Het verzachten en terugdraaien van de effecten van klimaatverandering is de belangrijkste wetenschappelijke uitdaging waar de mensheid voor staat. Koolstofvastlegging beschrijft een reeks technologieën met het potentieel om de concentratie van kooldioxide (CO2) in de atmosfeer. Bij de meeste van deze plannen wordt het gas ondergronds opgeslagen, maar dit is niet zonder risico's, en wetenschappers zijn bezorgd dat ondergrondse opslag zou kunnen leiden tot verhoogde seismische activiteit (een fenomeen dat bekend staat als "geïnduceerde seismiciteit").
Nu hebben onderzoekers in de VS en Zwitserland microseismiciteit bestudeerd, de kleine seismische gebeurtenissen veroorzaakt door koolstofinjectie in gastheergesteente, bij het Illinois Basin Decatur Project (IBDP) in het middenwesten van de VS. In 2011–2014 injecteerde het IBDP een miljoen ton CO2 in een ondergronds reservoir net boven een rhyoliet kristallijn bassin. Nikita Bondarenko en Romeinse Makhnenko aan de Universiteit van Illinois en Yuri Podladchikov aan de Universiteit van Lausanne hebben een combinatie van veldwaarnemingen en computersimulaties gebruikt om te laten zien hoe microseismiciteit bij de IBDP sterk afhankelijk is van de microschaalstructuur van het gastgesteente.
De cirkel van Mohr
De basis van de benadering van de onderzoekers is een concept genaamd "Mohr's cirkel", dat de grafiek beschrijft die kan worden getekend om een spanningstensor weer te geven. Mohr's cirkels zijn een integraal onderdeel van veel geo-engineering-inspanningen en kunnen worden uitgezet om de reactie van bodems, mineralen en andere geofysische materialen op stress in meerdere richtingen te beschrijven. Het doel van de onderzoekers was om een beter begrip te ontwikkelen van de lokale microseismiciteit, rekening houdend met alleen gebeurtenissen van magnitude 2.0 of minder op de schaal van Richter, tijdens de injectie van CO2 in het IBDP-gesteentereservoir.
Als aanvulling op hun cirkelberekeningen van Mohr, heeft de groep overwogen hoe de CO2 gedraagt zich als een vloeistof en vult de scheuren en poriën van het gastgesteente. Hun resultaten van de observatie van de seismische activiteit van de IBDP geven aan dat de injectie van CO2 in de "kristallijne kelder" (de rotslaag onder een sedimentafzetting) kan bestaande scheuren en breuken verergeren, waardoor het bekken wordt gedestabiliseerd. Bovendien kunnen door injectie veroorzaakte scheuren optreden in de stijve laag direct boven de kristallijne kelder, ook wel de "stijve competente laag" genoemd.
Bij IBDP, CO2 wordt geïnjecteerd in de onderste eenheid van Mt. Simon-zandsteen binnen de stratigrafie van het Illinois Basin (zie figuur). Vanwege de aanwezigheid van intraformionale zegels (ondoordringbare minerale aderen in de rots) in het Mt. Simon-complex, de geïnjecteerde CO2 beïnvloedt de breuken in de kristallijne kelder onder het reservoir, waardoor eventuele breukstructuren die gunstig georiënteerd zijn, kunnen worden gereactiveerd.
Poro-elastisch effect
Een ander fenomeen dat moet worden aangepakt tijdens CO2 injectie is het pororo-elastische effect, dat verband houdt met poriedruk en mechanische spanning. Dit deel van het onderzoek concentreerde zich op Argenta-zandsteen en Precambrium rhyoliet uit de TR McMillen #2-put, die 25 km ten zuidwesten van de IBDP-injectieplaats ligt. Het doel was om de poromechanische eigenschappen van de site te meten. Kernen van Argenta-zandsteen en Precambrium rhyoliet werden beide gewonnen binnen een dieptebereik van 1900-2000 m.
Het is bekend dat precambrium rhyoliet, het kristallijne basisgesteente, breuken heeft die interne vloeistofmigratie mogelijk maken, waardoor het gesteente verzwakt en de elasticiteitsmodulus wordt verlaagd. Intacte of heterogene monsters werden verkregen via experimenten op laboratoriumschaal op het monster met een grootte in de orde van grootte van 10-100 mm. De metingen die op deze minuscule schaal werden verkregen, werden vervolgens door de "volledig gekoppelde hydromechanische numerieke code" van het team geleid, gebaseerd op de reeks gedeeltelijk afgeleide Biot-vergelijkingen voor porievloeistof en gedrag, om de seismiciteit veroorzaakt door CO te modelleren2 injectie bij het IBDP.
Numerieke modellering
Koolstof opdweilen
Naast laboratoriummetingen is er ook wat numerieke modellering gedaan om de stratigrafie van de zandsteen en rhyoliet te relateren aan de microseismiciteit die plaatsvindt op de injectieplaats. Resultaten van seismische onderzoeken uitgevoerd door de Illinois State Geological Survey tonen enige ongelijkmatige sedimentatie in de stratigrafische lagen onder IBDP, wat zou kunnen resulteren in een verandering in de spanning in de rots. Bovendien werd de sterkte van het gesteente gemeten en door vergelijking van de wrijvingshoek met de raaklijn aan de cirkel van Mohr konden de onderzoekers de drempel voor door injectie veroorzaakte scheuren en gesteentefalen begrijpen. Kort gezegd concluderen ze dat de injectie van CO2 zal waarschijnlijk niet leiden tot significante seismische activiteit.
De onderzoekers beschrijven hun resultaten in Wetenschappelijke rapporten, en de belangrijkste conclusie uit hun paper is dat seismiciteit een zeer complex fenomeen is. Lokale stratigrafische kenmerken bemoeilijken de analyse van door injectie gegenereerde seismiciteit. Als gevolg hiervan kan de IBDP-injectieplaats niet effectief worden beschreven door een enkele Mohr-cirkel, noch kan een microseismische respons alleen worden verklaard door de veranderingen in poriedruk. Hydromechanische koppeling, tweefasige stroming, stratigrafische effecten en temperatuur moeten worden beschouwd als onderdeel van het grotere plaatje van het seismische profiel van de IBDP. Er moet inderdaad meer worden gedaan om de behoefte aan koolstofvastlegging te verzoenen met de aanhoudende dominantie van de industrie; seismiciteit voorspelt een veiligheidsrisico, dat van invloed is op de perceptie van mensen van maatregelen voor koolstofvastlegging. Totdat we een beter begrip krijgen van geïnduceerde seismiciteit door koolstofinjectie, is risicobeperking de beste manier van handelen.
