Łagodzenie i odwracanie skutków zmian klimatu to najważniejsze wyzwanie naukowe stojące przed ludzkością. Sekwestracja węgla opisuje szereg technologii, które mogą potencjalnie zmniejszyć stężenie dwutlenku węgla (CO2) w atmosferze. Większość z tych planów obejmuje składowanie gazu pod ziemią, jednak nie jest to pozbawione ryzyka, a naukowcy obawiają się, że podziemne składowanie może prowadzić do zwiększonej aktywności sejsmicznej (zjawisko znane jako „sejsmiczność indukowana”).
Teraz naukowcy ze Stanów Zjednoczonych i Szwajcarii badali mikrosejsmiczność, małe zdarzenia sejsmiczne spowodowane wtryskiem węgla do skały macierzystej, w projekcie Illinois Basin Decatur Project (IBDP) w środkowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych. W latach 2011-2014 IBDP wstrzyknęło milion ton CO2 do podziemnego zbiornika tuż nad basenem krystalicznym ryolitu. Nikita Bondarenko i Roman Machnenko na Uniwersytecie Illinois i Jurij Podladzikow na Uniwersytecie w Lozannie wykorzystali kombinację obserwacji terenowych i symulacji komputerowych, aby pokazać, jak mikrosejsmiczność w IBDP jest wysoce zależna od mikroskalowej struktury skały macierzystej.
Krąg Mohra
Podstawą podejścia naukowców jest koncepcja zwana „kołem Mohra”, która opisuje wykres, który można narysować, aby przedstawić tensor naprężenia. Integralną częścią wielu przedsięwzięć geoinżynieryjnych, kręgi Mohra można wykreślić, aby opisać reakcję gleb, minerałów i innych materiałów geofizycznych na naprężenia w wielu kierunkach. Celem naukowców było głębsze zrozumienie lokalnej mikrosejsmiczności, biorąc pod uwagę tylko zdarzenia o wielkości 2.0 lub mniejszej w skali Richtera, podczas zatłaczania CO2 do zbiornika skalnego IBDP.
Aby uzupełnić swoje obliczenia koła Mohra, grupa rozważyła, w jaki sposób CO2 zachowuje się jak płyn i wypełnia pęknięcia i pory skały macierzystej. Ich wyniki z obserwacji aktywności sejsmicznej IBDP wskazują, że zatłaczanie CO2 do „krystalicznego podłoża” (warstwy skał poniżej złoża osadu) może pogłębić istniejące pęknięcia i uskoki, destabilizując w ten sposób basen. Ponadto pękanie wywołane wtryskiem może wystąpić w sztywnej warstwie bezpośrednio nad podstawą krystaliczną, znaną również jako „sztywna warstwa kompetentna”.
W IBDP, CO2 jest wstrzykiwany do dolnej jednostki piaskowca Mount Simon w stratygrafii Basenu Illinois (patrz rysunek). Ze względu na obecność uszczelnień wewnątrzformacyjnych (nieprzepuszczalnych żył mineralnych w skale) w kompleksie Mount Simon, zatłaczany CO2 wpływa na uskoki w podłożu krystalicznym pod zbiornikiem, umożliwiając reaktywację wszelkich struktur uskokowych, które są korzystnie zorientowane.
Efekt poroelastyczny
Kolejnym zjawiskiem, którym należy się zająć podczas CO2 wtryskiem jest efekt pororoelastyczny, który jest związany z ciśnieniem porowym i naprężeniami mechanicznymi. Ta część badań koncentrowała się na piaskowcu Argenta i ryolicie prekambryjskim z odwiertu TR McMillen nr 2, który znajduje się 25 km na południowy zachód od miejsca wstrzyknięcia IBDP. Celem było zmierzenie właściwości poromechanicznych terenu. Rdzenie piaskowca Argenta i ryolitu prekambryjskiego wydobywano na głębokościach 1900–2000 m.
Wiadomo, że prekambryjski ryolit, krystaliczna skała podstawna, ma pęknięcia, które umożliwiają wewnętrzną migrację płynów, osłabiając w ten sposób skałę i obniżając jej moduł sprężystości. Nienaruszone lub heterogeniczne próbki uzyskano w eksperymentach w skali laboratoryjnej na próbce o wielkości rzędu 10-100 mm. Pomiary uzyskane w tej mikroskopijnej skali zostały następnie przepuszczone przez „w pełni sprzężony hydromechaniczny kod numeryczny” zespołu, oparty na zestawie równań Biota pochodnych cząstkowych dla płynu porowego i zachowania, w celu modelowania sejsmiczności indukowanej przez CO2 zastrzyk w IBDP.
Modelowanie numeryczne
Wycieranie węgla
Oprócz pomiarów laboratoryjnych przeprowadzono pewne modelowanie numeryczne w celu powiązania stratygrafii piaskowca i ryolitu z mikrosejsmicznością występującą w miejscu wstrzyknięcia. Wyniki badań sejsmicznych przeprowadzonych przez Illinois State Geological Survey wskazują na nierównomierną sedymentację warstw stratygraficznych poniżej IBDP, co może skutkować zmianą naprężeń w skale. Ponadto zmierzono wytrzymałość skały, a porównanie kąta tarcia z linią styczną do koła Mohra pozwoliło naukowcom zrozumieć próg pękania wywołanego iniekcją i zniszczenia skały. Krótko mówiąc, dochodzą do wniosku, że wtrysk CO2 jest mało prawdopodobne, aby spowodowała znaczną aktywność sejsmiczną.
Naukowcy opisują swoje wyniki w Doniesienia naukowe, a głównym wnioskiem z ich pracy jest to, że sejsmiczność jest bardzo złożonym zjawiskiem. Lokalne cechy stratygraficzne komplikują analizę sejsmiczności generowanej przez iniekcje. W rezultacie miejsca wstrzyknięcia IBDP nie można skutecznie opisać pojedynczym kołem Mohra, a odpowiedzi mikrosejsmicznej nie można wyjaśnić jedynie zmianami ciśnienia porowego. Sprzężenie hydromechaniczne, przepływ dwufazowy, efekty stratygraficzne i temperatura muszą być traktowane jako część szerszego obrazu profilu sejsmiczności IBDP. Rzeczywiście, należy wykonać więcej pracy, aby pogodzić potrzebę sekwestracji dwutlenku węgla z ciągłą dominacją przemysłu; sejsmiczność stanowi zagrożenie dla bezpieczeństwa, co wpływa na postrzeganie przez ludzi środków sekwestracji dwutlenku węgla. Dopóki nie osiągniemy lepszego zrozumienia sejsmiczności indukowanej w wyniku wtryskiwania węgla, najlepszym sposobem działania jest łagodzenie zagrożeń.
