made of the current state of deformation in the Neuquén basin, of the areas of unconventional resource exploitation and of the differences between natural and induced seismicity.

Índice

I Compendio de Antecedentes y Fundamentos Geofísicos 1

1. Introducción 3
1.1. Ubicación del Área de Estudio 3
1.1.1. La Formación Vaca Muerta 4
1.2. Antecedentes en la Zona de Estudio 6
1.2.1. Estado actual de la Sismicidad Inducida 7
1.2.2. Microsismicidad 9
1.3. Objetivos y Organización de la Tesis 12

2. Marco Geotectónico 15
2.1. Introducción 15
2.2. Cuenca de Neuquén 17
2.2.1. Dorsal de Huincul 17
2.2.2. Faja plegada y corrida del Agrio 18
2.2.3. Dorso de Los Chihuidos 18
2.2.4. Bajo de Añelo 19
2.2.5. Flanco Oriental 19
2.2.6. Principales estructuras tectónicas en el Área de Estudio 19
2.2.7. Geología de la Formación Vaca Muerta 22

3. Equipamiento y Datos 23
3.1. Introducción 23
3.2. Sismología 23
3.2.1. Red Local Añelo 24
3.2.2. Datos Internacionales 28
3.2.3. Programación científica y Datos sismológicos 29
3.3. Gravimetría 33
3.3.1. Datos Terrestres 33
3.3.2. Datos Satelitales 35
3.3.3. Estudio de Errores 36
3.3.4. Software de procesamiento e interpretación 36

4. Metodología 39
4.1. Introducción 39
4.2. Sismología 39
4.2.1. Procesamiento – Base de Datos 40
4.2.2. Algoritmo de detección automática de eventos 41
4.2.3. Localizacíon 45
4.2.4. Modelo de Velocidad 48
4.2.5. Magnitud 53
4.2.6. Relocalización por Doble Diferencia 57
4.2.7. Mecanismos Focales 60
4.2.8. Inversión de Tensor Momento 61
4.3. Gravimetría 64
4.3.1. Potencial Gravitatorio 64
4.3.2. El Geoide 65
4.3.3. Anomalías Gravimétricas 67
4.3.4. Longitud de Onda: Separación 71
4.3.5. Ángulo de Tilt 74

II Geofísica Aplicada a la zona de explotación de Vaca Muerta 77

5. Resultados – Sismología 79
5.1. Introducción 79
5.2. Métricas de Control de Calidad 80
5.2.1. Media 80
5.2.2. Mediana 81
5.2.3. Máximo valor de muestreo 82
5.2.4. Saturación 83
5.2.5. Vacío de datos 84
5.2.6. Ruido impulsivo 85
5.2.7. Ruido no impulsivo. Cantidad de Disparos 86
5.2.8. Máximo Valor STA/LTA 88
5.2.9. Desviación estándar para bajas frecuencias 89
5.2.10. Desviación estándar para altas frecuencias 89
5.2.11. Función densidad de probabilidad 91
5.2.12. Densidad espectral de potencia 91
5.2.13. Espectrograma 95
5.3. Identificación y Localización de sismicidad 96
5.3.1. Modelo de Velocidad 102
5.3.2. Localizaciones Finales 106
5.4. Magnitud 110
5.5. Relocalización por Doble Diferencia 113
5.6. Mecanismos Focales 116
5.7. Inversión de Tensor Momento 119

6. Resultados – Gravimetría 125
6.1. Introducción 125
6.2. Anomalías del Campo Gravitatorio 126
6.3. Realce de Anomalías 129
6.3.1. Gradiente de TILT 130
6.4. Cálculo del Moho a partir de inversión gravimétrica 132
6.5. Fábrica del Terreno 135

7. Discusión 137
7.1. Introducción 137
7.2. Análisis Sismotectónico 138
7.2.1. Cobertura del área de estudio 138
7.2.2. Análisis de Estructuras existentes y antecedentes 139
7.2.3. Análisis de Sismicidad 145
7.2.4. Interpretación de Estructuras y Resultados 152
7.2.5. Factores favorables sismogénicos 156
7.3. Sismicidad Inducida en la Cuenca Neuquina 158
7.3.1. Estado de Esfuerzos 158
7.3.2. Zonas de Explotación de no convencionales 160
7.3.3. ¿Sismos Naturales o Inducidos? 160

8. Conclusiones 167

III Apéndices 171

A. Glosario 173
B. Tercera Identidad de Green 177
C. Transformada de Fourier 179
Índice de figuras 181
Índice de Tablas 191
Bibliografía 193

Conclusiones

En el presente Capítulo se hace una reseña de los resultados más importantes obtenidos a lo largo de los últimos Capítulos, integrándolos para obtener una mejor comprensión desde el punto de vista geofísico de la zona de estudio. Por último se enumerarán las principales conclusiones a las que se ha arribado en esta Tesis.

Este estudio presenta el primer reporte de sismicidad (publicado en Correa-Otto et al. (2018))) en la región de antepaís de la cuenca Neuquina entre los 38°S y 39°S, específicamente alrededor del pueblo de Añelo, principal escenario de la exploración y extracción de hidrocarburos no convencionales. Las localizaciones de los sismos muestran un alto grado de concordancia con métodos de realce de anomalías gravimétricas aplicados al área de estudio. La correspondencia espacial y en profundidad de los eventos sísmicos sobre anomalías de campo gravitatorio de las mismas características, permite obtener resultados e interpretaciones con un alto grado de confianza.

En un sentido más regional, al sur del río Neuquén, la sismicidad y anomalías de gravedad sugieren lineamientos similares en la Dorsal de Huincul, a los descriptos por el estudio estructural de Silvestro y Zubiri (2008). Como puede observarse en la figura 8.1, de Oeste a Este los lineamientos presentan rumbos NE-SO entre los 71°O y 70°O, E-O a los 69°O y finalmente ESE-ONO a partir de los 68°O. Esta rotación en las direcciones de las estructuras concuerda con la interpretación de la estructura de la Dorsal como una sumatoria de eventos de deformación con esfuerzos cambiantes a lo largo del tiempo (Vergani et al., 1995), siendo primero extensionales, luego compresivos con una orientación que rotaba desde nor-noroeste a este oeste y sudoeste de acuerdo al vector de convergencia entre la placa de Farallón y Nazca y la placa sudamericana (Mosquera y Ramos, 2005).

Alrededor del pueblo de Añelo, la sismicidad registrada y las anomalías de gravedad se interrelacionan con las fallas principales que definen a los hemigrábenes y grábenes precuyanos, y las zonas de transferencia entre estas (Cristallini et al., 2009), y con el gran cuerpo magmático con forma lacolítica, intruido en corteza media definido por Astort et al. (2019). Los mecanismos focales obtenidos y los métodos de realce de cartas gravimétricas se relacionan también con estos resultados y permiten suponer estructuras para la sismicidad y gradientes de gravedad no interpretados anteriormente (Fig. 8.2). Las direcciones de reactivación de estructuras son coincidentes con las direcciones de esfuerzo máximo dadas por Guzmán et al. (2007), y en general con la SH max media de 88.7° obtenida en el mismo trabajo. Estos rasgos indican estrés compresivo E-O, relacionado principalmente a fuerzas topográficas Andinas y de borde de placa.

A partir de estos resultados se analizaron distitnas tendencias para explicar las fuentes de la actividad sísmica. En primer lugar, controles mayores sobre la localización de la sismicidad en la cuenca Neuquina podrían estar relacionados a condiciones termo-mecánicas favorables en la Dorsal de Huincul. En segundo lugar, los sismos en el área podrían estar conectados a la propagación hacia el este del frente activo Andino y el crecimiento del anticlinal de Añelo (Messager et al., 2010). Finalmente, la influencia de las intensas operaciones de fracturación hidráulica podrían ser los mecanismos de disparo o de alteración de esfuerzos que llevan a la liberación de energía elástica almacenada en fallas pre existentes.

Se estudió intensivamente el terremoto del 19 de Noviembre de 2015, determinando por múltiples resultados, que este evento de magnitud 3.78 Ml fue probablemente un sismo inducido por actividad antrópica. Además, se relacionaron niveles de producción de hidrocarburos no convencionales y localizaciones de pozos a la mayoría de la sismicidad registrada, y la recurrencia natural esperada para este tipo de eventos en base a registros históricos y resultados de este trabajo. Por esto, en cuanto a la sismicidad inducida en la región alrededor de Añelo se concluye:

\item El terremoto del 2015 fue probablemente el primer evento sísmico inducido registrado en el área.

\item Se estudiaron e interpretaron zonas favorables a generar sismicidad y estructuras posiblemente sismogénicas que deberían ser evitadas o explotadas con cuidado.

\item Estructuras precuyanas en el área podrían suponer la principal fuente de peligro sísmico, en particular las zonas de transferencia entre estas.

\item Se analizó el registro de actividad sísmica y el aumento continuo de la misma, en relación a la creciente actividad petrolera utilizando técnicas de exploración y extracción de hidrocarburos no convencionales.

\item Es muy probable que en adición a la micro sismicidad esperada por el tipo de actividades antropogénicas desarrolladas, se esté induciendo actividad tectónica en fallas pre existentes.

Monitoreo detallado y protocolos de respuesta, son el primer paso para abordar la mitigación de riesgo en estas regiones. En el presente, estas estrategias retrospectivas, no son suficiente para proteger infraestructuras críticas que no aceptan ningún tipo de fallas. El monitoreo en tiempo real con buena cobertura y mapeo de operaciones de fracturación hidráulica, es en estos momentos el método más prometedor para controlar las operaciones. Mayor desarrollo de técnicas de prevención en tiempo real y estrategias de mitigación de riesgo son requeridas, que puedan ser verificadas y aplicadas a futuras operaciones de fracturación hidráulica.

Pie de páginas de figuras 8.1 y 8.2, parte de las conclusiones:

Figura 8.1: Vista regional del área de estudio. Se grafican las principales estructuras al Norte y al sur de la Dorsal de Huincul (delimitada en verde). En flechas naranjas se marcan los lineamientos predominantes de las estructuras de la Dorsal determinados por la sismicidad y anomalías gravimétricas.

Figura 8.2: Mapa final del área de estudio, se grafican: estructuras de Cristallini et al. (2009) en líneas llenas negras y blancas, estructuras de Silvestro y Zubiri (2008) en gris, dirección de máximos esfuerzos Sh de Guzmán et al. (2007). Se muestran como resultados: las anomalías gravimétricas, la sismicidad registrada, los mecanismos focales obtenidos, las estructuras interpretadas de métodos de realce gravimétricos en lineas llenas azules y estructuras adicionales supuestas en base a estudios puntuales en lineas puntuadas azules y blancas.