Numerical simulation of wave propagation due to carbon dioxide storage in anisotropic porous media: Investigating the potential of micro-seismicity during geological carbon sequestration (GCS) [Simulazione numerica della propagazione delle onde dovuta allo stoccaggio di anidride carbonica in mezzi porosi anisotropi: Analisi del potenziale di micro-sismicità durante la cattura e lo stoccaggio geologico del carbonio (GCS)]

Geological carbon sequestration (GCS) is central to global decarbonisation strategies, yet its long-term safety is challenged by the potential for injection-induced seismicity. While prior research has addressed pore-pressure build-up and micro-seismic events in porous reservoirs, the crucial stage of how seismic waves propagate through anisotropic, layered depleted reservoirs to produce ground shaking effects, remains unexplored. This gap undermines risk assessments, as ground-motion metrics such as peak ground velocity (PGV) and intensity are directly relevant to GCS design. Addressing this shortcoming, the dissertation develops and applies an integrated two-stage numerical framework that couples hydromechanical processes with full three-dimensional poroelastic wave propagation, thereby linking CO₂ injection dynamics to seismic source generation and surface ground-shaking intensity. The framework was designed in two stages. Stage one applies a hydromechanical (u-p) formulation using finite-volume multiphase flow (MATLAB Reservoir Simulation Toolbox) coupled with finite-element geomechanics (GeoMatFEM) to quantify pore-pressure evolution, and fault slip, leading to the estimation of seismic source parameters such as: seismic moment (Mo), moment magnitude (Mw), energy magnitude (Me), and radiated energy (Er). Stage two transfers these source parameters into a displacement-velocity-pressure (u-v-p) poroelastic model, implemented in GeoMatFEM. This dynamic deformation-diffusion problem is formulated using mixture theory and Biot’s principle, and solved with a finite element method that simulates P-wave, S-wave, and Rayleigh wave propagation in three cases: i.e. an isotropic medium, layered-anisotropic reservoirs, and medium where transverse vertical isotropy is imposed in the layers. The formulation employs a fully implicit monolithic solver for coupled multi-field (displacement-velocity-pressure) problem, based on Newton scheme, and combined with Bi-Conjugate Gradient Stabilized iterations, accelerated by a Multi-Physics Reduction (MPR) preconditioner. This two-stage approach allows a rigorous evaluation of both source characteristics and their propagation effects, enabling the estimation of PGV and Modified Mercalli Intensity (MMI) to quantify ground shaking potential. Numerical results demonstrate that CO₂ injection generates significant pore-pressure build-up in all case studies, with the layered anisotropy and TVI models, amplifying pressure due to the confining effect of low-permeability layers. This amplified pressure translated into larger fault displacements compared with isotropic cases, increasing the likelihood of fault reactivation. Both media produced micro-seismic events of magnitude < 3, but VTI model reservoirs released greater seismic energy. Wave propagation analysis revealed that anisotropy induces directional wave amplification, shear-wave splitting, and altered arrival times, producing higher displacement and velocity peaks at the surface. Despite these effects, both cases corresponded to weak shaking intensities (PGV = 0.243 in isotropic medium, PGV= 0.362 cm/s in the layered anisotropic medium and PGV = 0.398 cm/s in the TVI model; MMI II–III), with no anticipated surface damage. These findings confirm that anisotropy not only governs fault slip but also strongly influences seismic energy transmission, underscoring its importance in GCS design and reservoir characterization. This research makes three principal contributions. First, it establishes a novel workflow that couples u-p hydromechanical modelling with a multifield poroelastic wave propagation in anisotropic reservoirs, filling a key methodological gap in GCS risk assessment. Second, it advances seismic source characterisation by integrating energy-based measures (Me, Er) alongside conventional magnitudes, thereby providing a richer understanding of event size and radiated energy. Third, it demonstrates how layered anisotropy affects both the onset and amplitude of ground shaking, yielding critical insights for site selection, monitoring, and regulatory frameworks. This dissertation develops a transferable numerical framework that enhances the ability to predict, quantify, and mitigate injection-induced seismic hazards. By linking injection processes to ground-motion observables, this study strengthens the evidence base for safe, efficient deployment of geological carbon sequestration. The work thus contributes not only to advancing academic knowledge but also to supporting policy and engineering practice in achieving net-zero carbon goals.

La cattura e lo stoccaggio geologico del carbonio (GCS) rappresenta un pilastro delle strategie globali di decarbonizzazione; tuttavia, la sua sicurezza a lungo termine è messa in discussione dal potenziale verificarsi di sismicità indotta dall’iniezione. Sebbene la ricerca precedente abbia affrontato l’aumento della pressione di poro e gli eventi microsismici nei serbatoi porosi, la fase cruciale relativa a come le onde sismiche si propaghino attraverso serbatoi esauriti anisotropi e stratificati, generando effetti di scuotimento al suolo, rimane inesplorata. Questa lacuna indebolisce le valutazioni di rischio, poiché metriche del moto del suolo come la velocità di picco (PGV) e l’intensità sono direttamente rilevanti per la progettazione dei sistemi GCS. Per colmare questa mancanza, la presente dissertazione sviluppa e applica un quadro numerico integrato in due fasi che accoppia processi idromeccanici con la propagazione d’onda poroelastica tridimensionale completa, mettendo così in relazione la dinamica dell’iniezione di CO₂ con la generazione della sorgente sismica e l’intensità dello scuotimento superficiale. Il quadro metodologico è stato progettato in due stadi. La prima fase impiega una formulazione idromeccanica (u–p) basata su un modello a volumi finiti per il flusso multifase (MATLAB Reservoir Simulation Toolbox) accoppiato con la geomeccanica agli elementi finiti (GeoMatFEM) per quantificare l’evoluzione della pressione di poro e lo slip della faglia, conducendo alla stima dei parametri di sorgente sismica quali: momento sismico (Mo), magnitudo momento (Mw), magnitudo energetica (Me) ed energia irradiata (Er). La seconda fase trasferisce questi parametri di sorgente in un modello poroelastico spostamento-velocità-pressione (u–v–p), implementato in GeoMatFEM. Questo problema dinamico di deformazione–diffusione è formulato secondo la teoria delle miscele e il principio di Biot, ed è risolto con un metodo agli elementi finiti che simula la propagazione di onde P, onde S e onde di Rayleigh in tre casi: un mezzo isotropo, serbatoi stratificati anisotropi e un mezzo in cui si impone anisotropia verticale trasversale (VTI) negli strati. La formulazione utilizza un solutore monolitico completamente implicito per problemi multifisici accoppiati (spostamento–velocità–pressione), basato su uno schema di Newton e combinato con iterazioni Bi-Conjugate Gradient Stabilized, accelerate tramite un precondizionatore Multi-Physics Reduction (MPR). Questo approccio a due stadi consente una valutazione rigorosa sia delle caratteristiche della sorgente sia dei loro effetti di propagazione, permettendo una stima di PGV e dell’Intensità Mercalli Modificata (MMI) per quantificare il potenziale scuotimento del suolo. I risultati numerici mostrano che l’iniezione di CO₂ genera un significativo accumulo di pressione di poro in tutti i casi esaminati, con i modelli anisotropi stratificati e VTI che amplificano la pressione a causa dell’effetto confinante degli strati a bassa permeabilità. Questa pressione amplificata si traduce in maggiori spostamenti di faglia rispetto ai casi isotropi, aumentando la probabilità di riattivazione. Entrambi i modelli producono eventi microsismici di magnitudo < 3, ma i serbatoi con anisotropia VTI rilasciano una maggiore energia sismica. L’analisi della propagazione delle onde rivela che l’anisotropia induce amplificazione direzionale, splitting delle onde di taglio e variazioni nei tempi di arrivo, generando picchi di spostamento e velocità più elevati in superficie. Nonostante tali effetti, in entrambi i casi le intensità risultano deboli (PGV = 0,243 cm/s nel mezzo isotropo; PGV = 0,362 cm/s nel mezzo anisotropo stratificato; PGV = 0,398 cm/s nel modello VTI; MMI II–III), senza prevedibili danni in superficie. Questi risultati confermano che l’anisotropia non solo controlla lo slip della faglia, ma influenza fortemente la trasmissione dell’energia sismica, sottolineandone l’importanza nella progettazione e caratterizzazione dei serbatoi per GCS. Questa ricerca offre tre contributi principali. In primo luogo, stabilisce un flusso di lavoro innovativo che accoppia la modellazione idromeccanica u–p con la propagazione d’onda poroelastica multifisica in serbatoi anisotropi, colmando un’importante lacuna metodologica nelle valutazioni di rischio GCS. In secondo luogo, avanza la caratterizzazione della sorgente sismica integrando misure basate sull’energia (Me, Er) accanto alle magnitudo convenzionali, fornendo così una comprensione più completa delle dimensioni dell’evento e dell’energia irradiata. In terzo luogo, dimostra come l’anisotropia stratificata influenzi sia l’innesco sia l’ampiezza dello scuotimento del suolo, offrendo indicazioni fondamentali per la selezione dei siti, il monitoraggio e i quadri regolatori. Questa dissertazione sviluppa un quadro numerico trasferibile che migliora la capacità di prevedere, quantificare e mitigare i rischi sismici indotti dall’iniezione. Collegando i processi di iniezione agli osservabili del moto del suolo, lo studio rafforza la base di evidenze per una diffusione sicura ed efficiente della cattura e dello stoccaggio geologico del carbonio. Il lavoro contribuisce dunque non solo all’avanzamento delle conoscenze accademiche, ma anche al supporto alle politiche e alla pratica ingegneristica nel raggiungimento degli obiettivi di neutralità carbonica.