Influencia de la estructura de poros en el módulo de compresibilidad de los granos de masas rocosas subterráneas bajo condiciones hidro-mecánicas

Las rocas que contienen nuestro futuro bajo tierra

Al buscar lugares seguros para almacenar residuos nucleares, CO₂ e incluso hidrógeno líquido, recurrimos cada vez más a formaciones rocosas profundas bajo nuestros pies. Pero estas rocas no son bloques macizos; están permeadas por pequeños poros cuyas formas y conexiones controlan discretamente cómo la roca se comprime, fisura y, en última instancia, protege lo que depositamos en su interior. Este estudio plantea una pregunta aparentemente simple con grandes consecuencias: ¿qué tan rígidos son los granos minerales dentro de las rocas reales, y cuánto cambia esa respuesta la arquitectura oculta de sus poros?

Por qué importa la rigidez de la roca bajo tierra

Los ingenieros describen la dificultad para comprimir un material con una magnitud llamada módulo de compresibilidad (bulk modulus). Para el almacenamiento geológico profundo, una versión especial, el módulo de compresibilidad de los granos, es crucial: refleja cómo se contrae el armazón mineral cuando cambian la presión del fluido en los poros y la presión de la roca circundante. Este número entra directamente en los modelos informáticos que predicen cómo se deforman las cavernas subterráneas, cómo se abren o cierran las fracturas y cómo se mueven los fluidos en décadas o siglos. Si sobreestimamos esta rigidez, los diseños de repositorios de residuos o sitios de almacenamiento energético pueden parecer más seguros sobre el papel de lo que realmente son en la roca.

Ensayando rocas reales bajo presión igualada

Para medir directamente esta rigidez a escala de grano, los autores emplearon un ensayo especializado “sin chaqueta” en tres rocas muy diferentes: dos areniscas porosas (Berea e Idaho) y un granito coreano denso (Hwangdeung). En este ensayo, se aplica alta presión de fluido a la vez al exterior de un cilindro rocosa y al agua de sus poros, de modo que el esfuerzo efectivo sobre el armazón rocoso es cero y solo se comprimen los granos. Midiendo las diminutas deformaciones axial y circunferencial con extensómetros, el equipo construyó curvas precisas de cambio de volumen frente a presión hasta 50 megapascales. A partir de las pendientes de estas curvas obtuvieron módulos de compresibilidad de los granos de aproximadamente 29 GPa para la arenisca Berea, 33 GPa para la arenisca Idaho y 38 GPa para el granito Hwangdeung.

Comparando minerales con la realidad

Existe un atajo popular para estimar la rigidez de los granos: medir qué minerales están presentes en una roca, consultar la rigidez conocida de cada mineral y promediarlos usando una receta matemática conocida como promediado de Voigt–Reuss–Hill. El equipo realizó análisis detallados por difracción de rayos X para determinar las mezclas minerales en sus muestras: una arenisca Berea rica en cuarzo, una arenisca Idaho rica en albita y feldespatos, y un granito rico en albita, microclina y biotita. Como era de esperar, estos cálculos predecían que el granito sería el más rígido y Berea el menos rígido. Pero los números no coincidieron: para las tres rocas, los valores teóricos eran mayores que los experimentales, en torno al 7% para la arenisca Berea y por encima del 30% para la arenisca Idaho y el granito. Está claro que algo en la estructura real de la roca permitía una mayor compresión de la que sugiere solo la receta mineral.

Poros ocultos y compresión adicional

Para descubrir la pieza faltante, los investigadores recurrieron a la tomografía computarizada por rayos X, creando imágenes tridimensionales de las redes de poros a resolución micrométrica. Luego distinguieron los poros que forman vías continuas (poros conectados) de aquellos que están sellados dentro del armazón mineral (poros aislados). La arenisca Idaho resultó tener muchas más poros en total, pero casi todos ellos estaban conectados; los poros aislados eran escasos. La arenisca Berea, en contraste, tenía muchos menos poros en total pero una fracción mucho mayor que estaban aislados. Estas cavidades selladas actúan como puntos débiles: bajo presión, el esfuerzo se concentra a su alrededor, provocando deformaciones locales adicionales que no captan los modelos basados en minerales. El resultado es un módulo efectivo de los granos más bajo, incluso si la porosidad global es similar o menor.

De la intuición de laboratorio al uso práctico

Conscientes de que los ensayos sin chaqueta son difíciles y costosos de realizar para cada tipo de roca, los autores dieron un paso más. Al comparar directamente sus medidas experimentales con las estimaciones teóricas de Voigt, Reuss y Hill, derivaron relaciones lineales de corrección simples. Estas relaciones ajustan a la baja las predicciones basadas en la mineralogía para que coincidan mejor con el comportamiento real de las rocas, incorporando de forma implícita los efectos de poros aislados y otras características a pequeña escala. Aunque se basan en un conjunto limitado de rocas, el marco muestra cómo convertir datos mineralógicos en valores de rigidez más realistas cuando las pruebas hidro-mecánicas completas no son factibles.

Qué implica esto para el almacenamiento de energía y residuos

Para un público general, el mensaje principal es que la disposición de los poros dentro de las rocas influye fuertemente en cómo se comportarán esas rocas cuando se usen para almacenar materiales peligrosos o valiosos bajo tierra. No todos los poros son iguales: una roca llena de poros bien conectados puede ser en realidad más rígida a escala de grano que una roca con menos poros pero más aislados. Ignorar estas estructuras sutiles conduce a modelos excesivamente optimistas de la estabilidad subterránea. Al combinar ensayos de laboratorio cuidadosos, análisis mineralógicos e imágenes 3D, este estudio ofrece una manera más precisa de estimar cuánto se comprimirán las rocas, ayudando a mejorar la seguridad y fiabilidad de los repositorios profundos para residuos radiactivos, CO₂ y futuros sistemas de almacenamiento de energía subterránea.

Cita: Kim, MJ., Choi, J., Park, ES. et al. Influence of pore structure on grain bulk modulus of underground rock masses under hydro-mechanical conditions. Sci Rep 16, 11489 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40373-1

Palabras clave: estructura de poros, módulo de compresibilidad de los granos, ensayo sin chaqueta, poroelasticidad, almacenamiento geológico profundo