The Effect of Gas Migration From Deep Geological Formations Into Mine Workings During the Evolution of Mining-Induced Seismicity

Molto sotto la superficie terrestre, il suolo è raramente immobile. Anche nei luoghi in cui nessuno sta scavando, la crosta del pianeta è sottoposta a una pressione immensa, compressa da forze tettoniche che si sono accumulate per milioni di anni. In molte regioni, questa pressione è così grande che la roccia è già sull'orlo della rottura, uno stato che gli scienziati definiscono "criticamente sollecitato". È come una libreria pesante che è perfettamente in equilibrio ma pronta a crollare se venisse aggiunto anche un solo libro. Quando l'uomo inizia a estrarre carbone, rimuove enormi quantità di roccia, il che cambia l'equilibrio delle forze nel terreno. Questo disturbo crea un nuovo tipo di pressione, una che può innescare lo spostamento e la fratturazione della roccia. Sebbene sappiamo che l'estrazione rilascia gas dai filoni di carbone che vengono scavati, una nuova linea di ricerca pone una domanda sorprendente: potrebbe lo scuotimento e la fessurazione causati dall'attività mineraria arrivare così in profondità da attirare il gas da chilometri di distanza, ben oltre la portata di qualsiasi pala o trivella?

Un team di ricercatori russi e cinesi ha proposto un meccanismo per spiegare perché alcune miniere sperimentano improvvisi e massicci aumenti di gas metano che non possono essere giustificati dal carbone che viene estratto. Nel loro studio, suggeriscono che con l'espandersi delle operazioni minerarie, la zona di stress e fratturazione non si ferma al fondo della fossa. Al contrario, essa spinge verso il basso, attivando strati profondi della Terra che erano precedentemente silenziosi. Questo processo, sostengono, crea una rete di crepe che funge da autostrada, permettendo al metano intrappolato nelle profonde formazioni geologiche di migrare verso l'alto nei siti minerari. I ricercatori hanno testato questa idea utilizzando simulazioni al computer e analizzando dati reali provenienti da una massiccia miniera a cielo aperto nella regione del Kuzbass, in Russia, riscontrando che il volume di gas che risale dalla terra profonda può essere paragonabile al gas rilasciato dai filoni di carbone stessi.

Per capire come ciò accada, bisogna prima osservare come il terreno reagisce all'attività mineraria. Quando una miniera viene scavata, la roccia sopra e intorno allo scavo viene privata del suo peso, un processo noto come scarico. Questo scarico crea una zona di roccia fratturata, ma i modelli tradizionali suggeriscono che questa zona si estenda solo per poche centinaia di metri di profondità. Tuttavia, i ricercatori sottolineano che in molte aree minerarie viene rilevata attività sismica — piccoli terremoti causati dall'attività umana — a profondità di diversi chilometri, molto al di sotto di dove avviene qualsiasi attività mineraria. Questa sismicità profonda indica che la massa rocciosa nel profondo del sottosuolo è anch'essa spinta verso quello stato critico di rottura. Man mano che la miniera diventa più grande e profonda, i cambiamenti di stress si propagano più in basso, trasformando sequenzialmente strati di rocia sempre più profondi da uno stato stabile a uno criticamente sollecitato.

Quando la roccia raggiunge questo stato criticamente sollecitato, subisce un tipo specifico di deformazione. Non si limita a fratturarsi una volta e fermarsi; inizia a fratturarsi e a spostarsi lungo le debolezze esistenti nel terreno. Questa fratturazione aumenta drasticamente la permeabilità della roccia, ovvero una misura di quanto facilmente i fluidi e i gas possano fluire attraverso di essa. Immaginate una spugna che è strettamente compressa e trattiene l'acqua all'interno; se la schiacciate finché non si crepa, l'acqua può improvvisamente fuoriuscire. Allo stesso modo, quando gli strati profondi della roccia si fratturano, rilasciano il gas metano che è rimasto intrappolato nei loro pori per eoni. I ricercatori propongono che questa fratturazione profonda crei un percorso continuo per il gas per viaggiare da profondità di diversi chilometri fino alla superficie o nei tunnel della miniera.

Il team ha testato questo concetto utilizzando un modello informatico che simulava la crosta terrestre sotto una miniera. Hanno diviso l'area sotterranea in strati e programmato il modello per simulare l'aumento graduale dell'attività mineraria. Mentre la simulazione procedeva, hanno osservato che gli strati di roccia direttamente sopra un serbatoio di metano profondo iniziavano a fratturarsi e a diventare più permeabili. Inizialmente, il gas rimaneva intrappolato. Ma man mano che lo stress minerario simulato raggiungeva gli strati più profondi, la permeabilità della roccia aumentava significativamente, creando un canale per la fuga del metano. La simulazione ha mostrato che una volta che la roccia sopra la fonte di gas era diventata sufficientemente fratturata, grandi volumi di metano iniziavano a fluire verso l'alto, muovendosi attraverso le crepe appena formate verso la miniera e la superficie.

Per vedere se questa teoria reggeva nel mondo reale, i ricercatori hanno esaminato la miniera a cielo aperto di Bachat nella regione del Kuzbass, un sito noto per la sua intensa sismicità indotta dall'attività mineraria. Hanno esaminato la storia dei terremoti registrati sotto la miniera nell'arco di diversi decenni. I dati hanno rivelato un modello chiaro: la profondità di questi eventi sismici è aumentata costantemente nel tempo. Nei primi anni 2000, i terremoti avvenivano a profondità di uno-tre chilometri. Entro il 2013, un terremoto significativo è stato registrato a una profondità di quattro chilometri. Entro il 2020, l'attività sismica veniva rilevata fino a sei chilometri di profondità. Questa progressione suggerisce che la zona di roccia criticamente sollecitata si stia effettivamente muovendo verso il basso, strato dopo strato, con il proseguire delle operazioni minerarie.

Utilizzando queste osservazioni, i ricercatori hanno stimato quanto gas potesse migrare da queste zone profonde. Hanno calcolato il volume di metano disponibile negli strati rocciosi fino a quattro chilometri e hanno applicato un fattore per tenere conto di quanto di quel gas potesse essere rilasciato a causa della fratturazione. I loro calcoli hanno suggerito che la quantità di metano potenzialmente in migrazione da questi orizzonti profondi potrebbe raggiungere centinaia di milioni di metri cubi. Questa cifra è sorprendente perché è paragonabile alla quantità totale di gas rilasciata dai filoni di carbone attualmente estratti nel sito di Bachat. Ciò implica che una parte significativa del gas trovato nella miniera potrebbe non provenire dal carbone che viene scavato, ma piuttosto dalla terra profonda che viene sbloccata dallo stress della stessa attività mineraria.

Lo studio affronta anche le implicazioni più ampie di questo fenomeno. Se la migrazione di gas profondo sta avvenendo, ciò aiuta a spiegare perché alcune miniere sperimentino improvvisi e pericolosi picchi nei livelli di gas che sembrano apparire dal nulla. Suggerisce inoltre che i rischi associati all'attività mineraria non scompaiono quando una miniera chiude. Le fratture create da decenni di attività mineraria e dalla relativa attività sismica possono rimanere aperte per anni, continuando a canalizzare il gas dalle profondità della terra molto tempo dopo che l'ultima pala ha lasciato il sito. Ciò potrebbe rappresentare rischi continui per l'ambiente e la salute pubblica, poiché gas come il metano e il radon continuano a filtrare nell'atmosfera.

I ricercatori riconoscono che il loro lavoro è una simulazione e un quadro teorico basato sui dati disponibili, non una prova definitiva di ogni dettaglio. Tuttavia, l'allineamento tra i loro modelli informatici, l'osservazione dell'approfondimento dell'attività sismica e le anomalie di gas inspiegabili nelle miniere fornisce una nuova e convincente prospettiva. Essa sfida la visione tradizionale secondo cui il gas della miniera provenga solo dalle immediate vicinanze dello scavo. Invece, dipinge l'immagine di una Terra dinamica in cui l'attività umana può innescare una reazione a catena nelle profondità del sottosuolo, trasformando i propri serbatoi profondi in una fonte di gas che fluisce verso l'alto attraverso le crepe che abbiamo creato. Questa comprensione è fondamentale per sviluppare migliori misure di sicurezza e prevedere il comportamento dei gas in alcune delle regioni minerarie più attive del mondo.