岩石のX線検査で炭素貯蔵能力が明らかに |マサチューセッツ工科大学ニュース

気候変動による最悪の影響を避けるためには、今世紀末までに工業的に生成された何十億トンもの二酸化炭素を回収し、保管する必要がある。このような膨大な量の温室効果ガスが貯蔵される場所の 1 つは、地球そのものです。二酸化炭素が特定の地下岩石の亀裂や裂け目に注入されると、流体は岩石と反応し、炭素を固化して鉱物になります。このようにして、二酸化炭素は大気中に逃げることなく、何百万年も安定した形で岩石の中に閉じ込められる可能性があります。

このような「炭素鉱化」を実証するためのいくつかのパイロットプロジェクトがすでに進行中です。これらの取り組みは、注入された CO の大部分の鉱化に成功するという点で有望な結果を示しています。₂。しかし、それに応じて岩石がどのように進化するかはあまり明らかではない。炭酸塩鉱物が蓄積すると、亀裂や裂け目を詰まらせ、最終的には二酸化炭素の量を制限できるのではないか₂ そこに保管できるものですか？

新しい 勉強 今日の日記に掲載される AGUの進歩MITの地球物理学者は、岩石に液体を注入し、X線画像を使用して液体が時間の経過とともに鉱物化するにつれて岩石の細孔や亀裂がどのように変化するかを明らかにすることで、この疑問を調査しました。

彼らの実験では、液体が岩石にポンプで注入されると、岩石の浸透性（液体が岩石の中を流れる能力）が急激に低下することがわかりました。一方、岩石の多孔性（細孔、亀裂、裂け目の形をした空の空間の総量）は比較的同じままでした。

研究者らは、大きな細孔を繋ぐ狭いトンネル内の流体からミネラルが沈殿し、流体が大きな細孔空間に流入するのを妨げていることを発見した。それでも、速度は遅くなったものの、液体は岩石の中を流れ続け、いくつかの亀裂や裂け目には鉱物が形成され続けた。

「この研究は、この複雑な鉱化プロセス中に岩石がどのような作用をするかについての情報を提供します。それによって、岩石を有利に操作する方法のアイデアが得られる可能性があります」と、研究共著者でマサチューセッツ工科大学地球物理学の准教授マチェイ・ペチ氏は言う。

「COを注入していたら₂ 「しかし、この研究が示すように、場合によっては、それはそれほど問題ではない可能性があります。ある程度の流量を維持している限り、ミネラルを形成し、炭素を隔離することができます。」

この研究の共著者には、EAPS 研究科学者のホーギー・オガファリ氏のほか、シュルンベルジェ・ドール研究センターのシャラス・マハバディ氏とジーン・エルクーリー氏が含まれる。

ドリルダウン

玄武岩は、ハワイやアイスランドなどで見られる噴火した火山岩の一種です。新鮮なときは多孔性が高く、岩石には多くの細孔、亀裂、亀裂が走っています。この材料には、鉄、カルシウム、マグネシウムも高濃度に含まれています。これらの元素が二酸化炭素を多く含む流体と接触すると、溶解して CO と混合する可能性があります。₂そして最終的には方解石やドロマイトなどの新しい炭素ベースの鉱物を形成します。

アイスランドに拠点を置き、CarbFix 社が試験的に実施しているプロジェクトは現在、二酸化炭素を注入しています。₂-豊富な水をこの地域の地下の玄武岩に注入し、どれだけのガスが変換され、岩石の中にミネラルとして蓄えられるかを確認します。同社の事業では、CO の 95 パーセント以上が₂ 地中に注入すると2年以内に鉱物に変わります。このプロジェクトは、化学が機能することを証明しています: CO₂ 石として保存できる。

しかし、MIT チームは、この鉱化プロセスが時間の経過とともに玄武岩自体とその炭素貯蔵能力をどのように変化させるのか疑問に思いました。

「炭素の鉱化を調査するほとんどの研究は地球化学の最適化に焦点を当ててきましたが、私たちは鉱化が実際の貯留層の岩石にどのような影響を与えるかを知りたかったのです」とペチ氏は言います。

ロッキーX線

研究チームは、炭酸塩を豊富に含む流体が岩石中にポンプで送り込まれ、岩石全体に鉱物化されるにつれて、玄武岩の浸透性と多孔性がどのように変化するかを研究することに着手した。

「空隙率とは、岩石の開いた空間の総量を指します。これは、小胞、小胞をつなぐ亀裂、さらには砂粒間の領域の形をとる可能性があります」とシンプソン氏は説明します。 「空隙率のパターンには非常にばらつきがあるため、空隙率と透水性の間には 1 対 1 の関係はありません。必ずしもつながっているとは限らない空隙が多数存在する可能性があります。つまり、岩石の 20% が多孔質であっても、それらがつながっていなければ、透水性はゼロになります。」

「地下に流体を注入するこれらすべての問題について、その詳細を理解することが重要です」とペチ氏は強調する。

研究チームは実験に、ペチらが2023年のアイスランドへの旅行中に収集した玄武岩のサンプルを使用した。研究チームは、2本のチューブに接続した特注のホルダーに玄武岩の小さなサンプルを置き、そこに2つの異なる液体を流した。それぞれの液体には、混合するとすぐに炭酸塩鉱物を形成する溶液が含まれていた。チームは、石化プロセスをスピードアップするために、この流体の組み合わせを選択しました。

実際にCOを圧入する過程₂ 地面に、CO₂ 水と混ぜてあります。液体が岩石にポンプで送り込まれると、液体は最初に「溶解」段階を経て、鉄、カルシウム、マグネシウムなどの元素が玄武岩から二酸化炭素中に引き出されます。₂-豊富な液体。この溶解プロセスは、石化プロセスの前に時間がかかることがあります。₂ 引き出された要素と混合して、続行できます。

研究者らは、溶解段階をスキップして石化プロセスの影響を効率的に研究するために、組み合わせるとすぐに石化する 2 つの異なる液体を使用しました。研究チームは、X線CTスキャナー内で実験を行うことで、岩石内で起こっている石化プロセスを前例のない詳細レベルで観察することができた。研究チームは、CTスキャナー（病院で医療画像処理に使用されるものと同様）で実験をセットアップし、流体が流れる玄武岩の高解像度の3次元スナップショットを数日から数週間にわたって定期的に頻繁に撮影した。

彼らの画像により、時間の経過とともに液体が流れるにつれて、岩石の細孔、亀裂、亀裂がどのように進化し、鉱物で満たされていくのかが明らかになりました。複数の実験を経て、岩石の透水性が1日以内に急速に一桁低下することが判明した。しかし、岩石の空隙率ははるかに遅い速度で減少しました。最長の実験期間が終了した時点で、元の細孔空間のわずか約 5 パーセントが新しいミネラルで満たされていました。

「我々の調査結果によると、鉱物は最初、より大きな細孔空間をつなぐ非常に小さな微小亀裂の中で形成され、それらの空間を詰まらせていることが分かりました」とシンプソン氏は言う。 「小さな微小亀裂を塞ぐのにそれほど多くは必要ありません。しかし、詰まってしまうと、透過性が大幅に低下します。」

しかし、最初の浸透性の低下の後でも、チームは液体を流し続けることができ、岩石内の狭い空間で鉱物が形成され続けました。これは、地下貯留層が満杯であるように見えても、さらに多くの炭素を貯蔵できる可能性があることを示唆しています。

研究者らはまた、各実験中に超音波センサーで岩石を監視し、センサーが岩石の空隙率の小さな変化も追跡できることを発見した。岩石の多孔性が低いほど、または鉱物で満たされているほど、音波は物質中をより速く伝わります。これらの結果は、地震波が地下岩石の多孔性、そして最終的には炭素を貯蔵する能力を監視するための信頼できる方法である可能性があることを示唆しています。

「全体として、炭素鉱化は大量の二酸化炭素を永久に貯蔵するための有望な手段であると考えています」₂「貯留層はたくさんあり、我々の結果が推定できれば、長期間にわたって注入できるはずです。」とペチ博士は結論づけています。

この研究は、Beth Siegelman SM ’84 と Russ Siegelman ’84 によって資金提供された MIT の Advanced Carbon Mineralization Initiative によって支援され、さらに Chan-Zuckerberg Foundation からの追加資金も提供されました。