A pressão geológica altera as intersecções de fraturas na rocha

Os modelos que acompanham a deslocação da poluição através de rocha fraturada consideram os pontos de cruzamento entre fissuras como junções passivas e bem ligadas.

Essa premissa está presente em quase todas as simulações usadas para prever onde acabam os contaminantes subterrâneos.

No entanto, a Terra comprime esses cruzamentos tal como comprime qualquer outra parte da rocha no subsolo.

Essa pressão pode quase fechar uma junção. É a orientação da compressão que determina se ela permanece aberta.

Fissuras de rocha que se cruzam

As fissuras na rocha funcionam como autoestradas para os fluidos abaixo da superfície. Sendo muito mais permeáveis do que a pedra sólida em redor, atraem águas subterrâneas e poluentes dissolvidos.

Quando duas fissuras se encontram, fluxos com químicas diferentes convergem, misturam-se e voltam a sair.

Estes cruzamentos, conhecidos como intersecções de fraturas, controlam a forma como os fluidos se distribuem por toda uma rede de fissuras.

Peter K. Kang, geocientista da Universidade do Minnesota, e os seus colegas procuraram perceber como estas junções se comportam sob pressão.

Fissuras e secções transversais

Toda a rocha subterrânea está sujeita a tensão geológica, e sabe-se que a pressão altera o escoamento de fluidos através de fissuras isoladas.

Ainda assim, o que acontece nos pontos em que essas fissuras se cruzam continuava, em grande medida, a ser uma incógnita.

O comportamento nos cruzamentos permanecia sobretudo no domínio das suposições. Os modelos descreviam-nos como nós fixos, pois ninguém tinha observado uma intersecção real a deformar-se sob carga.

Imprimir fissuras de rocha

Para observar esse processo, a equipa criou fraturas que conseguia controlar. Com impressão 3D, produziu pequenas redes de cruzamentos em blocos de resina, todos com superfícies rugosas.

Estas estruturas reproduziam a forma como as paredes de fissuras reais entram em contacto e se cruzam no subsolo. A rocha natural varia demasiado para permitir experiências repetidas e idênticas.

Cada amostra foi colocada num pequeno aparelho que aplicava uma força contínua e crescente de cima para baixo. Entre cada compressão, a equipa realizou tomografias de raios X em 3D para observar o interior da rocha e cartografou os espaços abertos, intervalo a intervalo.

A obtenção de imagens de fissuras à medida que se deformam insere-se numa área de investigação em crescimento. Um desses estudos acompanhou o comportamento de fraturas no interior de rocha sob pressão.

Nos novos ensaios, cada cruzamento foi orientado segundo dois ângulos face à compressão: um sinal de mais (+) e uma cruz inclinada (×).

Uma compressão com orientação

A orientação determinou quase tudo o que aconteceu. No cruzamento em forma de mais, o aumento da pressão fechou a fissura horizontal, enquanto a vertical se manteve aberta.

Nas imagens, zonas de contacto brilhantes alargaram-se ao longo da fissura achatada, nos locais onde as paredes eram pressionadas uma contra a outra.

A cruz inclinada teve um comportamento mais invulgar. Uma fissura fechou como previsto, mas a outra alargou-se; aparentemente, as suas paredes rugosas deslizaram e sobrepuseram-se, forçando a abertura do espaço.

Com uma pressão ainda maior, a própria junção começou então a fechar-se. À medida que a compressão aumentava, o X bem definido estreitava-se até formar dois canais semelhantes a V, ligados por uma única abertura estreita.

A equipa chama-lhe garganta da intersecção. Esta tornou-se mais estreita a cada nova compressão. Nunca ninguém tinha observado diretamente uma junção a transformar-se desta forma. Isto indica que a tensão altera a geometria.

Seguir o escoamento

Conhecer a geometria era apenas metade da história, pelo que a equipa simulou o escoamento de fluidos através das junções digitalizadas.

Introduziu água simples num ramo e água com um marcador dissolvido noutro, medindo depois que quantidade desse marcador chegava à saída mais distante.

No cruzamento em forma de mais, o resultado manteve-se simples. À medida que a fissura horizontal se fechava, o fluxo para a fissura vertical aberta aumentou cerca de 80 por cento sob a compressão mais intensa.

A mistura aumentou de forma gradual, em linha com as previsões dos modelos convencionais. Já na cruz inclinada, o cenário tornou-se menos favorável.

Inicialmente, uma maior quantidade do marcador dissolvido atravessou a junção, à medida que um dos ramos se alargava. Depois, a junção estreitou-se até fechar. A mistura caiu para valores próximos de zero.

Mesmo com um escoamento muito lento, situação em que os modelos assumem que o fluido se mistura sempre, a garganta estrangulada manteve as duas correntes separadas.

Quando os modelos falham

Os modelos antigos funcionaram bem para o cruzamento em forma de mais. Para a cruz inclinada, não funcionaram de todo. Sob pressão elevada, as equações convencionais previram muita mistura, enquanto as simulações revelaram quase nenhuma.

A explicação estava na abertura estreita. Os modelos padrão estimam para onde o fluido segue numa junção apenas a partir da largura de cada fissura, pressupondo que o cruzamento se mantém aberto.

Quando a garganta se fecha, passa ela própria a orientar o escoamento, contrariando uma premissa presente em grande parte da investigação sobre rocha fraturada.

Por isso, a equipa introduziu uma correção nos modelos convencionais, acrescentando um valor que indica até que ponto a garganta estreitou devido à tensão.

Com esse pormenor incorporado, as equações corrigidas reproduziram o comportamento real da mistura, mesmo nos casos em que os modelos anteriores mais falhavam.

O que isto altera

A conclusão central é clara. A tensão geológica pode transformar os cruzamentos onde as fissuras se encontram, e a sua orientação determina se uma junção continua a misturar fluidos ou se os mantém separados.

Os modelos utilizados para prever o transporte de contaminantes através de rocha fraturada, ou a deslocação de fluido injetado num campo geotérmico, ignoraram uma força que redesenha os trajetos.

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

A tensão determina quanto e onde os fluidos se misturam, pelo que uma junção que está a promover a mistura pode entupir e acabar por estrangular-se.

Saber onde essas reações ocorrerão e como a lenta compressão da Terra as desloca dá aos engenheiros uma ferramenta que antes não possuíam.

Os cruzamentos subterrâneos nunca foram tão fixos como os modelos anteriores pressupunham.