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

Muito abaixo da superfície da Terra, o solo raramente está parado. Mesmo em lugares onde ninguém está cavando, a crosta do planeta está sob imensa pressão, espremida por forças tectônicas que se acumulam há milhões de anos. Em muitas regiões, essa pressão é tão grande que a rocha já está à beira da ruptura, um estado que os cientistas chamam de "criticamente estressada". É como uma estante pesada que está perfeitamente equilibrada, mas pronta para desabar se apenas um único livro for adicionado. Quando os seres humanos começam a minerar carvão, eles removem quantidades massivas de rocha, o que altera o equilíbrio das forças no solo. Essa perturbação cria um novo tipo de pressão, uma que pode desencadear o deslocamento e a fratura da rocha. Embora saibamos que a mineração libera gás das camadas de carvão que estão sendo escavadas, uma nova linha de investigação faz uma pergunta surpreendente: será que o tremor e o estalo causados pela mineração podem chegar tão fundo que puxam o gás de quilômetros abaixo, muito além do alcance de qualquer pá ou broca?

Uma equipe de pesquisadores da Rússia e da China propôs um mecanismo para explicar por que algumas minas sofrem surtos súbitos e massivos de gás metano que não podem ser explicados pelo carvão que está sendo minerado. Em seu estudo, eles sugerem que, à medida que as operações de mineração se expandem, a zona de estresse e fratura não para no fundo do fosso. Em vez disso, ela empurra para baixo, ativando camadas profundas da Terra que antes estavam silenciosas. Esse processo, argumentam eles, cria uma rede de rachaduras que atua como uma rodovia, permitindo que o metano preso em formações geológicas profundas migre para cima, em direção às áreas de trabalho da mina. Os pesquisadores testaram essa ideia usando simulações computacionais e analisando dados do mundo real de uma enorme mina a céu aberto na região de Kuzbass, na Rússia, descobrindo que o volume de gás subindo da terra profunda pode ser comparável ao gás liberado pelas próprias camadas de carvão.

Para entender como isso acontece, deve-se primeiro observar como o solo reage à mineração. Quando uma mina é escavada, a rocha acima e ao redor da escavação é aliviada de seu peso, um processo conhecido como descarregamento. Esse descarregamento cria uma zona de rocha fraturada, mas os modelos tradicionais sugerem que essa zona se estende apenas algumas centenas de metros de profundidade. No entanto, os pesquisadores apontam que, em muitas áreas de mineração, a atividade sísmica — pequenos terremotos causados pela atividade humana — é detectada em profundidades de vários quilômetros, muito abaixo de onde qualquer mineração está ocorrendo. Essa sismicidade profunda indica que a massa rochosa nas profundezas do subsolo também está sendo empurrada para esse estado crítico de ruptura. À medida que a mina cresce em tamanho e profundidade, as mudanças de estresse se propagam mais profundamente, transformando sequencialmente camadas cada vez mais profundas de rocha de um estado estável para um estado criticamente estressado.

Quando a rocha atinge esse estado criticamente estressado, ela sofre um tipo específico de deformação. Ela não apenas racha uma vez e para; ela começa a fraturar e a se deslocar ao longo de fraquezas existentes no solo. Esse fraturamento aumenta dramaticamente a permeabilidade da rocha, que é uma medida de quão facilmente fluidos e gases podem fluir através dela. Imagine uma esponja que está fortemente comprimida e retém água em seu interior; se você a apertar até que ela rache, a água pode subitamente jorrar para fora. Da mesma forma, quando as camadas profundas de rocha fraturam, elas liberam o gás metano que estava preso em seus poros por eras. Os pesquisadores propõem que esse fraturamento profundo cria um caminho contínuo para o gás viajar de profundidades de vários quilômetros até a superfície ou para dentro dos túneis da mina.

A equipe testou esse conceito usando um modelo computacional que simulou a crosta terrestre abaixo de uma mina. Eles dividiram a área subterrânea em camadas e programaram o modelo para mimetizar o aumento gradual da atividade de mineração. À medida que a simulação progredia, observaram que as camadas de rocha diretamente acima de um reservatório de metano profundo começavam a fraturar e a se tornar mais permeáveis. Inicialmente, o gás permanecia preso. Mas, conforme o estresse da mineração simulada atingia camadas mais profundas, a permeabilidade da rocha aumentava significativamente, criando um canal para o metano escapar. A simulação mostrou que, uma vez que a rocha acima da fonte de gás tornasse suficientemente fraturada, grandes volumes de metano começavam a fluir para cima, movendo-se através das rachaduras recém-formadas em direção à mina e à superfície.

Para ver se essa teoria se sustentava no mundo real, os pesquisadores analisaram a mina a céu aberto de Bachat, na região de Kuzbass, um local conhecido por sua intensa sismicidade induzida pela mineração. Eles examinaram o histórico de terremotos registrados sob a mina ao longo de várias décadas. Os dados revelaram um padrão claro: a profundidade desses eventos sísmicos tem aumentado constantemente ao longo do tempo. No início dos anos 2000, os terremotos ocorriam em profundidades de um a três quilômetros. Em 2013, um terremoto significativo foi registrado a uma profundidade de quatro quilômetros. Em 2020, a atividade sísmica estava sendo detectada a até seis quilômetros de profundidade. Essa progressão sugere que a zona de rocha criticamente estressada está, de fato, movendo-se para o fundo, camada por camada, à medida que as operações de mineração continuam.

Usando essas observações, os pesquisadores estimaram quanto gás poderia estar migrando dessas zonas profundas. Eles calcularam o volume de metano disponível nas camadas de rocha até quatro quilômetros de profundidade e aplicaram um fator para considerar quanto desse gás poderia ser liberado devido ao fraturamento. Seus cálculos sugeriram que a quantidade de metano potencialmente migrando dessas camadas profundas poderia atingir centenas de milhões de metros cúbicos. Esse número é impressionante porque é comparável à quantidade total de gás liberado das camadas de carvão que estão sendo mineradas atualmente no site de Bachat. Isso implica que uma parte significativa do gás encontrado na mina pode não estar vindo do carvão que está sendo escavado, mas sim da terra profunda que está sendo desbloqueada pelo próprio estresse da mineração.

O estudo também aborda as implicações mais amplas deste fenômeno. Se a migração de gás profundo está ocorrendo, isso ajuda a explicar por que algumas minas experimentam picos súbitos e perigosos nos níveis de gás que parecem surgir do nada. Também sugere que os riscos associados à mineração não desaparecem quando uma mina é fechada. As fraturas criadas por décadas de mineração e pela atividade sísmica associada podem permanecer abertas por anos, continuando a canalizar gás das profundezas da terra muito depois que a última pá deixou o fosso. Isso pode representar riscos contínuos para o meio ambiente e para a saúde pública, à medida que gases como metano e radônio continuam a infiltrar-se na atmosfera.

Os pesquisadores reconhecem que seu trabalho é uma simulação e um quadro teórico baseado em dados disponíveis, não uma prova definitiva de cada detalhe. No entanto, o alinhamento entre seus modelos computacionais, o aprofundamento observado da atividade sísmica e as anomalias de gás inexplicáveis nas minas fornece uma nova perspectiva convincente. Isso desafia a visão tradicional de que o gás da mina vem apenas da vizinhança imediata da escavação. Em vez disso, pinta o quadro de uma Terra dinâmica onde a atividade humana pode desencadear uma reação em cadeia nas profundezas do subsolo, transformando os próprios reservatórios profundos do planeta em uma fonte de gás que flui para cima através das rachaduras que nós mesmos criamos. Essa compreensão é crucial para o desenvolvimento de melhores medidas de segurança e para a previsão do comportamento do gás em algumas das regiões de mineração mais ativas do mundo.