การลดและย้อนกลับผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเป็นความท้าทายทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่สุดที่มนุษยชาติต้องเผชิญ การกักเก็บคาร์บอนอธิบายถึงเทคโนโลยีต่างๆ ที่มีศักยภาพในการลดความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ในบรรยากาศ แผนการเหล่านี้ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการเก็บก๊าซไว้ใต้ดิน อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่ความเสี่ยง และนักวิทยาศาสตร์กังวลว่าการจัดเก็บก๊าซใต้ดินอาจนำไปสู่การเพิ่มกิจกรรมแผ่นดินไหว (ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า “การเกิดแผ่นดินไหวที่เหนี่ยวนำ”)
ขณะนี้ นักวิจัยในสหรัฐอเมริกาและสวิตเซอร์แลนด์ได้ศึกษาการเกิดแผ่นดินไหวระดับจุลภาค ซึ่งเป็นเหตุการณ์แผ่นดินไหวขนาดเล็กที่เกิดจากการฉีดคาร์บอนเข้าไปในหินแม่ข่าย ที่โครงการ Illinois Basin Decatur Project (IBDP) ทางตะวันตกตอนกลางของสหรัฐฯ ในปี 2011-2014 IBDP ได้ฉีด CO หนึ่งล้านตัน2 ลงสู่อ่างเก็บน้ำใต้ดินเหนือแอ่งผลึกแร่ไรโอไลต์ นิกิตา บอนดาเรนโก และ โรมัน มักเนนโก ที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์และ ยูริ พอดลาดชิคอฟ ที่มหาวิทยาลัยโลซานน์ได้ใช้การสังเกตการณ์ภาคสนามและการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ร่วมกันเพื่อแสดงให้เห็นว่าการเกิดแผ่นดินไหวระดับจุลภาคที่ IBDP นั้นขึ้นอยู่กับโครงสร้างระดับจุลภาคของหินแม่ข่ายอย่างไร
วงกลมของ Mohr
รากฐานของวิธีการของนักวิจัยคือแนวคิดที่เรียกว่า "วงกลมของ Mohr" ซึ่งอธิบายกราฟที่สามารถวาดเพื่อแสดงถึงความเครียด วงกลมของ Mohr เป็นส่วนหนึ่งของความพยายามด้านวิศวกรรมธรณีหลายอย่าง เพื่ออธิบายการตอบสนองของดิน แร่ธาตุ และวัสดุทางธรณีฟิสิกส์อื่นๆ ต่อความเครียดในหลายทิศทาง เป้าหมายของนักวิจัยคือเพื่อพัฒนาความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับแผ่นดินไหวขนาดเล็กในท้องถิ่น โดยพิจารณาเฉพาะเหตุการณ์ที่มีขนาด 2.0 หรือน้อยกว่าในระดับริกเตอร์ ในระหว่างการฉีด CO2 ลงในอ่างเก็บน้ำหิน IBDP
เพื่อเสริมการคำนวณวงกลมของ Mohr กลุ่มได้พิจารณาว่าผู้บังคับกองร้อย2 ทำหน้าที่เป็นของเหลวและเติมรอยแตกและรูพรุนของหินโฮสต์ ผลจากการสังเกตกิจกรรมแผ่นดินไหวของ IBDP ระบุว่าการฉีด CO2 เข้าไปใน "ชั้นใต้ดินที่เป็นผลึก" (ชั้นหินที่อยู่ด้านล่างตะกอนทับถม) อาจทำให้รอยร้าวและรอยเลื่อนที่มีอยู่รุนแรงขึ้น ซึ่งจะทำให้แอ่งน้ำไม่มั่นคง นอกจากนี้ การแตกร้าวที่เกิดจากการฉีดสามารถเกิดขึ้นได้ในชั้นแข็งที่อยู่เหนือชั้นใต้ดินที่เป็นผลึกโดยตรง หรือที่เรียกว่า “ชั้นแข็งที่มีความสามารถ”
ที่ IBDP, CO2 ถูกฉีดเข้าไปในส่วนล่างของหินทรายภูเขาไซมอนภายในชั้นหินของลุ่มน้ำอิลลินอยส์ (ดูรูป) เนื่องจากมี intraformational seals (เส้นแร่ผ่านไม่ได้ในหิน) ในภูเขาไซมอนคอมเพล็กซ์ CO ที่ฉีดเข้าไป2 ส่งผลกระทบต่อรอยเลื่อนในชั้นใต้ดินที่เป็นผลึกใต้อ่างเก็บน้ำ ทำให้สามารถเปิดใช้งานโครงสร้างรอยเลื่อนใดๆ ที่อยู่ในเกณฑ์ดีได้อีกครั้ง
ผลโพโรอีลาสติก
ปรากฏการณ์อื่นที่ต้องแก้ไขระหว่าง CO2 การฉีดเป็นผลให้เกิดความยืดหยุ่นของรูพรุน ซึ่งเกี่ยวข้องกับความดันรูพรุนและความเค้นเชิงกล การศึกษาในส่วนนี้มุ่งเน้นไปที่หินทราย Argenta และ Precambrian rhyolite จากหลุม TR McMillen #2 ซึ่งอยู่ห่างจากจุดฉีด IBDP ไปทางตะวันตกเฉียงใต้ 25 กม. เป้าหมายคือการวัดคุณสมบัติเชิงกลของไซต์ แกนของหินทราย Argenta และ Precambrian rhyolite ทั้งคู่ถูกสกัดในช่วงความลึก 1900–2000 ม.
พรีแคมเบรียนไรโอไลต์ซึ่งเป็นหินชั้นใต้ดินที่เป็นผลึก เป็นที่ทราบกันดีว่ามีการแตกหักที่อนุญาตให้มีการเคลื่อนย้ายของของไหลภายใน จึงทำให้หินอ่อนแอลงและลดค่าโมดูลัสยืดหยุ่น ตัวอย่างที่ไม่บุบสลายหรือต่างกันได้มาจากการทดลองในห้องปฏิบัติการกับชิ้นงานที่มีขนาดตั้งแต่ 10-100 มม. การวัดที่ได้จากสเกลจิ๋วนี้จะถูกเรียกใช้ผ่าน “รหัสตัวเลขทางกลศาสตร์ไฮโดรแมคคานิกส์คู่สมบูรณ์” ของทีม โดยยึดตามชุดของสมการ Biot อนุพันธ์บางส่วนสำหรับของไหลและพฤติกรรมของรูพรุน เพื่อจำลองการเกิดแผ่นดินไหวที่เกิดจาก CO2 การฉีดที่ IBDP
การสร้างแบบจำลองเชิงตัวเลข
ซับคาร์บอน
นอกจากการวัดในห้องปฏิบัติการแล้ว ยังมีการสร้างแบบจำลองเชิงตัวเลขเพื่อเชื่อมโยงชั้นหินทรายและไรโอไลต์กับการเกิดแผ่นดินไหวขนาดจิ๋วที่บริเวณฉีด ผลการสำรวจคลื่นไหวสะเทือนที่ดำเนินการโดย Illinois State Geological Survey แสดงให้เห็นการตกตะกอนที่ไม่สม่ำเสมอในชั้น stratigraphic ด้านล่าง IBDP ซึ่งอาจส่งผลให้ความเครียดภายในหินเปลี่ยนไป นอกจากนี้ การวัดความแข็งแรงของหินและการเปรียบเทียบมุมแรงเสียดทานกับเส้นสัมผัสกับวงกลมของ Mohr ช่วยให้นักวิจัยเข้าใจเกณฑ์สำหรับการแตกร้าวที่เกิดจากการฉีดและความล้มเหลวของหิน สรุปได้ว่าการฉีด CO2 ไม่น่าจะส่งผลให้เกิดแผ่นดินไหวอย่างมีนัยสำคัญ
นักวิจัยอธิบายผลลัพธ์ของพวกเขาใน รายงานทางวิทยาศาสตร์และประเด็นหลักจากรายงานของพวกเขาก็คือ แผ่นดินไหวเป็นปรากฏการณ์ที่มีความซับซ้อนสูง ลักษณะทางภูมิประเทศในท้องถิ่นทำให้การวิเคราะห์แผ่นดินไหวที่เกิดจากการฉีดมีความซับซ้อน เป็นผลให้ไม่สามารถอธิบายตำแหน่งการฉีด IBDP ได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยวงกลมของ Mohr เพียงวงเดียว และไม่สามารถอธิบายการตอบสนองของแผ่นดินไหวขนาดเล็กได้จากการเปลี่ยนแปลงของความดันรูพรุนเท่านั้น การมีเพศสัมพันธ์ทางกลไฮโดรแมคคานิกส์ การไหลสองเฟส ผลกระทบจากชั้นบรรยากาศ และอุณหภูมิต้องได้รับการพิจารณาว่าเป็นส่วนหนึ่งของภาพรวมที่ใหญ่กว่าของโปรไฟล์แผ่นดินไหวของ IBDP แท้จริงแล้ว ต้องทำงานมากขึ้นเพื่อปรับความจำเป็นในการกักเก็บคาร์บอนให้สอดคล้องกับความแพร่หลายอย่างต่อเนื่องของอุตสาหกรรม แผ่นดินไหวถือเป็นอันตรายต่อความปลอดภัย ซึ่งส่งผลกระทบต่อการรับรู้ของผู้คนเกี่ยวกับมาตรการกักเก็บคาร์บอน จนกว่าเราจะเข้าใจมากขึ้นเกี่ยวกับการเกิดแผ่นดินไหวจากการฉีดคาร์บอน การบรรเทาอันตรายคือแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด
