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Sismicidad en la cuenca Neuquina, monitoreo de la actividad de fracking en la formación Vaca Muerta.

Authors:
I Congreso Binacional de Investigación Científica ARGENTINA CHILE
V Encuentro de Jóvenes Investigadores
SISMICIDAD EN LA CUENCA NEUQUINA, MONITOREO DE LA ACTIVIDAD DE
FRACKING EN LA FORMACION VACA MUERTA
Geociencia y Ambiente. Desastres Naturales e Inducidos por el Hombre.
Correa Otto, Sebastián; Nacif, Silvina.
Instituto Sismológico Volponi, Universidad Nacional de San Juan, Conicet.
Key words: Background seismicity, Fracking, Human induced activity.
Se estableció una red sismológica instalando 11 estaciones de banda ancha con una cobertura de ~
70 km x 70 km en el centro-norte de la cuenca de Neuquén, la misma registró datos continuamente
desde noviembre del 2014 hasta julio del 2016. No existe otra red sismológica en la región por lo
que la sismicidad de baja magnitud es desconocida. El estudio sismológico más cercano al área fue
presentado por Bohm et al. en el 2002, y cubre principalmente la región centro-sur de Chile.
Fig. 1: Red Local instalada en los alrededores de Añelo, con la sismicidad del mes de noviembre de
2015.
La cuenca neuquina está localizada en el antepaís Andino al oeste de Argentina, entre los 36ºS y los
40ºS de latitud. Se formó como una cuenca de retro-arco al este del arco volcánico argentino. La
evolución y desarrollo de la cuenca neuquina estuvo controlada por cambios tectónicos en el
margen occidental de Gondwana (Howell et al. 2005). La formación Vaca Muerta es uno de los
cuatro sistemas de carga vinculado a rocas fuente del Jurásico temprano hasta el Cretácico temprano
dentro de la cuenca neuquina. El experimento sismológico presentado en este trabajo tiene como
objetivo principal determinar la sismicidad base en la región de Añelo (escenario principal para la
explotación de hidrocarburos no convencionales) para ser capaces de determinar posible actividad
neo-tectónica y también sismicidad asociada a la inyección de fluidos.
La rutina de procesamiento de datos se llevó a cabo utilizando la plataforma de análisis sismológico
SEISAN, y el paquete Obspy que corre bajo Python. Primeramente, se utilizaron algoritmos de
detección automática basados en STA/LTA, a continuación, se realizó una inspección visual para
encontrar eventos sísmicos utilizando el módulo Multitrace, y eliminar falsos positivos. Se creó una
base de datos de eventos luego de que se observaron suficientes registros continuos; de esta manera
el número de eventos sísmicos que fueron encontrados fue maximizado. El módulo Multitrace View
se utilizó para identificar primeros arribos de ondas P y S. Numerosos eventos fueron detectados y
se determinó su localización al igual que su magnitud Ml y Mw. Los parámetros de localización se
encontraron usando el software Hypocenter, un modelo de velocidad unidimensional obtenido de
datos de pozos del área y el modelo de velocidad unidimensional obtenido por Bohm et al. 2002. Se
obtuvo el tensor momento completo de un evento en particular a través de inversión usando
Rapidinv y el paquete de programas Pyrocko.
Fig. 2: Sismicidad total utilizada para el presente trabajo.
El 19 de noviembre de 2015 un sismo de 4.2 grados de magnitud fue detectado al sur oeste de
Añelo, este es el sismo de mayor magnitud registrado en los ~ 60 años de registros disponibles en
bases de datos internacionales. Nuestra red local fue capaz de detectar en adición al evento, varias
réplicas y se procedió a realizar un estudio completo de este evento, para entender la naturaleza del
mismo y determinar si fue producido o no por actividad antropogénica.
Los resultados fueron estudiados conjuntamente con datos gravimétricos procesados para eliminar
tendencias regionales, para poder dar un mayor peso a las observaciones sísmicas que se encuentran
en un estado de mayor incertidumbre actualmente hasta tener mayor conocimiento del área y poder
realizar un modelo de velocidad de la zona más preciso. Se elaboraron cartas de anomalías
gravimétricas residuales de Bouger, de gradiente vertical y de ángulo de tilt, y se apreciaron muy
buenos resultados con respecto a alineaciones de sismos sobre anomalías delimitadas gravimétricas,
así como correlación de profundidades de eventos con valores máximos y mínimos de anomalías.
Fig. 3: Carta de anomalías gravimétricas residuales con la sismicidad del estudio graduada por
profundidad.
El evento de noviembre de 2015 fue localizado sobre la dorsal de Huincul, por lo que se utilizó la
sismicidad detectada en esta área para poder determinar si hay una reactivación de la dorsal y
delimitar sus bordes de acuerdo a los estudios de Mosquera et al. (2011) y Silvestro y Zubire (2008)
de acuerdo a su actividad sísmica. Además de relacionar la actividad con rasgos estructurales
superficiales, se relacionó también a los estados de esfuerzos del área según los resultados de
Guzmán et al. (2009) obtenidos a través de borehole breakouts. El mecanismo focal obtenido tanto
por picado de polaridades de primeros arribos, como por inversión de tensor momento muestra una
falla transcurrente de ~ 60-80° de rumbo, a una profundidad aproximada de 3km confirmada por
método de inversión, localización hipocentral y la construcción de sismogramas sintéticos a través
de array beams.
Como conclusión se infiere el carácter de la falla originante del evento como dextral debido a las
estructuras y esfuerzos dominantes del área. En cuanto al motivo de actividad de esta magnitud las
conclusiones preliminares son reactivación tectónica de la dorsal de Huincul debido a los esfuerzos
compresivos del margen activo de subducción controlados por la estructura compleja de la dorsal; o
posible reactivación de una falla antigua debido a la actividad de fractura miento hidráulico y la
inyección de fluidos en la zona. Mayores estudios serán necesarios para llegar a una conclusión
definitiva.
Fig. 4: Mecanismo Focal obtenido para el evento del 19 de noviembre de 2015, mostrando las
polaridades positivas como círculos y las polaridades negativas como triángulos.
Fig. 5: Sismicidad local en el mes de noviembre de 2015 relacionada a estructuras geológicas
superficiales (Silvestro y Zubire 2008), y a las direcciones de máximo esfuerzo presentadas por
Guzmán et al. 2009. El sentido dextral elegido para el mecanismo focal se infiere como conclusión
de la alineación de réplicas, la dirección de los esfuerzos y las tendencias estructurales de la dorsal
de Huincul.
References
Bohm, M., Lüth, S., Echtler, H., Asch, G., Bataille, K., Bruhn, C., Rietbrock, A., Wigger, P., 2002.
The southern andes between 36 and 40 s latitude: seismicity and average seismic velocities.
Tectonophysics 356 (4), 275-289.
Guzmán, C. G., Cristallini, E. O., 2009. Contemporary stress orientations from borehole breakout
analysis in the southernmost flat-slab boundary andean retroarc (32 °44 and 33° 40). Journal of
Geophysical Research: Solid Earth 114 (B2).
Howell, J. A., Schwarz, E., Spalletti, L. A., Veiga, G. D., 2005. The Neuquén basin: an overview.
Geological Society, London, Special Publications 252 (1), 1-14.
Mosquera, A., Silvestro, J., Ramos, V. A., Alarcon, M., Zubiri, M., 2011. La estructura de la
dorsal de Huincul. Relatorio Geología y Recursos Naturales de la provincia del Neuquén, pp. 385-
397. Buenos Aires.
Silvestro, J., Zubiri, M., 2008. Convergencia oblicua: modelo estructural alternativo para la dorsal
neuquina (39ºs)-Neuquén. Revista de la Asociación Geológica Argentina 63 (1), 49-64.
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La dorsal neuquina es un lineamiento estructural de escala regional desarrollado a los 39ºS, que se extiende por más de 270 km con orientación E-O, marcando el límite natural norte de la Patagonia. La actividad tectónica a lo largo de esta zona durante el Jurásico y Cretácico controló la sedimentación de la cuenca Neuquina desarrollando una serie de secuencias de crecimiento y discordancias asociadas. Por las características estructurales se reconoce un sector occidental con predominio de lineamientos orientados al NE relacionados a estructuras predominantemente compresivas y un sector oriental caracterizado por el predominio de lineamientos NO con desarrollo de estructuras transcurrentes. La orientación particular de este rasgo tectónico, aproximadamente perpendicular a los cinturones andinos, fue tradicionalmente explicado mediante dos modelos estructurales: transcurrencia e inversión tectónica. Basándose en nueva información de subsuelo y la disponibilidad de nuevos conceptos tectónicos, se plantea un esquema alternativo en donde se contempla el desarrollo de zonas dominadas por transcurrencia, estructuras relacionadas a inversión oblicua de hemigrábenes y el desarrollo de estructuras compresivas sin influencia de los rasgos extensionales previos. El arreglo en planta de las estructuras y su evolución en el tiempo puede ser originado por convergencia oblicua, bajo un campo de esfuerzos NO-SE, entre un bloque rígido ubicado al sureste (Cratón norpatagónico) actuando como contrafuerte con límite oeste paralelo a la traza del río Limay y límite norte paralelo al cauce del río Negro, que converge con una zona al noroeste factible de ser plegada representada por la cuenca Neuquina. Este esquema permite explicar la distribución y orientación de las zonas compresivas y transcurrentes y su evolución en el tiempo con desarrollo de estructuras cada vez más jóvenes hacia la parte externa del sistema.
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Horizontal stress directions have been determined in the southernmost flat-slab boundary Andean retroarc between 32°44′ and 33°40′S within Cuyo Basin, Argentina. These directions were obtained from the borehole breakout analysis of 42 wells using four-arm caliper data. The mean maximum horizontal stress (SHmax) direction for the whole region is 104.1° with a 95% confidence interval of 8.1°. The present-day stress field has an approximately preferred E–W trend maximum horizontal stress direction, consistent with the plate boundary forces (80°) and the topographic forces (near E–W). The calculated SHmax directions are near the expected values, but some local deviations were observed. The SHmax rotates from an E–W orientation in the south to a NW–SE orientation to the north of this sector of the Andean retroarc. A regional variation in the stress field can be observed when these results for the Cuyo Basin are analyzed together with those presented in a previous study in the Neuquén Basin to the south. The maximum horizontal stress varies from ∼NW–NE along this combined section of the Andean retroarc, with the ∼E–W SHmax directions in the northern Neuquén Basin consistent with those observed in the southern sector of Cuyo Basin. These variations in the stress field orientation appear related with the topography geometry. From the analysis between the mean SHmax obtained and the acting forces, it can be concluded that the topographic control on the horizontal stress field seems to be dominant in the Cuyo Basin and in the north of Neuquén Basin. To the south of Neuquén Basin the horizontal stress field should be mainly controlled by the plate boundary forces.
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The Neuquén Basin of Argentina and central Chile contains a near-continuous Late Triassic-Early Cenozoic succession deposited on the eastern side of the evolving Andean mountain chain. It is a polyphase basin characterized by three main stages of evolution: initial rift stage; subduction-related thermal sag; and foreland stage. The fill of the basin records the tectonic evolution of the central Andes with dramatic evidence for base-level changes that occurred both within the basin and along its margins. The record of these changes within the mixed siliclastic-carbonate succession makes the basin an excellent field laboratory for sequence stratigraphy and basin evolution. The 4000 m-thick fill of the basin also contains one of the most complete Jurassic-Early Cretaceous marine fossil records, with spectacular finds of both marine and continental vertebrates. The basin is also the most important hydrocarbon-producing province in southern South America, with 280.4 × 10 6 m 3 of oil produced and an estimated 161.9 × 10 6 m 3 remaining. The principal components of the hydrocarbon system (source and reservoir) crop out at the surface close to the fields. The deposits of the basin also serve as excellent analogues to reservoir intervals worldwide.
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The project ISSA 2000 (Integrated Seismological experiment in the Southern Andes) consists of a temporary seismological network and a seismic refraction profile. A network of 62 seismological stations was deployed across the Southern Andes at ∼38°S. Three hundred thirty-three local seismic events were observed in a 3-month period. P and S arrival times of a subset of high quality data were inverted simultaneously for 1-D velocity structure, hypocentral coordinates and station delays. Seismic refraction data along a transect at 39°S provide further constraints on the crustal structure. Low crustal velocities beneath the forearc may be either due to subducted trench sediments or serpentinized mantle material of the continental lithosphere. The continental Moho is not clearly observed in this region. Average velocities of the crust beneath the arc are higher than those beneath the forearc. Crustal thickness is about 40 km. Crustal seismicity concentrates in the forearc region along the Bio-Bio and Gastre fault zones. The area between these two prominent fault zones seems to be nearly devoid of crustal seismicity but shows highest uplift and topography in the forearc region. Benioff seismicity is observed down to 150 km depth resulting in the first accurate image of the Benioff zone in the Southern Andes. A maximum of seismicity at 60 km depth may be caused by dehydration embrittlement.