Giảm thiểu và đảo ngược tác động của biến đổi khí hậu là thách thức khoa học quan trọng nhất đối với nhân loại. Cô lập carbon mô tả một loạt các công nghệ có khả năng làm giảm nồng độ carbon dioxide (CO2) trong khí quyển. Hầu hết các kế hoạch này liên quan đến việc lưu trữ khí dưới lòng đất, tuy nhiên, điều này không phải là không có rủi ro và các nhà khoa học lo ngại rằng việc lưu trữ dưới lòng đất có thể dẫn đến hoạt động địa chấn gia tăng (một hiện tượng được gọi là "địa chấn gây ra").
Giờ đây, các nhà nghiên cứu ở Hoa Kỳ và Thụy Sĩ đã nghiên cứu về vi địa chấn, các sự kiện địa chấn nhỏ gây ra bởi việc phun carbon vào đá chủ, tại Dự án Decatur Lưu vực Illinois (IBDP) ở miền trung tây Hoa Kỳ. Trong năm 2011–2014, IBDP đã bơm một triệu tấn CO2 vào một hồ chứa ngầm ngay phía trên một bồn kết tinh ryolit. Nikita Bondarenko và La Mã Makhnenko tại Đại học Illinois và Yury Podladchikov tại Đại học Lausanne đã sử dụng kết hợp các quan sát thực địa và mô phỏng máy tính để chỉ ra mức độ vi địa chấn tại IBDP phụ thuộc nhiều vào cấu trúc vi mô của đá chủ.
Vòng tròn của Mohr
Nền tảng của cách tiếp cận của các nhà nghiên cứu là một khái niệm gọi là “vòng tròn Mohr”, mô tả đồ thị có thể được vẽ để mô tả một tenxơ ứng suất. Tích hợp với nhiều nỗ lực địa kỹ thuật, các vòng tròn của Mohr có thể được vẽ để mô tả phản ứng của đất, khoáng chất và các vật liệu địa vật lý khác đối với ứng suất theo nhiều hướng. Mục tiêu của các nhà nghiên cứu là phát triển sự hiểu biết sâu sắc hơn về tính vi địa chấn cục bộ, chỉ xem xét các sự kiện có cường độ từ 2.0 trở xuống trên thang Richter, trong quá trình bơm COXNUMX2 vào vỉa đá IBDP.
Để bổ sung cho các tính toán vòng tròn Mohr của họ, nhóm đã xem xét cách CO2 hoạt động như một chất lỏng và lấp đầy các vết nứt và lỗ rỗng của đá chủ. Kết quả của họ từ việc quan sát hoạt động địa chấn của IBDP chỉ ra rằng việc bơm CO2 vào “lớp nền kết tinh” (lớp đá bên dưới lớp trầm tích) có thể làm trầm trọng thêm các vết nứt và đứt gãy hiện có, do đó làm mất ổn định lưu vực. Ngoài ra, vết nứt do phun có thể xảy ra trong lớp cứng ngay phía trên lớp nền kết tinh, còn được gọi là “lớp có khả năng cứng”.
Tại IBDP, CO2 được bơm vào phần dưới của đá sa thạch Mt. Simon trong địa tầng của Lưu vực Illinois (xem hình). Do sự hiện diện của các con dấu trong quá trình hình thành (các mạch khoáng chất không thấm nước trong đá) trong khu phức hợp Mt. Simon, CO được bơm vào2 ảnh hưởng đến các đứt gãy trong tầng móng kết tinh bên dưới hồ chứa, tạo khả năng kích hoạt lại bất kỳ cấu trúc đứt gãy nào có hướng thuận lợi.
hiệu ứng xốp
Một hiện tượng khác cần được giải quyết trong quá trình CO2 tiêm là hiệu ứng xốp đàn hồi, có liên quan đến áp lực lỗ rỗng và ứng suất cơ học. Phần này của nghiên cứu tập trung vào sa thạch Argenta và rhyolit Tiền Cambri từ giếng TR McMillen #2, cách địa điểm tiêm IBDP 25 km về phía tây nam. Mục tiêu là để đo các thuộc tính cơ khí của trang web. Lõi của đá sa thạch Argenta và rhyolit Tiền Cambri đều được khai thác ở độ sâu khoảng 1900–2000 m.
Rhyolit tiền Cambri, đá móng kết tinh, được biết là có các vết nứt cho phép chất lỏng di chuyển bên trong, do đó làm suy yếu đá và hạ thấp mô đun đàn hồi của nó. Các mẫu nguyên vẹn, hoặc không đồng nhất, được lấy thông qua các thí nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm trên mẫu vật có kích thước theo thứ tự 10-100 mm. Các phép đo thu được trên quy mô cực nhỏ này sau đó được chạy qua “mã số cơ học thủy lực được kết hợp đầy đủ” của nhóm, dựa trên tập hợp các phương trình Biot đạo hàm riêng cho chất lỏng lỗ rỗng và hành vi, để mô hình hóa địa chấn do CO gây ra2 tiêm tại IBDP.
mô hình số
Làm sạch carbon
Ngoài các phép đo trong phòng thí nghiệm, một số mô hình số đã được thực hiện để liên hệ địa tầng của đá sa thạch và ryolit với tính vi địa chấn diễn ra tại vị trí tiêm. Kết quả khảo sát địa chấn do Cơ quan Khảo sát Địa chất Bang Illinois thực hiện cho thấy một số trầm tích không đồng đều trong các lớp địa tầng bên dưới IBDP, điều này có thể dẫn đến thay đổi ứng suất bên trong đá. Ngoài ra, độ bền của đá đã được đo và so sánh góc ma sát với đường tiếp tuyến với vòng tròn Mohr cho phép các nhà nghiên cứu hiểu được ngưỡng nứt do phun và phá hủy đá. Tóm lại, họ kết luận rằng việc bơm CO2 không có khả năng dẫn đến hoạt động địa chấn đáng kể.
Các nhà nghiên cứu mô tả kết quả của họ trong Báo cáo khoa học, và điểm rút ra chính từ bài báo của họ là địa chấn là một hiện tượng rất phức tạp. Các đặc điểm địa tầng cục bộ làm phức tạp việc phân tích địa chấn do tiêm tạo ra. Do đó, vị trí tiêm IBDP không thể được mô tả một cách hiệu quả bằng một vòng tròn Mohr duy nhất, cũng như phản ứng vi địa chấn không thể được giải thích chỉ bằng những thay đổi về áp suất lỗ rỗng. Khớp nối thủy lực, dòng chảy hai pha, hiệu ứng địa tầng và nhiệt độ phải được coi là một phần của bức tranh lớn hơn về hồ sơ địa chấn của IBDP. Thật vậy, cần phải làm nhiều việc hơn nữa để dung hòa nhu cầu cô lập carbon với sự phổ biến liên tục của ngành công nghiệp; địa chấn báo hiệu một mối nguy hiểm về an toàn, ảnh hưởng đến nhận thức của mọi người về các biện pháp cô lập carbon. Cho đến khi chúng ta hiểu rõ hơn về địa chấn gây ra từ việc bơm carbon, giảm thiểu nguy cơ là cách hành động tốt nhất.
