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Nov 29, 2023

Fisica

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 13133 (2023) Cita questo articolo 6798 Accessi a 3 dettagli delle metriche alternative Previsione a breve termine della magnitudo massima stimata (\({\widehat{M}}_{max}\))

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13133 (2023) Citare questo articolo

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La previsione a breve termine della magnitudo massima stimata (\({\widehat{M}}_{max}\)) è fondamentale per mitigare i rischi di sismicità indotta durante la stimolazione dei fluidi. La maggior parte dei metodi precedenti richiede dati di iniezione in tempo reale, che non sono sempre disponibili. Questo studio propone due approcci di deep learning (DL), insieme a due metodi di partizionamento dei dati, che si basano esclusivamente su precedenti modelli di sismicità. Il primo approccio prevede \({\widehat{M}}_{max}\) utilizzando direttamente DL; il secondo incorpora vincoli fisici utilizzando DL per prevedere il tasso di sismicità, che viene poi utilizzato per stimare \({\widehat{M}}_{max}\). Questi approcci vengono testati utilizzando un set di dati di monitoraggio delle fratture idrauliche del Canada occidentale. Troviamo che il DL diretto apprende dai precedenti modelli di sismicità per fornire una previsione accurata, anche se con un ritardo che ne limita l’utilità pratica. L'approccio basato sulla fisica prevede accuratamente i cambiamenti nel tasso di sismicità, ma a volte sottostima (o sovrastima) \({\widehat{M}}_{max}\). Proponiamo che un superamento significativo di \({\widehat{M}}_{max}\) possa annunciare l'inizio di una rottura fuori controllo della faglia.

La fratturazione idraulica (HF), un metodo di stimolazione dei fluidi per migliorare la permeabilità producendo fratture nelle rocce serbatoio a bassa permeabilità1, produce tipicamente microterremoti (MEQ) con magnitudo del momento MW < 0. Tuttavia, l'HF può anche indurre terremoti moderati (MW > 4)2 ,3,4,5,6, che sono associati all'attivazione di guasti preesistenti7. Ottenere una stima probabilistica della massima magnitudo attesa dell'evento (\({\widehat{M}}_{max}\)) per una data operazione HF è importante per la valutazione del pericolo8 e potrebbe informare strategie proattive di mitigazione in tempo reale per la sismicità indotta che sono richiesti in alcuni sistemi di monitoraggio avanzati9,10.

Sono stati sviluppati vari approcci per stimare la \({\widehat{M}}_{max}\) della sismicità indotta dai fluidi. Ad esempio, la distribuzione attesa delle magnitudo dei terremoti può essere espressa in termini di volume netto di fluido iniettato (∆V) e di indice sismogenico (∑), un parametro sismotettonico proposto specifico per l'area che caratterizza il livello di attività sismica atteso in risposta al fluido. iniezione11. Questa espressione è stata utilizzata per sviluppare una stima probabilistica per la magnitudo massima12, che scala linearmente con log10 ∆V. La stessa relazione di scala volumetrica è stata derivata utilizzando un approccio teorico diverso, basato sul criterio di equilibrio della fessura di Griffith13. In questo caso, la stima della magnitudo massima si applica al caso di rottura arrestata, un concetto in cui la zona di rottura della faglia è confinata in una regione sotterranea in cui la pressione è perturbata dall'iniezione di fluido. Questo concetto è stato utilizzato anche per sviluppare un vincolo geometrico per la magnitudo massima, basato sulla distribuzione spaziale dei MEQ14. In un'altra formulazione, il momento sismico massimo atteso per un terremoto indotto dall'iniezione è espresso come il prodotto del modulo di taglio del mezzo e del volume netto del fluido iniettato15. Con l'eccezione dell'approccio geometricamente vincolato14, che richiede la determinazione delle posizioni dell'ipocentro MEQ, tutti questi metodi utilizzano il volume netto iniettato ∆V come parametro per la stima di \({\widehat{M}}_{max}\).

Durante le operazioni HF, le osservazioni sismiche possono essere utilizzate per identificare MEQ operativi1 nonché eventi sismici indotti che si verificano su faglie vicine16,17,18,19. I MEQ operativi si verificano tipicamente in cluster che si estendono lontano dal pozzo, solitamente perpendicolarmente alla direzione dello stress orizzontale minimo20,21. In alcuni casi, una faglia riattivata è caratterizzata da un evento ritardato rispetto al momento di inizio di una fase di iniezione, accoppiato con un orientamento obliquo dei cluster di sismicità rispetto alle principali direzioni di stress16,17,18,19. La riattivazione della faglia è spesso contrassegnata da un aumento del tasso di sismicità, accompagnato da una diminuzione del valore b di Gutenberg-Richter22,23. Sebbene tali cambiamenti nel modello spaziotemporale della sismicità possano essere impercettibili, il loro rilevamento utilizzando metodi di deep learning (DL) potrebbe fornire una strada per una migliore previsione a breve termine.