Пом’якшення та усунення наслідків зміни клімату є найважливішим науковим завданням, яке стоїть перед людством. Секвестрація вуглецю описує низку технологій із потенціалом зниження концентрації вуглекислого газу (CO2) в атмосфері. Більшість цих схем передбачає зберігання газу під землею, однак це не без ризику, і вчені стурбовані тим, що підземне зберігання може призвести до підвищення сейсмічної активності (явище, відоме як «індукована сейсмічність»).
Зараз дослідники зі США та Швейцарії вивчали мікросейсмічність, невеликі сейсмічні події, спричинені введенням вуглецю у вміщуючу породу, у проекті Іллінойського басейну Декатур (IBDP) на середньому заході США. У 2011–2014 роках IBDP закачав один мільйон тонн CO2 у підземний резервуар прямо над ріолітовим кристалічним басейном. Микита Бондаренко та Роман Махненко в Університеті Іллінойсу та Юрій Подладчиков в Університеті Лозанни використали комбінацію польових спостережень і комп’ютерного моделювання, щоб показати, як мікросейсмічність на IBDP сильно залежить від мікромасштабної структури вмісної породи.
Коло Мора
Основою підходу дослідників є концепція під назвою «коло Мора», яка описує графік, який можна намалювати, щоб зобразити тензор напруги. Кола Мора, які є невід’ємною частиною багатьох геоінженерних зусиль, можна побудувати для опису реакції ґрунтів, мінералів та інших геофізичних матеріалів на навантаження в багатьох напрямках. Метою дослідників було глибше зрозуміти місцеву мікросейсмічність, враховуючи лише події магнітудою 2.0 або менше за шкалою Ріхтера під час ін’єкції CO2 в породний резервуар IBDP.
Щоб доповнити свої розрахунки кола Мора, група розглянула, як CO2 поводиться як рідина і заповнює тріщини та пори вмісної породи. Їхні результати спостереження за сейсмічною активністю IBDP показують, що закачування CO2 в «кристалічний фундамент» (шар гірських порід під осадовими відкладеннями) може посилити існуючі тріщини та розломи, тим самим дестабілізуючи басейн. Крім того, розтріскування, викликане ін’єкцією, може відбуватися в твердому шарі безпосередньо над кристалічним фундаментом, також відомому як «жорсткий компетентний шар».
У IBDP, CO2 вводиться в нижню одиницю пісковика гори Саймон в межах стратиграфії Іллінойського басейну (див. малюнок). Завдяки наявності внутрішньоформаційних ущільнень (непроникних мінеральних прожилок у породі) у комплексі гори Саймон, закачуваний CO2 впливає на розломи в кристалічному фундаменті під резервуаром, уможливлюючи реактивацію будь-яких розломних структур, які мають сприятливу орієнтацію.
Пороеластичний ефект
Ще одне явище, на яке необхідно звернути увагу під час CO2 ін'єкція - це пороеластичний ефект, який пов'язаний з поровим тиском і механічною напругою. Ця частина дослідження була зосереджена на пісковику Argenta та докембрійському ріоліті зі свердловини TR McMillen #2, яка знаходиться в 25 км на південний захід від місця закачування IBDP. Метою було виміряти поромеханічні властивості сайту. Керни аргентського пісковика та докембрійського ріоліту видобуто в діапазоні глибин 1900–2000 м.
Відомо, що докембрійський ріоліт, кристалічна порода фундаменту, має тріщини, які дозволяють внутрішню міграцію рідини, тим самим послаблюючи породу та знижуючи її модуль пружності. Інтактні, або гетерогенні, зразки були отримані шляхом лабораторних експериментів на зразках розміром порядку 10-100 мм. Вимірювання, отримані в цьому мізерному масштабі, потім пройшли через «повністю зв’язаний гідромеханічний числовий код» команди, заснований на наборі часткових похідних рівнянь Біо для порової рідини та поведінки, щоб змоделювати сейсмічність, спричинену CO2 ін'єкція в IBDP.
Чисельне моделювання
Прибирання вуглецю
На додаток до лабораторних вимірювань, було виконано певне чисельне моделювання, щоб зв’язати стратиграфію пісковику та ріоліту з мікросейсмічністю, що має місце в місці ін’єкції. Результати сейсмічних досліджень, проведених Геологічною службою штату Іллінойс, показують деяку нерівномірність осадження в стратиграфічних шарах нижче IBDP, що може призвести до зміни напруги в скелі. Крім того, було виміряно міцність гірської породи, і порівняння кута тертя з дотичною до кола Мора дозволило дослідникам зрозуміти поріг розтріскування, викликаного ін’єкцією, і руйнування породи. Коротше кажучи, вони роблять висновок, що впорскування CO2 навряд чи призведе до значної сейсмічної активності.
Дослідники описують свої результати в Наукові доповіді, і головний висновок із їхньої статті полягає в тому, що сейсмічність є надзвичайно складним явищем. Місцеві стратиграфічні особливості ускладнюють аналіз сейсмічності, спричиненої закачуванням. Як наслідок, місце закачування IBDP не можна ефективно описати одним колом Мора, а мікросейсмічний відгук не можна пояснити лише змінами порового тиску. Гідромеханічний зв'язок, двофазний потік, стратиграфічні ефекти та температуру слід розглядати як частину більшої картини профілю сейсмічності IBDP. Дійсно, потрібно зробити більше, щоб узгодити потребу в поглинанні вуглецю з постійним переважанням промисловості; сейсмічність віщує загрозу безпеці, що впливає на сприйняття людьми заходів по поглинанню вуглецю. Поки ми не досягнемо кращого розуміння сейсмічності, спричиненої закачуванням вуглецю, пом’якшення небезпеки є найкращим напрямком дій.
