Chụp X-quang đá tiết lộ khả năng lưu trữ carbon của chúng

Chụp X-quang đá hé lộ khả năng lưu trữ carbon

Để tránh những tác động tồi tệ nhất của biến đổi khí hậu, hàng tỷ tấn carbon dioxide do công nghiệp tạo ra sẽ phải được thu giữ và lưu trữ vào cuối thế kỷ này. Một nơi để lưu trữ lượng khí nhà kính khổng lồ như vậy là trong chính Trái đất. Nếu carbon dioxide được bơm vào các vết nứt và kẽ hở của một số loại đá ngầm nhất định, chất lỏng sẽ phản ứng với đá và làm carbon hóa thành khoáng chất. Bằng cách này, carbon dioxide có khả năng bị khóa trong đá ở dạng ổn định trong hàng triệu năm mà không thoát trở lại bầu khí quyển.

Một số dự án thí điểm đã được triển khai để chứng minh "khoáng hóa carbon". Những nỗ lực này đã cho thấy những kết quả đầy hứa hẹn về việc khoáng hóa thành công một phần lớn lượng CO2 được bơm vào. Tuy nhiên, ít rõ ràng hơn là đá sẽ phát triển như thế nào để đáp ứng. Khi các khoáng chất cacbonat tích tụ, liệu chúng có thể làm tắc nghẽn các vết nứt và kẽ hở, và cuối cùng là hạn chế lượng CO2 có thể được lưu trữ ở đó không?

Trong một nghiên cứu mới xuất hiện hôm nay trên tạp chí AGU Advances, các nhà địa vật lý MIT đã khám phá câu hỏi này bằng cách bơm chất lỏng vào đá và sử dụng hình ảnh X-quang để tiết lộ cách các lỗ rỗng và vết nứt của đá thay đổi khi chất lỏng khoáng hóa theo thời gian.

Các thí nghiệm của họ cho thấy rằng khi chất lỏng được bơm vào đá, độ thấm của đá (khả năng chất lỏng chảy qua đá) giảm mạnh. Trong khi đó, độ xốp của đá (tổng lượng không gian trống của nó, ở dạng lỗ rỗng, vết nứt và kẽ hở) vẫn tương đối không đổi.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các khoáng chất kết tủa từ chất lỏng trong các đường hầm hẹp hơn nối các lỗ rỗng lớn hơn, ngăn chất lỏng chảy vào các không gian lỗ rỗng lớn hơn. Mặc dù vậy, chất lỏng vẫn tiếp tục chảy qua đá, mặc dù với tốc độ thấp hơn, và các khoáng chất tiếp tục hình thành trong một số vết nứt và kẽ hở.

"Nghiên cứu này cung cấp cho bạn thông tin về những gì đá làm trong quá trình khoáng hóa phức tạp này, điều này có thể cho bạn những ý tưởng về cách thiết kế nó theo hướng có lợi cho bạn," Matěj Peč, phó giáo sư địa vật lý tại MIT, đồng tác giả nghiên cứu cho biết. Jonathan Simpson, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Khoa Khoa học Trái đất, Khí quyển và Hành tinh (EAPS) của MIT, đồng tác giả cho biết thêm: "Nếu bạn đang bơm CO2 vào Trái đất và thấy độ thấm giảm mạnh, một số nhà khai thác có thể nghĩ rằng họ đã làm tắc nghẽn giếng". "Nhưng như nghiên cứu này cho thấy, trong một số trường hợp, điều đó có thể không quan trọng lắm. Miễn là bạn duy trì một tốc độ dòng chảy nhất định, bạn vẫn có thể tạo thành khoáng chất và cô lập carbon."

Các đồng tác giả của nghiên cứu bao gồm Nhà khoa học nghiên cứu EAPS Hoagy O'Ghaffari cũng như Sharath Mahavadi và Jean Elkhoury của Trung tâm Nghiên cứu Schlumberger-Doll.

Khoan sâu hơn

Bazan là một loại đá núi lửa phun trào được tìm thấy ở những nơi như Hawaii và Iceland. Khi còn tươi, nó có độ xốp cao, với nhiều lỗ rỗng, vết nứt và đứt gãy chạy xuyên qua đá. Vật liệu này cũng rất giàu sắt, canxi và magie. Khi các nguyên tố này tiếp xúc với chất lỏng giàu carbon dioxide, chúng có thể hòa tan và trộn lẫn với CO2, và cuối cùng tạo thành một khoáng chất gốc carbon mới như canxit hoặc dolomit.

Một dự án có trụ sở tại Iceland và được thí điểm bởi công ty CarbFix hiện đang bơm nước giàu CO2 vào bazan ngầm của khu vực để xem bao nhiêu khí có thể được chuyển đổi và lưu trữ dưới dạng khoáng chất trong đá. Các đợt chạy của công ty đã chỉ ra rằng hơn 95% CO2 được bơm vào lòng đất biến thành khoáng chất trong vòng hai năm. Dự án đang chứng minh rằng hóa học hoạt động: CO2 có thể được lưu trữ dưới dạng đá.

Nhưng nhóm MIT tự hỏi quá trình khoáng hóa này sẽ thay đổi chính bazan và khả năng lưu trữ carbon của nó như thế nào theo thời gian.

"Hầu hết các nghiên cứu điều tra quá trình khoáng hóa carbon đều tập trung vào việc tối ưu hóa hóa địa chất, nhưng chúng tôi muốn biết quá trình khoáng hóa sẽ ảnh hưởng đến đá chứa thực tế như thế nào," Peč nói.

Chụp X-quang đá

Nhóm nghiên cứu bắt đầu nghiên cứu cách độ thấm và độ xốp của bazan thay đổi khi chất lỏng giàu cacbonat được bơm vào và khoáng hóa trong toàn bộ đá.

"Độ xốp đề cập đến tổng lượng không gian mở trong đá, có thể ở dạng túi, hoặc các vết nứt nối các túi, hoặc thậm chí các khu vực giữa các hạt cát," Simpson giải thích. "Bởi vì có rất nhiều biến đổi trong các mẫu độ xốp, nên không có mối quan hệ một-một giữa độ xốp và độ thấm. Bạn có thể có rất nhiều lỗ rỗng không nhất thiết phải được kết nối. Vì vậy, ngay cả khi 20% đá xốp, nếu chúng không được kết nối, thì độ thấm sẽ bằng không."

"Các chi tiết của điều đó rất quan trọng để hiểu cho tất cả các vấn đề này về việc bơm chất lỏng vào dưới bề mặt," Peč nhấn mạnh.

Đối với các thí nghiệm của mình, nhóm đã sử dụng các mẫu bazan mà Peč và những người khác đã thu thập được trong chuyến đi đến Iceland vào năm 2023. Họ đặt các mẫu bazan nhỏ vào một giá đỡ tùy chỉnh mà họ kết nối với hai ống, qua đó họ cho chảy hai chất lỏng khác nhau, mỗi chất lỏng chứa một dung dịch, khi trộn lẫn, nhanh chóng tạo thành khoáng chất cacbonat. Nhóm đã chọn