הפחתה והפיכה של השפעות שינויי האקלים הוא האתגר המדעי החשוב ביותר העומד בפני האנושות. קיבוע פחמן מתאר מגוון טכנולוגיות בעלות פוטנציאל להפחית את ריכוז הפחמן הדו חמצני (CO2) באווירה. רוב התוכניות הללו כרוכות באחסון הגז מתחת לאדמה, עם זאת, זה לא ללא סיכון, ומדענים מודאגים שאחסון תת קרקעי עלול להוביל לפעילות סיסמית מוגברת (תופעה המכונה "סיסמיטי מושרה").
כעת, חוקרים בארה"ב ובשווייץ חקרו את המיקרו-סייסמיות, האירועים הסיסמיים הקטנים הנגרמים מהזרקת פחמן לסלע מארח, בפרויקט אילינוי אגן Decatur (IBDP) במערב התיכון של ארה"ב. בשנים 2011–2014, ה-IBDP הזריק מיליון טון של CO2 לתוך מאגר תת קרקעי ממש מעל אגן גבישי ריוליט. ניקיטה בונדרנקו ו רומן מכננקו באוניברסיטת אילינוי ו יורי פודלצ'יקוב באוניברסיטת לוזאן השתמשו בשילוב של תצפיות שדה והדמיות ממוחשבות כדי להראות כיצד מיקרו-סייסמיות ב-IBDP תלויה מאוד במבנה בקנה מידה מיקרו של הסלע המארח.
המעגל של מוהר
הבסיס לגישת החוקרים הוא מושג שנקרא "מעגל מוהר", המתאר את הגרף שניתן לצייר כדי לתאר טנזור מתח. חלק בלתי נפרד ממאמצי גיאו-הנדסה רבים, ניתן לשרטט את המעגלים של מוהר כדי לתאר את התגובה של קרקעות, מינרלים וחומרים גיאופיזיים אחרים ללחץ בכמה כיוונים. מטרת החוקרים הייתה לפתח הבנה עמוקה יותר של המיקרו-סייסמיות המקומית, תוך התחשבות רק באירועים בסדר גודל של 2.0 או פחות בסולם ריכטר, במהלך הזרקת CO2 לתוך מאגר הסלע IBDP.
כדי להשלים את חישובי המעגל של Mohr, הקבוצה שקלה כיצד ה-CO2 מתנהג כנוזל וממלא את הסדקים והנקבוביות של הסלע המארח. התוצאות שלהם מהתצפית בפעילות הסייסמית של ה-IBDP מצביעות על כך שהזרקת CO2 לתוך "המרתף הגבישי" (שכבת הסלע שמתחת למשקעים) עלולים להחמיר סדקים ושברים קיימים, ובכך לערער את יציבות האגן. בנוסף, פיצוח המושרה בהזרקה יכול להתרחש בשכבה הנוקשה ישירות מעל המרתף הגבישי, הידועה גם בשם "השכבה המוכשרת הנוקשה".
ב-IBDP, CO2 מוזרק ליחידה התחתונה של אבן החול של הר סימון בתוך הסטרטיגרפיה של אגן אילינוי (ראה איור). בשל נוכחותם של חותמות תוך-פורמליות (ורידים מינרלים אטומים בסלע) במתחם הר סימון, ה-CO המוזרק2 משפיע על התקלות במרתף הגבישי שמתחת למאגר, מה שמאפשר הפעלה מחדש של כל מבני תקלה בעלי אוריינטציה חיובית.
אפקט פורואלסטי
תופעה נוספת שיש לטפל בה במהלך CO2 הזרקה היא אפקט פורו-אלסטי, הקשור ללחץ נקבוביות וללחץ מכני. חלק זה של המחקר התמקד באבן חול ארגנטה ובריוליט פרקמברי מבאר TR McMillen #2, שנמצאת 25 ק"מ דרומית מערבית לאתר ההזרקה של IBDP. המטרה הייתה למדוד את התכונות הפורומכניות של האתר. ליבות של אבן חול ארגנטה וריוליט פרה-קמברי חולצו שניהם בטווח עומק של 1900-2000 מ'.
ריוליט פרה-קמברי, סלע המרתף הגבישי, ידוע כבעל שברים המאפשרים נדידת נוזלים פנימית, ובכך מחלישים את הסלע ומורידים את מודול האלסטי שלו. דגימות שלמות, או הטרוגניות, הושגו באמצעות ניסויים בקנה מידה מעבדה על הדגימה בגודל בסדר גודל של 10-100 מ"מ. המדידות שהתקבלו בקנה מידה זעיר זה בוצעו לאחר מכן דרך "הקוד המספרי ההידרופכני המקושר במלואו" של הצוות, בהתבסס על קבוצת משוואות Biot נגזרות חלקיות לנוזל והתנהגות נקבוביות, כדי לדגמן את הסייסמיות המושרה על ידי CO2 הזרקה ב-IBDP.
דוגמנות מספרית
ניקוי פחמן
בנוסף למדידות מעבדה, בוצע מידול מספרי כלשהו כדי לקשר בין הסטרטיגרפיה של אבן החול והריוליט למיקרו-סייסמיות המתרחשת באתר ההזרקה. תוצאות של סקרים סיסמיים שבוצעו על ידי הסקר הגיאולוגי של מדינת אילינוי מראות משקעים לא אחידים בשכבות הסטרטיגרפיות מתחת ל-IBDP, מה שעלול לגרום לשינוי במתח בתוך הסלע. בנוסף, חוזק הסלע נמדד, והשוואת זווית החיכוך לקו המשיק למעגל של מוהר אפשרה לחוקרים להבין את הסף לסדקים הנגרמים מהזרקה ולכשל בסלע. בקיצור, הם מסיקים שהזרקת CO2 לא סביר שיביא לפעילות סיסמית משמעותית.
החוקרים מתארים את תוצאותיהם ב דוחות מדעיים, והדבר העיקרי שנלקח מהמאמר שלהם הוא שסייסמיות היא תופעה מורכבת ביותר. מאפיינים סטרטיגרפיים מקומיים מסבכים את הניתוח של סיסמיות שנוצרת בהזרקה. כתוצאה מכך, אתר ההזרקה של IBDP לא יכול להיות מתואר ביעילות על ידי מעגל מוהר בודד, וגם לא ניתן להסביר תגובה מיקרוסייסמית רק על ידי השינויים בלחץ הנקבוביות. צימוד הידרו-מכני, זרימה דו-פאזית, אפקטים סטרטיגרפיים וטמפרטורה חייבים להיחשב כחלק מהתמונה הגדולה יותר של פרופיל הסייסמיות של ה-IBDP. אכן, יש לעשות יותר עבודה כדי ליישב את הצורך בקביעת פחמן עם המשך השכיחות של התעשייה; סיסמיות מהווה סכנה בטיחותית, המשפיעה על התפיסה של אנשים לגבי אמצעי ריבוי פחמן. עד שנגיע להבנה טובה יותר של סיסמיות הנגרמת כתוצאה מהזרקת פחמן, הפחתת סיכונים היא דרך הפעולה הטובה ביותר.
