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Título: Investigations of the reservoir-triggered seismicity of Nova Ponte and Irapé, Brazil
Outros títulos: Investigações de sismicidade desencadeada pelos reservatórios de Nova Ponte e Irapé, Brasil
Autor(es): Raza, Haris
Orientador(es): França, George Sand Leão Araújo de
Assunto: Brasil
Sismicidade desencadeada por reservatório (SDR)
Usina hidrelétrica Irapé
Usina hidrelétrica Nova Ponte
Permeabilidade
Porosidade
Data de publicação: 9-Out-2026
Referência: RAZA, Haris. Investigations of the reservoir-triggered seismicity of Nova Ponte and Irapé, Brazil. 2023. 123 f., il. Tese (Doutorado em Geologia) — Universidade de Brasília, Brasília, 2023.
Resumo: The rise of large hydropower plants with extensive reservoirs has raised the need for a deeper understanding of reservoir-triggered seismicity, a phenomenon that causes significant challenges for safe reservoir management. Reservoir-triggered seismicity is an increasingly relevant topic of interest throughout the world. The global distribution cases involve a large number of hydroelectric power plants as well as future planned dams and reservoirs, with many documented cases for more than six decades. In this scenario, Brazil has experienced 29 cases of RTS in which the mechanism of magnitude mR 4.0 Nova Ponte and mR 3.0 Irape is not well understood. The M4.0 RTS mechanism at Nova Ponte is still important to understand, the second-largest known case of Reservoir reservoir-triggered earthquake in Brazil. The main event occurred in the year 1998 along predominantly reverse faulting and roughly oriented NE-SW. But it still remains to be understood whether it occurred by state pore pressure or undrained response of excess loading of the reservoir is such low permeable rocks that are needed to trigger RTS. If the pore pressure diffusion could not propagate deep into vertical low permeable rocks it can take hundreds of years to reach the depth of the earthquakes. So, in such above conditions, the two major events of triggered earthquakes occurred in 1995 and 1998 just 1.5 years after the impoundment of the reservoir when the water reached the highest level. Thus, in this study, we made an attempt in this area to explore the causal mechanism by creating the 3D Reservoir model and its effect on the subsurface both in terms of pore pressure and stress changes with the help of numerical modeling. We numerically simulate the poromechanical subsurface response to reservoir impoundment using a 3D model that includes three geological rock layers down to 10 km depth. From the proposed potential nodal planes of the 1995 M3.5 earthquake, we show that the earthquake has most likely occurred on a vertical, E-W- oriented strike-slip fault with a reverse-displacement component. The deviatoric stresses generated by the water column loading on the surface, superimposed by undrained pore pressure enhancement in deep low-permeability layers can explain the fault reactivation. We find that for the 1998 M4.0 earthquake to occur, conductive flow pathways with permeability as high as 6.6·10-15 m2 should exist to transmit pore pressure to a deep critically oriented fault. The analysis owned by us raises the importance of accounting for coupled poromechanical mechanisms controlling fault stability, hydromechanical properties of different rock layers, and realistic shape of the reservoir to accurately assess the potential for reservoir-triggered seismicity. We remarked that our findings can explain the triggered seismicity by the undrained response of excess loading of the reservoir filling due to pore pressure perturbation such as in deep underground low permeable rocks. The second case study Irapé, in Brazil, is a prominent RTS site where seismicity surged after reservoir filling, with a maximum event of magnitude 3.0 in May 2006, 6 months after the start of reservoir impoundment. Despite more than a decade has passed since the seismicity occurred, the factors governing these earthquakes and their connection to subsurface rock properties remain poorly understood. Here, we attempt to understand the potential causes of RTS at Irapé dam, which is the highest dam in Brazil with 208 m, and the second highest in South America. Permeability and porosity measurements of cylindrical cores from hard and intact rock samples, which have been extracted near the RTS zone, by pitting 10 cm from the surface, reveal a lowpermeability rock. Porosity values range from 6.340 to 14.734%. Only 3 out of the 11 tested samples present permeability higher than the lowest measurable value of the apparatus (0.002 mD), with the highest permeability being 0.0098 mD. The undrained response of the low-permeability rock placed below the reservoir results in an instantaneous increase in pore pressure and poroelastic stress changes due to elastic compression, which brings potential faults located below the reservoir closer to failure conditions. According to our analytical calculations, the increase in 136 m of the reservoir-water level caused a 0.54 MPa pore pressure buildup at the depth of the M3.0 earthquake, i.e., 3.88 km, resulting in an increase of 0.82 MPa in the vertical effective stress and a decrease of 0.34 MPa in the horizontal effective stress. These changes resulted in an increase in the deviatoric stress that led to fault destabilization, causing the RTS. The laboratory measurements and analytical calculations corroborate the hypothesis that the initial seismic activity was induced by the undrained subsurface response to the reservoir loading at Irapé.
Abstract: A ascensão de grandes centrais hidroeléctricas com extensos reservatórios levantou a necessidade de uma compreensão mais profunda da sismicidade desencadeada por reservatórios (SDR), um fenómeno que causa desafios significativos para a gestão segura dos reservatórios. A sismicidade desencadeada por reservatórios é um tema de interesse cada vez mais relevante em todo o mundo. Os casos de distribuição global envolvem um grande número de centrais hidroelétricas, bem como futuras barragens e reservatórios planejados, com muitos casos documentados há mais de seis décadas. Nesse cenário, o Brasil registrou 29 casos de SDR, entre os quais, o caso de magnitude mR 4.0 em Nova Ponte e de magnitude mR 3.0 em Irapé é ainda bem discutido. Ainda é importante entender o mecanismo M4.0 SDR em Nova Ponte, o segundo maior caso conhecido de SDR de reservatório no Brasil. O evento principal ocorreu no ano de 1998 ao longo de falhas predominantemente reversas e aproximadamente orientadas NE-SW. Mas ainda não foi possível esclarecer se isso ocorreu por pressão dos poros ou pela resposta não drenada do excesso de carga do reservatório em rochas de baixa permeabilidade que são necessárias para acionar o SDR. Se a difusão da pressão dos poros não puder se propagar profundamente nas rochas verticais de baixa permeabilidade, pode levar centenas de anos para atingir a profundidade dos eventos sísmicos. Assim, nessas condições acima, os dois principais eventos de SDR ocorreram em 1995 e 1998, apenas 1,5 anos após o represamento do reservatório, quando a água atingiu o nível mais alto. Assim, neste estudo, fizemos testes a nesta área para explorar o mecanismo causal criando o modelo 3D do reservatório e seu efeito no subsolo tanto em termos de pressão dos poros quanto de mudanças de tensão com a ajuda da modelagem numérica. Simulamos numericamente a resposta poromecânica do subsolo ao represamento do reservatório usando um modelo 3D que inclui três camadas de rochas geológicas até 10 km de profundidade. A partir dos potenciais planos nodais propostos para o evento de magnitude M3.5 de 1995, mostramos que o terremoto provavelmente ocorreu em uma falha vertical, orientada para E-W, com um componente de deslocamento reverso. As tensões desviantes geradas pelo carregamento da coluna de água na superfície, sobrepostas pelo aumento da pressão dos poros não drenados em camadas profundas de baixa permeabilidade podem explicar a reativação da falha. Descobrimos que para que o evento de magnitude M4.0 de 1998 ocorra, deveriam existir caminhos de fluxo condutivo com permeabilidade tão alta quanto 6,6·10-15 m2 para transmitir a pressão dos poros para uma falha profunda e criticamente orientada. A análise de nossa propriedade aumenta a importância de levar em conta os mecanismos poromecânicos acoplados que controlam a estabilidade da falha, as propriedades hidromecânicas de diferentes camadas rochosas e a forma realista do reservatório para avaliar com precisão o potencial de sismicidade desencadeada pelo reservatório. Observamos que nossas descobertas podem explicar a SDR pela resposta não drenada do excesso de carga do enchimento do reservatório devido à perturbação da pressão dos poros, como em rochas subterrâneas profundas e pouco permeáveis. O segundo estudo de caso Irapé, no Brasil, é um local proeminente de SDR onde a sismicidade aumentou após o enchimento do reservatório, com um evento máximo de magnitude 3,0 mR em maio de 2006, 6 meses após o início do represamento do reservatório. Apesar de ter passado mais de uma década desde a ocorrência da sismicidade, os factores que governam estes terramotos e a sua ligação às propriedades das rochas subterrâneas permanecem pouco compreendidos. Aqui, tentamos entender as possíveis causas do SDR na barragem de Irapé, que é a barragem mais alta do Brasil com 208 m, e a segunda mais alta da América do Sul. Medições de permeabilidade e porosidade de núcleos cilíndricos de amostras de rocha dura e intacta, que foram extraídas perto da zona SDR, por punção a 10 cm da superfície, revelam uma rocha de baixa permeabilidade. Os valores de porosidade variam de 6,340 a 14,734%. Apenas 3 das 11 amostras testadas apresentam permeabilidade superior ao menor valor mensurável do aparelho (0,002 mD), sendo a maior permeabilidade 0,0098 mD. A resposta não drenada da rocha de baixa permeabilidade colocada abaixo do reservatório resulta em um aumento instantâneo na pressão dos poros e em mudanças de tensão poroelástica devido à compressão elástica, o que aproxima falhas potenciais localizadas abaixo do reservatório das condições de falha. De acordo com nossos cálculos analíticos, o aumento de 136 m no nível da água do reservatório causou um aumento de poropressão de 0,54 MPa na profundidade do terremoto M3.0, ou seja, 3,88 km, resultando em um aumento de 0,82 MPa na efetiva vertical tensão e uma diminuição de 0,34 MPa na tensão efetiva horizontal. Essas alterações resultaram em um aumento na tensão desviatória que levou à desestabilização da falha, causando o SDR. As medições laboratoriais e cálculos analíticos corroboram a hipótese de que a atividade sísmica inicial foi induzida pela resposta não drenada do subsolo ao carregamento do reservatório em Irapé.
Unidade Acadêmica: Instituto de Geociências (IG)
Informações adicionais: Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Instituto de Geociências, Programa de Pós-Graduação em Geologia, 2023.
Programa de pós-graduação: Programa de Pós-Graduação em Geologia
Licença: A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.unb.br, www.ibict.br, www.ndltd.org sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra supracitada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.
Agência financiadora: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Aparece nas coleções:Teses, dissertações e produtos pós-doutorado

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