La struttura su microscala della roccia influisce sulla microsismicità nel sito di stoccaggio sotterraneo di anidride carbonica

Mitigare e invertire gli effetti del cambiamento climatico è la sfida scientifica più importante che l'umanità deve affrontare. Il sequestro del carbonio descrive una gamma di tecnologie con il potenziale per ridurre la concentrazione di anidride carbonica (CO₂) nell'atmosfera. La maggior parte di questi schemi prevede lo stoccaggio del gas sottoterra, tuttavia, ciò non è privo di rischi e gli scienziati temono che lo stoccaggio sotterraneo possa portare a un aumento dell'attività sismica (un fenomeno noto come "sismicità indotta").

Ora, ricercatori negli Stati Uniti e in Svizzera hanno studiato la microsismicità, i piccoli eventi sismici causati dall'iniezione di carbonio nella roccia ospite, presso l'Illinois Basin Decatur Project (IBDP) negli Stati Uniti centro-occidentali. Nel 2011-2014, l'IBDP ha iniettato un milione di tonnellate di COXNUMX₂ in un serbatoio sotterraneo appena sopra un bacino cristallino di riolite. Nikita Bondarenko ed Romano Makhnenko presso l'Università dell'Illinois e Yuri Podladchikov presso l'Università di Losanna hanno utilizzato una combinazione di osservazioni sul campo e simulazioni al computer per mostrare come la microsismicità all'IBDP dipenda fortemente dalla struttura su microscala della roccia ospite.

Il cerchio di Mohr

Il fondamento dell'approccio dei ricercatori è un concetto chiamato "cerchio di Mohr", che descrive il grafico che può essere tracciato per rappresentare un tensore dello stress. Parte integrante di molti sforzi di geoingegneria, i cerchi di Mohr possono essere tracciati per descrivere la risposta di suoli, minerali e altri materiali geofisici allo stress in più direzioni. L'obiettivo dei ricercatori era quello di sviluppare una comprensione più profonda della microsismicità locale, considerando solo eventi di magnitudo 2.0 o inferiore sulla scala Richter, durante l'iniezione di CO₂ nel serbatoio di roccia IBDP.

Per completare i calcoli del cerchio di Mohr, il gruppo ha considerato come il CO₂ si comporta come un fluido e riempie le fessure e i pori della roccia ospite. I loro risultati dall'osservazione dell'attività sismica dell'IBDP indicano che l'iniezione di CO₂ nel “seminterrato cristallino” (lo strato roccioso al di sotto di un deposito di sedimenti) può esacerbare crepe e faglie esistenti, destabilizzando così il bacino. Inoltre, la fessurazione indotta dall'iniezione può verificarsi nello strato rigido direttamente sopra il basamento cristallino, noto anche come "strato competente rigido".

All'IBDP, CO₂ viene iniettato nell'unità inferiore dell'arenaria di Mt. Simon all'interno della stratigrafia del bacino dell'Illinois (vedi figura). A causa della presenza di sigilli intraformazionali (vene minerali impermeabili nella roccia) nel complesso del Monte Simon, la CO iniettata₂ interessa le faglie del basamento cristallino al di sotto del giacimento, rendendo possibile la riattivazione di eventuali strutture di faglia favorevolmente orientate.

Effetto poroelastico

Un altro fenomeno che deve essere affrontato durante il CO₂ l'iniezione è l'effetto pororoelastico, che è correlato alla pressione interstiziale e allo stress meccanico. Questa parte dello studio si è concentrata sull'arenaria di Argenta e sulla riolite precambriana del pozzo TR McMillen n. 2, che si trova a 25 km a sud-ovest del sito di iniezione dell'IBDP. L'obiettivo era misurare le proprietà poromeccaniche del sito. I nuclei di arenaria di Argenta e riolite precambriana sono stati entrambi estratti entro l'intervallo di profondità di 1900-2000 m.

È noto che la riolite precambriana, la roccia basamentale cristallina, presenta fratture che consentono la migrazione interna dei fluidi, indebolendo così la roccia e abbassandone il modulo elastico. Campioni intatti o eterogenei sono stati ottenuti tramite esperimenti su scala di laboratorio su campioni di dimensioni dell'ordine di 10-100 mm. Le misurazioni ottenute su questa minuscola scala sono state quindi eseguite attraverso il "codice numerico idromeccanico completamente accoppiato" del team, basato sull'insieme di equazioni di Biot alle derivate parziali per il fluido dei pori e il comportamento, per modellare la sismicità indotta dalla CO₂ iniezione all'IBDP.

Modellazione numerica

Oltre alle misurazioni di laboratorio, è stata effettuata una modellazione numerica per mettere in relazione la stratigrafia dell'arenaria e della riolite con la microsismicità in atto nel sito di iniezione. I risultati delle indagini sismiche condotte dall'Illinois State Geological Survey mostrano una sedimentazione irregolare negli strati stratigrafici al di sotto dell'IBDP, che potrebbe provocare un cambiamento nello stress all'interno della roccia. Inoltre, è stata misurata la forza della roccia e il confronto dell'angolo di attrito con la linea tangente al cerchio di Mohr ha permesso ai ricercatori di comprendere la soglia per la fessurazione indotta dall'iniezione e il cedimento della roccia. In breve, concludono che l'iniezione di CO₂ è improbabile che provochi un'attività sismica significativa.

I ricercatori descrivono i loro risultati in Rapporti scientifici, e il punto principale del loro articolo è che la sismicità è un fenomeno molto complesso. Le caratteristiche stratigrafiche locali complicano l'analisi della sismicità generata dall'iniezione. Di conseguenza, il sito di iniezione IBDP non può essere efficacemente descritto da un singolo cerchio di Mohr, né una risposta microsismica può essere spiegata solo dai cambiamenti nella pressione interstiziale. L'accoppiamento idromeccanico, il flusso bifase, gli effetti stratigrafici e la temperatura devono essere considerati come parte del quadro più ampio del profilo di sismicità dell'IBDP. In effetti, occorre lavorare di più per conciliare la necessità di sequestro del carbonio con la continua prevalenza dell'industria; la sismicità fa presagire un pericolo per la sicurezza, che influisce sulla percezione delle persone delle misure di sequestro del carbonio. Fino a quando non raggiungeremo una migliore comprensione della sismicità indotta dall'iniezione di carbonio, la mitigazione del rischio è la migliore linea d'azione.