Die Auswirkungen des Klimawandels abzumildern und umzukehren, ist die wichtigste wissenschaftliche Herausforderung der Menschheit. Kohlenstoffbindung beschreibt eine Reihe von Technologien mit dem Potenzial, die Konzentration von Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre. Die meisten dieser Pläne beinhalten die unterirdische Speicherung des Gases, dies ist jedoch nicht ohne Risiko, und Wissenschaftler befürchten, dass die unterirdische Speicherung zu einer erhöhten seismischen Aktivität führen könnte (ein Phänomen, das als „induzierte Seismizität“ bekannt ist).
Jetzt haben Forscher in den USA und der Schweiz im Illinois Basin Decatur Project (IBDP) im mittleren Westen der USA die Mikroseismizität untersucht, die kleinen seismischen Ereignisse, die durch Kohlenstoffinjektion in das Wirtsgestein verursacht werden. In den Jahren 2011–2014 injizierte das IBDP eine Million Tonnen CO2 in ein unterirdisches Reservoir direkt über einem Rhyolith-Kristallbecken. Nikita Bondarenko und Roman Makhnenko an der Universität von Illinois und Juri Podladchikov an der Universität Lausanne haben eine Kombination aus Feldbeobachtungen und Computersimulationen verwendet, um zu zeigen, wie Mikroseismizität am IBDP stark von der Mikrostruktur des Wirtsgesteins abhängt.
Mohrs Kreis
Die Grundlage des Ansatzes der Forscher ist ein Konzept namens „Mohrscher Kreis“, das den Graphen beschreibt, der gezeichnet werden kann, um einen Spannungstensor darzustellen. Als integraler Bestandteil vieler Geoengineering-Bemühungen können Mohr'sche Kreise gezeichnet werden, um die Reaktion von Böden, Mineralien und anderen geophysikalischen Materialien auf Belastungen in mehreren Richtungen zu beschreiben. Das Ziel der Forscher war es, ein tieferes Verständnis der lokalen Mikroseismizität zu entwickeln, wobei nur Ereignisse der Stärke 2.0 oder weniger auf der Richterskala während der Injektion von CO berücksichtigt wurden2 in das IBDP-Gesteinsreservoir.
Um ihre Mohrschen Kreisberechnungen zu ergänzen, hat die Gruppe betrachtet, wie der CO2 verhält sich wie eine Flüssigkeit und füllt die Risse und Poren des Wirtsgesteins. Ihre Ergebnisse aus der Beobachtung der seismischen Aktivität des IBDP weisen darauf hin, dass die Injektion von CO2 in den „kristallinen Keller“ (die Gesteinsschicht unter einer Sedimentablagerung) können vorhandene Risse und Verwerfungen verstärken und dadurch das Becken destabilisieren. Darüber hinaus kann es zu injektionsinduzierten Rissen in der starren Schicht direkt über dem kristallinen Grundgerüst kommen, die auch als „steife kompetente Schicht“ bezeichnet wird.
Bei IBDP, CO2 wird in die untere Einheit des Mt.-Simon-Sandsteins innerhalb der Stratigraphie des Illinois-Beckens injiziert (siehe Abbildung). Aufgrund des Vorhandenseins von Intraformationssiegeln (undurchlässige Mineraladern im Gestein) im Mt. Simon-Komplex wird das injizierte CO2 wirkt sich auf die Störungen im kristallinen Grundgebirge unterhalb der Lagerstätte aus und ermöglicht die Reaktivierung günstig orientierter Störungsstrukturen.
Poroelastische Wirkung
Ein weiteres Phänomen, das während CO angegangen werden muss2 Injektion ist der pororoelastische Effekt, der mit Porendruck und mechanischer Belastung zusammenhängt. Dieser Teil der Studie konzentrierte sich auf Argenta-Sandstein und präkambrischen Rhyolith aus dem Bohrloch TR McMillen Nr. 2, das 25 km südwestlich der IBDP-Injektionsstelle liegt. Ziel war es, die poromechanischen Eigenschaften des Standorts zu messen. Kerne aus Argenta-Sandstein und präkambrischem Rhyolith wurden beide im Tiefenbereich von 1900–2000 m gewonnen.
Präkambrischer Rhyolith, das kristalline Grundgestein, weist bekanntermaßen Brüche auf, die eine interne Flüssigkeitsmigration ermöglichen, wodurch das Gestein geschwächt und sein Elastizitätsmodul gesenkt wird. Intakte oder heterogene Proben wurden durch Experimente im Labormaßstab an Proben mit einer Größe in der Größenordnung von 10–100 mm erhalten. Die auf dieser winzigen Skala erhaltenen Messungen wurden dann durch den „vollständig gekoppelten hydromechanischen numerischen Code“ des Teams laufen gelassen, der auf dem Satz partiell abgeleiteter Biot-Gleichungen für Porenflüssigkeit und -verhalten basiert, um die durch CO induzierte Seismizität zu modellieren2 Injektion am IBDP.
Numerische Modellierung
Kohle aufwischen
Zusätzlich zu den Labormessungen wurden einige numerische Modelle erstellt, um die Stratigraphie des Sandsteins und des Rhyoliths mit der an der Injektionsstelle stattfindenden Mikroseismizität in Beziehung zu setzen. Die Ergebnisse der vom Illinois State Geological Survey durchgeführten seismischen Untersuchungen zeigen eine ungleichmäßige Sedimentation in den stratigraphischen Schichten unterhalb des IBDP, was zu einer Änderung der Spannung im Gestein führen könnte. Darüber hinaus wurde die Festigkeit des Gesteins gemessen, und der Vergleich des Reibungswinkels mit der Tangente an den Mohrschen Kreis ermöglichte es den Forschern, die Schwelle für injektionsinduzierte Risse und Gesteinsbruch zu verstehen. Kurz gesagt, sie kommen zu dem Schluss, dass die Injektion von CO2 Es ist unwahrscheinlich, dass es zu einer signifikanten seismischen Aktivität kommt.
Ihre Ergebnisse beschreiben die Forscher in Wissenschaftliche Berichte, und die wichtigste Erkenntnis aus ihrem Artikel ist, dass Seismizität ein hochkomplexes Phänomen ist. Lokale stratigraphische Merkmale erschweren die Analyse der durch Injektion erzeugten Seismizität. Infolgedessen kann die IBDP-Injektionsstelle nicht effektiv durch einen einzelnen Mohr'schen Kreis beschrieben werden, noch kann eine mikroseismische Reaktion nur durch die Änderungen des Porendrucks erklärt werden. Hydromechanische Kopplung, Zweiphasenströmung, stratigraphische Effekte und Temperatur müssen als Teil des Gesamtbildes des Seismizitätsprofils des IBDP betrachtet werden. Tatsächlich muss mehr daran gearbeitet werden, die Notwendigkeit der Kohlenstoffbindung mit der anhaltenden Verbreitung der Industrie in Einklang zu bringen; Seismizität stellt ein Sicherheitsrisiko dar, das sich auf die Wahrnehmung von Maßnahmen zur Kohlenstoffbindung durch die Menschen auswirkt. Bis wir zu einem besseren Verständnis der induzierten Seismizität durch Kohlenstoffinjektion gelangen, ist die Gefahrenminderung die beste Vorgehensweise.
