Estudio sismoeléctrico de medios poroelásticos acoplados con medios acústicos o elásticos

• Autores: Bucher, Federico
• Año de publicación: 2021
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis de grado
• Colaborador/a o director/a de tesis: Zyserman, Fabio Iván; Castromán, Gabriel Alejandro
• Materia: Geofísica; Sismoelectricidad; Doble capa eléctrica; Electromagnetismo
• Institución: Universidad Nacional de La Plata

La conversión de energía mecánica en electromagnética en medios poroelásticos total o parcialmente saturados de un electrolito fluido, ha sido profundamente estudiada en las últimas décadas y gran cantidad de trabajos fueron publicados con el objetivo de avanzar en la comprensión del denominado fenómeno sismoeléctrico (Pride, 1994; Pride y Haartsen, 1996; Garambois et al., 2002). Estos estudios dieron lugar al desarrollo de una nueva técnica geofísica sensible frente a cambios en las propiedades eléctricas y/o mecánicas del subsuelo, cuya aplicación en el campo se encuentra en fase experimental y que ha sido empleada exitosamente como método prospectivo de acuíferos (Fourie, 2006) y reservorios de hidrocarburos (Thompson y Gist, 1993). Se utiliza también en el monitoreo de reservorios de CO2 capturado (Zyserman et al., 2015), de contaminación del subsuelo y en el estudio de los campos electromagnéticos relacionados a la ocurrencia de un terremoto (Gao et al., 2013). Además, nuevas líneas de investigación referidas a esta disciplina y a su recíproca, la Electrosísmica, que estudia la conversión de energía electromagnética en mecánica, están actualmente en desarrollo, tales como el estudio de nuevos tipos de propagación como son las ondas evanescentes, que son originadas cuando se supera el ángulo crítico de incidencia en una discontinuidad (Wang et al., 2020). En resumen, el fenómeno sismoeléctrico de interés en este trabajo se produce cuando, en un medio poroso que contiene un electrolito fluido, una perturbación mecánica provoca un movimiento relativo entre el fluido y la matriz rocosa. La existencia de la denominada Doble Capa Eléctrica adyacente a las paredes de los poros permite la generación de movimientos iónicos en el electrolito, es decir, corrientes eléctricas que son fuentes de campos electromagnéticos inducidos, produciéndose así la conversión de energía. Estas pueden darse por diversos mecanismos, dando lugar a distintas formas de propagación como lo son principalmente el campo co-sísmico, que está siempre presente, y la respuesta de interfase, que únicamente tiene lugar cuando existe un contraste en las propiedades mecánicas y/o eléctricas del subsuelo. Ambos campos difieren principalmente en su amplitud y en su velocidad de propagación, siendo la velocidad sísmica del medio la del primero y la electromagnética del medio la del segundo. Otra diferencia es en el soporte espacial, ya que el campo co-sísmico sólo está presente en el interior de la onda, mientras que la respuesta de interfase, en principio, lo está en todo el espacio. Cuando las perturbaciones mecánicas son causadas intencionalmente con caídas de peso o explosivos, estos campos pueden ser registrados en pozos cercanos o en superficie, brindando una herramienta prospectiva no invasiva muy útil que cuenta con la resolución del método sísmico, en función del grado de compactación de la ondícula que se utilice como fuente, y la sensibilidad frente a propiedades eléctricas del método electromagnético. Para describir estos fenómenos y también sus recíprocos correspondientes al acoplamiento electrosísmico, Pride (1994) desarrolló un conjunto de ecuaciones que resultan en las ecuaciones acopladas de poroelasticidad de Biot y las leyes de Maxwell. Para resolverlas numéricamente en dominios unidimensionales y bidimensionales, es necesario realizar una serie de suposiciones que permiten desacoplarlas y simplificarlas. Todas estas cuestiones son discutidas en detalle en el capítulo 1 de este trabajo. Con el objetivo de representar, además de medios poroelásticos, medios acústicos y elásticos con la misma formulación teórica e implementación numérica, se propuso en este trabajo hacer variar la porosidad en las ecuaciones de Biot entre los dos extremos: φ → 0 para el caso elástico y φ → 1 para el acústico (implicando además este último despreciar el módulo de corte). Para validar estas hipótesis, se realizaron simulaciones numéricas con una versión de un código desarrollado previamente (Zyserman et al., 2010) que resuelve las ecuaciones 2D desacopladas de Pride con el método de elementos finitos, y se compararon con resultados obtenidos mediante códigos desarrollados por otros autores (Diaz y Ezziani, 2010). Esto se discute en el capítulo 2 junto con un análisis detallado de la respuesta sísmica de medios elásticos y poroelásticos acoplados. En el capítulo 3 se expone un estudio paramétrico de la respuesta sismoeléctrica de medios homogéneos para el estudio del campo co-sísmico y de medios acoplados para el de la respuesta de interfase. Esta última, con el objetivo de poder ser visualizada, debe ser procesada previamente al análisis dada su baja amplitud en relación al campo co-sísmico, lo cual se lleva a cabo en este trabajo mediante un filtro de pendientes en el dominio FK. Los resultados del procesamiento permitieron observar la respuesta de interfase con una nitidez no alcanzada hasta ahora en los trabajos previos de distintos autores, siendo éste un resultado novedoso y relevante del presente trabajo. Asimismo, en el capítulo 4 se propone simular la respuesta sismoeléctrica de un glaciar sobre un sustrato rocoso y en el capítulo 5 se exponen las conclusiones generales y el trabajo posible para continuar estos estudios. Mas allá de que los fenómenos sismoeléctricos que tienen lugar en el subsuelo estén actualmente estudiados en profundidad (Jouniaux y Zyserman, 2015; Revil et al., 2005; Grobbe, 2020), la motivación para llevar a cabo el presente análisis radica en que es necesario contar con modelos numéricos que simulen la respuesta sísmica y sismoeléctrica de sistemas multifásicos heterogéneos compuestos por medios acústicos, elásticos y poroelásticos acoplados, es decir, en contacto y sin movimientos relativos entre ellos. Ejemplos reales que pueden representarse mediante dicho modelado son glaciares sobre un sustrato poroso (representable como un medio elástico sobre otro poroelástico (Monachesi et al., 2018)), o un fondo oceánico estratificado (representable como un medio acústico de agua sobre otros elásticos y/o poroelásticos (Wang et al., 2020)). También puede aplicarse al estudio de contaminación del nivel freático, considerando capas de distintas propiedades en función de las características del contaminante (LNAPL, DNAPL) (Munch y Zyserman, 2016). Este tipo de estudio es útil para cuantificar en forma aproximada dichas respuestas en base a las distintas propiedades físicas del subsuelo y resulta así en una herramienta fundamental para el diseño de geometrías en adquisiciones de datos reales. Siguiendo a Garambois et al. (2002), también puede ser utilizado para comparar datos sintéticos con datos reales y así refinar la teoría desarrollada por los distintos autores.
Geofísico
Universidad Nacional de La Plata
Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas