Подземная секвестрация углерода - хранение углерода в горных породах глубоко под землей - предлагает частичное решение для удаления углерода из атмосферы. Геологическое связывание углерода, используемое наряду с сокращением выбросов, может помочь смягчить антропогенное изменение климата. Но, как и другие подземные операции, она сопряжена с риском, включая землетрясения.
Геофизики все еще работают над тем, чтобы понять, что может вызвать антропогенные землетрясения, которые были задокументированы с 1960-х годов. Новое исследование, опубликованное в журнале Geology в четверг, исследует, почему в части сильно разрабатываемого нефтяного месторождения в США происходят землетрясения, а в части нет. Авторы впервые демонстрируют, что влияние бурения нефтяных скважин в прошлом изменяет напряжения в разломах таким образом, что нагнетание флюидов с меньшей вероятностью вызовет или спровоцирует землетрясения сегодня.
Исследование сосредоточено на бассейне Делавэр, нефтегазодобывающем месторождении, охватывающем границу между Западным Техасом и Нью-Мексико. Бурение здесь ведется по крайней мере с 1970-х годов, и в регионе усеяно более 10 000 действующих отдельных скважин. Там стэнфордские геофизики Ноам Двори и Марк Зобак заметили интересную закономерность в сейсмической активности. Недавние неглубокие землетрясения в основном происходили в южной половине бассейна, в то время как северная половина сейсмически спокойна, несмотря на неглубокие закачки сточных вод, происходящие по всему бассейну.
"Тогда возникает насущный вопрос: почему все неглубокие землетрясения ограничиваются одной областью и не более широко распространены?" Зобак говорит.
Землетрясения могут быть вызваны закачиванием под землю таких жидкостей, как сточные воды. Когда сточные воды нагнетаются в горные породы, давление увеличивается, подвергая горные породы и любые имеющиеся разломы более высокому напряжению. Если эти давления и напряжения станут достаточно высокими, может произойти землетрясение.
Землетрясения от инъекций в южной части бассейна Делавэр, как правило, неглубокие и относительно малой магнитуды, как правило, достаточно сильные, чтобы сотрясти посуду, но не настолько, чтобы нанести ущерб. Однако, если активируются более глубокие разломы, могут произойти землетрясения большей магнитуды и нанести ущерб. Например, в марте 2020 года в Ментоне, штат Техас, произошло землетрясение силой 4,6 балла, вероятно, из-за глубокой инъекции, которая взаимодействовала с разломами в кристаллической породе фундамента примерно в пяти милях под землей.
«Масштаб землетрясения ограничен размером проскальзывающего разлома», - объясняет Двори. Там, где разломы неглубокие и небольшие (всего несколько километров), магнитуда землетрясений, как правило, невелика. «Вы все еще можете чувствовать это, но это менее опасно».
Сведение к минимуму риска землетрясений является целью любой подземной операции, будь то добыча нефти и газа или улавливание углерода. Это сделало бассейн Делавэр с его странным характером землетрясений отличной мишенью для Двори и Зобака. Это был естественный эксперимент в области геомеханики, «почему» вызванных землетрясений.
Чтобы расшифровать закономерность, Двори и Зобак сначала смоделировали подземные давления, необходимые для того, чтобы вызвать смещение разломов в бассейне, и связали эти значения с расчетными значениями напряжения. После того, как они установили эту базовую линию, они рассчитали поровое давление вокруг бассейна Делавэр. Их результаты показали четкую закономерность: геологические формации в северном бассейне, где ранее добывались углеводороды, имели более низкие поровые давления, чем в «невозмущенных» породах, землетрясений не было. В южном бассейне, в котором ранее почти не было добычи из тех же формаций, были более высокие начальные давления и землетрясения.
«В некоторых районах у нас есть свидетельства разработки нефти и газа даже с 1950-х годов», - говорит Двори. «Там, где была значительная добыча углеводородов, давление истощалось, и пласты, по сути, становились более устойчивыми».
Теперь, когда жидкости закачиваются обратно в эти «стабильные», ранее пробуренные породы, начальное давление ниже, чем при первом бурении.
«Таким образом, там, где добыча нефти велась ранее, текущая закачка приводит к значительно более низкому давлению, так что гораздо меньше вероятность вызвать землетрясения», - объясняет Зобак. «Не исключено, что в какой-то момент, если вы введете достаточное количество жидкости, вы, вероятно, сможете вызвать землетрясение. Но здесь, в области, которую мы изучаем, мы можем задокументировать, что то, что произошло ранее, сильно влияет на то, как текущие операционные процессы влияют на вероятность возникновения землетрясения.."
Нацеливание на эти места добычи нефти в прошлом, с их более низким риском землетрясений, может быть хорошим подходом к секвестрации углерода.
«Перед нами стоит глобальная задача - хранить огромные объемы углекислого газа в недрах в ближайшие десять-двадцать лет», - говорит Зобак. «Нам нужны места для безопасного хранения огромных объемов углекислого газа в течение сотен лет, что, очевидно, включает в себя недопущение повышения давления, вызывающего землетрясения. Важность геонаук для решения этой задачи невозможно переоценить. Это огромная проблема, но геонауки ключевое место для начала."