Att mildra och vända effekterna av klimatförändringarna är den viktigaste vetenskapliga utmaningen som mänskligheten står inför. Kolbindning beskriver en rad tekniker med potential att minska koncentrationen av koldioxid (CO)2) i atmosfären. De flesta av dessa system involverar lagring av gasen under jord, men detta är inte utan risk, och forskare är oroade över att underjordisk lagring kan leda till ökad seismisk aktivitet (ett fenomen som kallas "inducerad seismicitet").
Nu har forskare i USA och Schweiz studerat mikroseismicitet, de små seismiska händelserna som orsakas av kolinjektion i värdberget, vid Illinois Basin Decatur Project (IBDP) i mellanvästra USA. Under 2011–2014 injicerade IBDP en miljon ton CO2 in i en underjordisk reservoar strax ovanför en rhyolitkristallin bassäng. Nikita Bondarenko och Roman Makhnenko vid University of Illinois och Yury Podladchikov vid universitetet i Lausanne har använt en kombination av fältobservationer och datorsimuleringar för att visa hur mikroseismiciteten vid IBDP är starkt beroende av värdbergets struktur i mikroskala.
Mohrs cirkel
Grunden i forskarnas tillvägagångssätt är ett begrepp som kallas "Mohrs cirkel", som beskriver den graf som kan ritas för att avbilda en spänningstensor. Mohrs cirklar är en integrerad del av många geoengineering-strävanden och kan ritas för att beskriva hur jordar, mineraler och andra geofysiska material reagerar på stress i flera riktningar. Målet för forskarna var att utveckla en djupare förståelse av den lokala mikroseismiciteten, med hänsyn till händelser av magnituden 2.0 eller mindre på Richterskalan, under injektionen av CO2 in i IBDP-bergreservoaren.
För att komplettera sina Mohrs cirkelberäkningar har gruppen övervägt hur CO2 beter sig som en vätska och fyller sprickorna och porerna i värdberget. Deras resultat från observationen av IBDP:s seismiska aktivitet indikerar att insprutningen av CO2 in i den "kristallina källaren" (bergskiktet under en sedimentavlagring) kan förvärra befintliga sprickor och förkastningar och därigenom destabilisera bassängen. Dessutom kan injektionsinducerad sprickbildning uppstå i det styva skiktet direkt ovanför den kristallina källaren, även känt som det "styva kompetenta skiktet."
På IBDP, CO2 injiceras i den nedre enheten av Mt Simons sandsten inom stratigrafin i Illinois Basin (se figur). På grund av närvaron av intraformationella tätningar (ogenomträngliga mineralvener i berget) i Mt. Simon-komplexet, injicerade CO2 påverkar förkastningarna i den kristallina källaren under reservoaren, vilket gör det möjligt att återaktivera eventuella förkastningsstrukturer som är fördelaktigt orienterade.
Poroelastisk effekt
Ett annat fenomen som måste åtgärdas under CO2 injektion är den pororoelastiska effekten, som är relaterad till portryck och mekanisk stress. Denna del av studien fokuserade på Argenta-sandsten och prekambrisk rhyolit från TR McMillen #2-brunnen, som ligger 25 km sydväst om IBDP-injektionsplatsen. Målet var att mäta platsens poromekaniska egenskaper. Kärnor av Argenta-sandsten och prekambrisk rhyolit extraherades båda inom djupintervallet 1900–2000 m.
Prekambrisk rhyolit, den kristallina källarbergarten, är känd för att ha sprickor som tillåter intern vätskemigrering, vilket försvagar berget och sänker dess elasticitetsmodul. Intakta eller heterogena prov erhölls via laboratorieskalaexperiment på provet med storlek i storleksordningen 10-100 mm. Mätningarna som erhölls på denna minimala skala kördes sedan genom teamets "helt kopplade hydromekaniska numeriska kod", baserad på uppsättningen av partiella derivativa Biot-ekvationer för porvätska och beteende, för att modellera seismiciteten inducerad av CO2 injektion vid IBDP.
Numerisk modellering
Mopar upp kol
Förutom laboratoriemätningar gjordes en del numerisk modellering för att relatera stratigrafin av sandstenen och rhyoliten till den mikroseismicitet som äger rum på injektionsstället. Resultat av seismiska undersökningar utförda av Illinois State Geological Survey visar viss ojämn sedimentation i de stratigrafiska lagren under IBDP, vilket kan resultera i en förändring i spänningen i berget. Dessutom mättes bergets hållfasthet, och en jämförelse av friktionsvinkeln mot tangentlinjen till Mohrs cirkel gjorde det möjligt för forskarna att förstå tröskeln för injektionsinducerad sprickbildning och bergbrott. Kort sagt drar de slutsatsen att injektionen av CO2 kommer sannolikt inte att resultera i betydande seismisk aktivitet.
Forskarna beskriver sina resultat i Vetenskapliga rapporter, och det huvudsakliga resultatet av deras papper är att seismicitet är ett mycket komplext fenomen. Lokala stratigrafiska egenskaper komplicerar analysen av injektionsgenererad seismicitet. Som ett resultat kan IBDP-injektionsstället inte effektivt beskrivas av en enda Mohrs cirkel, och inte heller kan ett mikroseismiskt svar endast förklaras av förändringarna i portrycket. Hydromekanisk koppling, tvåfasflöde, stratigrafiska effekter och temperatur måste betraktas som en del av den större bilden av IBDP:s seismicitetsprofil. Mer arbete måste faktiskt göras för att förena behovet av kolbindning med industrins fortsatta utbredning; seismicitet innebär en säkerhetsrisk, som påverkar människors uppfattning om åtgärder för kolbindning. Tills vi når en bättre förståelse av inducerad seismicitet från kolinjektion, är riskreducering det bästa tillvägagångssättet.
