Ilmastonmuutoksen vaikutusten lieventäminen ja kääntäminen on ihmiskunnan tärkein tieteellinen haaste. Hiilen sitominen kuvaa useita tekniikoita, jotka voivat vähentää hiilidioksidipitoisuutta (CO2) ilmakehässä. Suurin osa näistä järjestelmistä sisältää kaasun varastoinnin maan alle, mutta tämä ei ole riskitöntä, ja tutkijat ovat huolissaan siitä, että maanalainen varastointi voi johtaa lisääntyneeseen seismiseen aktiivisuuteen (ilmiö, joka tunnetaan nimellä "indusoitu seismissyys").
Nyt yhdysvaltalaiset ja sveitsiläiset tutkijat ovat tutkineet mikroseismillisuutta, pieniä seismisiä tapahtumia, jotka aiheutuvat hiilen ruiskutuksesta isäntäkiveen Illinois Basin Decatur Projectissa (IBDP) Yhdysvaltojen keskilänsiosassa. Vuosina 2011–2014 IBDP ruiskutti miljoona tonnia hiilidioksidia2 maanalaiseen säiliöön juuri ryoliittikiteisen altaan yläpuolella. Nikita Bondarenko ja Roman Makhnenko Illinoisin yliopistossa ja Juri Podladchikov Lausannen yliopistossa ovat käyttäneet kenttähavaintojen ja tietokonesimulaatioiden yhdistelmää osoittaakseen, kuinka mikroseismiisuus IBDP:ssä on erittäin riippuvainen isäntäkiven mikromittakaavaisesta rakenteesta.
Mohrin ympyrä
Tutkijoiden lähestymistavan perustana on "Mohrin ympyrä"-niminen käsite, joka kuvaa jännitystensorin kuvaajaa piirrettävää kuvaajaa. Mohrin ympyrät ovat olennainen osa monia geotekniikan hankkeita, ja ne voidaan piirtää kuvaamaan maaperän, mineraalien ja muiden geofysikaalisten materiaalien vastetta rasitukseen useisiin suuntiin. Tutkijoiden tavoitteena oli kehittää syvempää ymmärrystä paikallisesta mikroseismikkyydestä ottaen huomioon vain Richterin asteikolla 2.0 suuruiset tai pienemmät tapahtumat CO-injektion aikana.2 IBDP-kivisäiliöön.
Täydentääkseen Mohrin ympyrälaskelmiaan ryhmä on pohtinut, kuinka CO2 käyttäytyy nesteenä ja täyttää isäntäkiven halkeamat ja huokoset. Heidän tulokset IBDP:n seismisen aktiivisuuden havainnoista osoittavat, että hiilidioksidin ruiskutus2 "kiteiseen kellariin" (sedimenttikerrostuman alapuolella oleva kivikerros) voi pahentaa olemassa olevia halkeamia ja vaurioita ja horjuttaa siten altaan tasapainoa. Lisäksi ruiskutuksen aiheuttamaa halkeilua voi esiintyä jäykässä kerroksessa, joka on suoraan kiteisen kellarin yläpuolella, joka tunnetaan myös nimellä "jäykkä toimivaltainen kerros".
Yrityksessä IBDP, CO2 ruiskutetaan Simon-vuoren hiekkakiven alempaan yksikköön Illinoisin altaan stratigrafiassa (katso kuva). Mt. Simon -kompleksissa esiintyvien intraformaatiotiivisteiden (kivessä läpäisemättömien mineraalisuonien) vuoksi injektoitu hiilidioksidi2 vaikuttaa säiliön alla olevan kiteisen kellarin vioihin, mikä mahdollistaa suotuisasti suuntautuneiden vikarakenteiden uudelleenaktivoinnin.
Poroelastinen vaikutus
Toinen ilmiö, johon on puututtava CO:n aikana2 injektio on poroelastinen vaikutus, joka liittyy huokospaineeseen ja mekaaniseen rasitukseen. Tämä osa tutkimusta keskittyi Argentan hiekkakiveen ja prekambrian ryoliittiin TR McMillen #2 -kaivosta, joka on 25 km lounaaseen IBDP:n injektiopaikasta. Tavoitteena oli mitata kohteen poromekaanisia ominaisuuksia. Argenta-hiekkakiven ja prekambrian ryoliitin ytimet louhittiin molemmat 1900–2000 metrin syvyysalueelta.
Esikambrian ryoliitissa, kiteisessä pohjakivissä, tiedetään olevan murtumia, jotka mahdollistavat nesteen sisäisen kulkeutumisen, mikä heikentää kalliota ja alentaa sen kimmokerrointa. Ehjät tai heterogeeniset näytteet saatiin laboratoriomittakaavassa tehdyillä kokeilla näytteellä, jonka koko oli luokkaa 10-100 mm. Tällä pienellä mittakaavalla saadut mittaukset ajettiin sitten ryhmän "täysin kytketyn hydromekaanisen numeerisen koodin" läpi, joka perustui osittaisten johdannaisten Biot-yhtälöiden joukkoon huokosnesteelle ja käyttäytymiselle CO:n aiheuttaman seismisyyden mallintamiseksi.2 IBDP:ssä.
Numeerinen mallinnus
Hiilen pyyhkiminen
Laboratoriomittausten lisäksi tehtiin numeerista mallinnusta hiekkakiven ja ryoliitin stratigrafiaan suhteuttamiseksi injektiokohdassa tapahtuvaan mikroseismisyyteen. Illinois State Geological Surveyn tekemien seismisten tutkimusten tulokset osoittavat epätasaista sedimentaatiota IBDP:n alapuolella olevissa stratigrafisissa kerroksissa, mikä saattaa johtaa muutokseen kiven jännityksessä. Lisäksi kiven lujuus mitattiin, ja kitkakulman vertaaminen Mohrin ympyrän tangenttiviivaan antoi tutkijoille mahdollisuuden ymmärtää injektion aiheuttaman halkeilun ja kiven rikkoutumisen kynnyksen. Lyhyesti sanottuna he päättelevät, että CO-injektio2 ei todennäköisesti johda merkittävään seismiseen aktiivisuuteen.
Tutkijat kuvaavat tuloksiaan Tieteellinen raportit, ja tärkein ote heidän paperistaan on se, että seisminen on erittäin monimutkainen ilmiö. Paikalliset stratigrafiset piirteet vaikeuttavat ruiskutuksen aiheuttaman seismisyyden analysointia. Tämän seurauksena IBDP-injektiokohtaa ei voida kuvata tehokkaasti yhdellä Mohrin ympyrällä, eikä mikroseismiä voida selittää vain huokospaineen muutoksilla. Hydromekaaninen kytkentä, kaksivaiheinen virtaus, stratigrafiset vaikutukset ja lämpötila on otettava huomioon osana suurempaa kuvaa IBDP:n seismisyysprofiilista. On todellakin tehtävä enemmän työtä, jotta hiilidioksidin sitomisen tarve sovitetaan yhteen teollisuuden jatkuvan vallitsevan kanssa. seismisyys merkitsee turvallisuusriskiä, joka vaikuttaa ihmisten käsitykseen hiilen sitomistoimenpiteistä. Ennen kuin saavutamme paremman käsityksen hiilen ruiskutuksen aiheuttamasta seismisyydestä, vaarojen lieventäminen on paras toimintatapa.
