Ο μετριασμός και η αναστροφή των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής είναι η σημαντικότερη επιστημονική πρόκληση που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα. Η δέσμευση άνθρακα περιγράφει μια σειρά τεχνολογιών με δυνατότητα μείωσης της συγκέντρωσης διοξειδίου του άνθρακα (CO2) στην ατμόσφαιρα. Τα περισσότερα από αυτά τα προγράμματα περιλαμβάνουν την αποθήκευση του αερίου υπόγεια, ωστόσο, αυτό δεν είναι χωρίς κίνδυνο και οι επιστήμονες ανησυχούν ότι η υπόγεια αποθήκευση θα μπορούσε να οδηγήσει σε αυξημένη σεισμική δραστηριότητα (φαινόμενο γνωστό ως «επαγόμενη σεισμικότητα»).
Τώρα, ερευνητές στις ΗΠΑ και την Ελβετία μελέτησαν τη μικροσεισμικότητα, τα μικρά σεισμικά συμβάντα που προκαλούνται από την έγχυση άνθρακα στο βράχο ξενιστή, στο Illinois Basin Decatur Project (IBDP) στις μεσοδυτικές ΗΠΑ. Την περίοδο 2011–2014, η IBDP διοχέτευσε ένα εκατομμύριο τόνους CO2 σε μια υπόγεια δεξαμενή ακριβώς πάνω από μια κρυσταλλική λεκάνη ρυόλιθου. Νικήτα Μπονταρένκο και Ρομάν Μαχνένκο στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις και Γιούρι Ποντλαντσίκοφ στο Πανεπιστήμιο της Λωζάνης έχουν χρησιμοποιήσει έναν συνδυασμό παρατηρήσεων πεδίου και προσομοιώσεων υπολογιστή για να δείξουν πώς η μικροσεισμικότητα στο IBDP εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη δομή μικροκλίμακα του πετρώματος ξενιστή.
Ο κύκλος του Mohr
Το θεμέλιο της προσέγγισης των ερευνητών είναι μια έννοια που ονομάζεται «κύκλος του Mohr», η οποία περιγράφει το γράφημα που μπορεί να σχεδιαστεί για να απεικονίσει έναν τανυστή τάσης. Αναπόσπαστο σε πολλές προσπάθειες γεωμηχανικής, οι κύκλοι του Mohr μπορούν να σχεδιαστούν για να περιγράψουν την απόκριση των εδαφών, των ορυκτών και άλλων γεωφυσικών υλικών σε τάσεις σε πολλαπλές κατευθύνσεις. Ο στόχος των ερευνητών ήταν να αναπτύξουν μια βαθύτερη κατανόηση της τοπικής μικροσεισμικότητας, λαμβάνοντας υπόψη μόνο γεγονότα μεγέθους 2.0 ή μικρότερης κλίμακας Ρίχτερ, κατά τη διάρκεια της έγχυσης CO.2 στη δεξαμενή βράχου IBDP.
Για να συμπληρώσει τους υπολογισμούς του κύκλου του Mohr, η ομάδα εξέτασε πώς η CO2 συμπεριφέρεται ως υγρό και γεμίζει τις ρωγμές και τους πόρους του πετρώματος υποδοχής. Τα αποτελέσματά τους από την παρατήρηση της σεισμικής δραστηριότητας του IBDP δείχνουν ότι η έγχυση CO2 στο «κρυσταλλικό υπόγειο» (το στρώμα βράχου κάτω από μια απόθεση ιζήματος) μπορεί να επιδεινώσει τις υπάρχουσες ρωγμές και ρήγματα, αποσταθεροποιώντας έτσι τη λεκάνη. Επιπλέον, η ρωγμή που προκαλείται από την έγχυση μπορεί να συμβεί στο άκαμπτο στρώμα ακριβώς πάνω από το κρυσταλλικό υπόγειο, γνωστό και ως «δύσκαμπτο ικανό στρώμα».
Στην IBDP, η CO2 εγχέεται στην κάτω μονάδα του ψαμμίτη Mt. Simon μέσα στη στρωματογραφία της λεκάνης του Ιλινόις (βλ. σχήμα). Λόγω της παρουσίας ενδοδιαμορφωτικών σφραγίδων (αδιαπέραστες ορυκτές φλέβες στο βράχο) στο σύμπλεγμα Mt. Simon, το εγχυόμενο CO2 επηρεάζει τα ρήγματα στο κρυσταλλικό υπόγειο κάτω από τη δεξαμενή, καθιστώντας δυνατή την επανενεργοποίηση τυχόν δομών ρήγματος που έχουν ευνοϊκό προσανατολισμό.
Πορελαστικό αποτέλεσμα
Ένα άλλο φαινόμενο που πρέπει να αντιμετωπιστεί κατά τη διάρκεια της CO2 Η έγχυση είναι η πορροελαστική επίδραση, η οποία σχετίζεται με την πίεση των πόρων και τη μηχανική καταπόνηση. Αυτό το μέρος της μελέτης επικεντρώθηκε στον ψαμμίτη Argenta και στον προκάμπριο ρυόλιθο από το πηγάδι TR McMillen #2, το οποίο βρίσκεται 25 χλμ νοτιοδυτικά της θέσης έγχυσης IBDP. Ο στόχος ήταν να μετρηθούν οι πορομηχανικές ιδιότητες της τοποθεσίας. Οι πυρήνες του ψαμμίτη Argenta και του προκάμπριου ρυόλιθου εξήχθησαν και οι δύο στην περιοχή βάθους 1900-2000 m.
Ο προκάμπριος ρυόλιθος, ο κρυσταλλικός υπόγειος βράχος, είναι γνωστό ότι έχει ρωγμές που επιτρέπουν την εσωτερική μετανάστευση του υγρού, αποδυναμώνοντας έτσι το πέτρωμα και μειώνοντας το μέτρο ελαστικότητας του. Άθικτα ή ετερογενή δείγματα ελήφθησαν μέσω πειραμάτων εργαστηριακής κλίμακας στο δείγμα με μέγεθος της τάξης των 10-100 mm. Οι μετρήσεις που λήφθηκαν σε αυτή τη μικροσκοπική κλίμακα διεξήχθησαν στη συνέχεια μέσω του «πλήρως συζευγμένου υδρομηχανικού αριθμητικού κώδικα» της ομάδας, με βάση το σύνολο των εξισώσεων μερικής παραγώγου Biot για το ρευστό πόρων και τη συμπεριφορά, για να μοντελοποιηθεί η σεισμικότητα που προκαλείται από το CO.2 ένεση στο IBDP.
Αριθμητική μοντελοποίηση
Σκουπίζοντας άνθρακα
Εκτός από τις εργαστηριακές μετρήσεις, έγινε κάποια αριθμητική μοντελοποίηση για να συσχετιστεί η στρωματογραφία του ψαμμίτη και του ρυόλιθου με τη μικροσεισμικότητα που λαμβάνει χώρα στο σημείο της έγχυσης. Τα αποτελέσματα των σεισμικών ερευνών που πραγματοποιήθηκαν από την Πολιτειακή Γεωλογική Ινστιτούτο του Ιλινόις δείχνουν κάποια ανομοιόμορφη καθίζηση στα στρωματογραφικά στρώματα κάτω από το IBDP, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγή της τάσης μέσα στο βράχο. Επιπλέον, μετρήθηκε η αντοχή του βράχου και η σύγκριση της γωνίας τριβής με την εφαπτομένη στον κύκλο του Mohr επέτρεψε στους ερευνητές να κατανοήσουν το όριο για ρωγμές που προκαλούνται από έγχυση και αστοχία βράχου. Εν ολίγοις, καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι η έγχυση CO2 είναι απίθανο να οδηγήσει σε σημαντική σεισμική δραστηριότητα.
Οι ερευνητές περιγράφουν τα αποτελέσματά τους στο Επιστημονικές Εκθέσεις, και το κύριο στοιχείο από την εργασία τους είναι ότι η σεισμικότητα είναι ένα εξαιρετικά περίπλοκο φαινόμενο. Τα τοπικά στρωματογραφικά χαρακτηριστικά περιπλέκουν την ανάλυση της σεισμικότητας που δημιουργείται από έγχυση. Ως αποτέλεσμα, η θέση έγχυσης IBDP δεν μπορεί να περιγραφεί αποτελεσματικά από έναν μόνο κύκλο Mohr, ούτε μια μικροσεισμική απόκριση μπορεί να εξηγηθεί μόνο από τις αλλαγές στην πίεση των πόρων. Η υδρομηχανική σύζευξη, η ροή δύο φάσεων, τα στρωματογραφικά φαινόμενα και η θερμοκρασία πρέπει να θεωρηθούν ως μέρος της ευρύτερης εικόνας του προφίλ σεισμικότητας του IBDP. Πράγματι, πρέπει να γίνει περισσότερη δουλειά για να συμβιβαστεί η ανάγκη για δέσμευση άνθρακα με τη συνεχιζόμενη επικράτηση της βιομηχανίας. Η σεισμικότητα ενέχει έναν κίνδυνο για την ασφάλεια, ο οποίος επηρεάζει την αντίληψη των ανθρώπων για τα μέτρα δέσμευσης άνθρακα. Μέχρι να καταλάβουμε καλύτερα την επαγόμενη σεισμικότητα από την έγχυση άνθρακα, ο μετριασμός του κινδύνου είναι ο καλύτερος τρόπος δράσης.
