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La nanomecánica revela los secretos de las rocas sedimentarias

Las rocas sedimentarias porosas no solo constituyen una gran parte de la costa europea, sino que además pueden ser importantes reservorios de petróleo. Sin embargo, se dispone de muy poca información sobre su estructura y propiedades a nanoescala, aunque estos están relacionados con su comportamiento a macroescala.
La nanomecánica revela los secretos de las rocas sedimentarias
El proyecto TOMOTECH (Nanomechanics of natural materials from combining tomography and finite element modelling) combinó la tomografía de rayos X y la modelización de elementos finitos (FE) a nanoescala para predecir tanto la estabilidad de los acantilados de creta lacustre como el petróleo disponible en yacimientos en declive.

Los investigadores del proyecto seleccionaron dos materiales porosos naturales para comprobar la validez de este método. Estos eran un material biológico microestructurado —representado por la concha del erizo de mar— y un material geológico nanoestructurado —representado por la creta lacustre—.

En primer lugar, se empleó la tomografía de rayos X para obtener imágenes en dos dimensiones de la estructura interna de muestras de concha de erizo de mar. Seguidamente, rotando la muestra y tomando una gran cantidad de imágenes por cada plano de observación, se logró reconstruir tridimensionalmente la porosidad interna. Finalmente, se incorporó el modelo tridimensional obtenido a un programa informático de modelización de elementos finitos y se calculó la dureza para diferentes partes de la concha del erizo.

La creta lacustre es una roca sedimentaria biogénica formada por los restos de algas fósiles y puede servir como acuífero o como reservorio de hidrocarburos. Debido al pequeño tamaño de los granos de creta, fue necesario el empleo de la tomografía de rayos X de alta energía, ya que esta técnica proporciona la resolución adecuada para estudiar este tipo de muestras.

Se llevaron a cabo simulaciones mecánicas empleando el mismo método que para el erizo de mar y estas pusieron de manifiesto que la creta es mucho menos resistente que la concha del erizo de mar a igualdad de porosidad. Es más, sus propiedades elásticas disminuyen rápidamente conforme aumenta la porosidad.

También se empleó una técnica conocida como dinámica disipativa de partículas (DPD) para simular la difusión de partículas en la red porosa de la creta a nanoescala. Este método se empleó para medir la tortuosidad de muestras de creta, proporcionando información sobre cómo de intrincado era su sistema poroso y permitió determinar de manera precisa su permeabilidad.

La permeabilidad es la capacidad de una roca para favorecer el movimiento de un fluido y este es un factor muy relevante tanto para la extracción y producción de petróleo como para el flujo de agua subterránea. Los resultados de las simulaciones de la DPD revelaron que los poros de creta eran muy estrechos, reduciendo por tanto de manera significativa la migración de los componentes más grandes del petróleo. Es más, las partículas pueden ser bloqueadas en la superficie.

El proyecto TOMOMECH logró combinar la tomografía de rayos X con la modelización de elementos finitos, proporcionando así información relevante sobre las propiedades de los materiales. Los resultados pueden ser aplicados en la protección de costas, la industria petrolera y la fabricación de materiales biomiméticos. También proporcionan conocimientos de gran valor sobre las relaciones entre la estructura y la función en materiales biomineralizados.

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Palabras clave

Rocas sedimentarias, TOMOTECH, nanomecánica, modelización de elementos finitos, tomografía de rayos X, creta lacustre, erizo de mar, acuífero, reservorio de hidrocarburos, dinámica disipativa de partículas
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