در حدود یک مایل زیر سطح زمین در یک معدن طلای قدیمی، دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) یک رصدخانه برای بررسی نحوه شکستن سنگ ها ساخته اند. دانشی که آنها به دست می آورند در نهایت می تواند به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و تسریع استقرار فناوری های انرژی پاک کمک کند.
رصدخانه بخشی از طرح وزارت انرژی (DOE) است که به دنبال رفع چالش‌های مرتبط با استفاده از زیرسطحی برای استخراج انرژی و ذخیره‌سازی زباله است. این ابتکار با نام SubTER - یا تحقیقات، توسعه و نمایش مهندسی فناوری و زیرسطحی - تشخیص می دهد که ایالات متحده در حال حاضر برای بیش از 80 درصد انرژی مورد نیاز خود به زیرسطح متکی است و کنترل تطبیقی شکستگی های زیرسطحی و جریان سیال یک چالش مقطعی است. که پتانسیل تغییر استراتژی های تولید انرژی و ذخیره زباله را دارد.
سوزان هوبارد می‌گوید: «به همان اندازه که سطح زیرسطحی برای استراتژی انرژی ایالات متحده مهم است، درک ما از نحوه واکنش زیرسطحی به آشفتگی‌های رایج، مانند آشفتگی‌های ناشی از بیرون کشیدن مایعات یا فشار دادن مایعات به داخل، کاملاً خام است. معاون مدیر آزمایشگاه برکلی که به رهبری تیم آزمایشگاه ملی SubTER کمک می کند. ما قادر به دستکاری سطح زیرین با کنترلی نیستیم که می تواند تضمین کند که نه تنها تولید انرژی یا ذخیره زباله را به حداکثر می رسانیم، بلکه از محیط زیست خود نیز محافظت می کنیم - از جمله به حداقل رساندن انتشار گازهای گلخانه ای، تأثیرات بر آب های زیرزمینی، و لرزه خیزی ناشی از. این یک شکاف قابل توجه است."
چالش بزرگ: کنترل سطح زیرین
دانشمندان در چندین آزمایشگاه ملی وزارت انرژی در حال کمک به SubTER هستند که سال گذشته پس از اینکه وزیر انرژی ارنست مونیز کنترل تطبیقی زیرسطحی را به عنوان یکی از "چالش های بزرگ DOE" شناسایی کرد، راه اندازی شد.
هابارد گفت: "ما می دانیم که زیرسطح همچنان بخش بزرگی از استراتژی انرژی ما برای چندین دهه آینده خواهد بود." ما این ابتکار را با این درک راه‌اندازی کردیم که چه استراتژی‌های قدیمی انرژی مانند نفت و گاز یا استراتژی‌های جدید مانند افزایش جذب و جداسازی کربن یا زمین گرمایی باشد، ما باید واقعاً کنترل زیرسطحی را به دست آوریم.»
یکی از کلیدهای به دست آوردن کنترل، درک نحوه شکستن سنگ ها است تا بسته به کاربرد، آن را کنترل یا از آن جلوگیری کنید. پاتریک دابسون، زمین شناس آزمایشگاه برکلی، می گوید: «ما نگران توانایی سیالات برای حرکت در شکاف ها و منافذ هستیم. "برای برخی از کاربردها، مانند سیستم های زمین گرمایی مهندسی شده، شما می خواهید سیالات به منظور استخراج گرما از سطح زیرین حرکت کنند، بنابراین می خواهید شکستگی ایجاد کنید. در برخی دیگر، مانند جذب کربن و جداسازی، ما بیشتر به ساختن آن علاقه مندیم. مطمئنا شکستگی ها رشد نمی کنند."
برای به دست آوردن یک درک پیش بینی کننده از کنترل شکستگی، آزمایشگاه برکلی پروژه SubTER را برای توسعه یک رصدخانه زیرزمینی و انجام آزمایش های یکپارچه و تصویربرداری ژئوفیزیکی هدایت می کند.رصدخانه زیرزمینی در مرکز تحقیقاتی زیرزمینی سانفورد در داکوتای جنوبی، محل یک معدن طلای سابق که اکنون عمدتاً یک آزمایشگاه تحقیقاتی برای فیزیک ذرات است، قرار دارد. تیم آزمایشگاه برکلی بخشی از تاسیسات را در 4850 فوت زیر زمین برای راه اندازی رصدخانه خود به نام kiSMET برای نفوذپذیری [k] و مدیریت لرزه‌خیزی القایی برای فناوری‌های انرژی انتخاب کردند.
دریافت انرژی با درک سنگها
به سرپرستی کرت اولدنبرگ زمین‌شناس آزمایشگاه برکلی و دابسون، تیم kiSMET چهار گمانه نظارتی به عمق ۵۰ متر و یک گمانه آزمایشی به عمق ۱۰۰ متر را حفر و حفر کرده است. اولدنبورگ گفت: «ما اساساً در تلاش برای درک رابطه بین میدان تنش، بافت سنگ و شکستگی هستیم.»
دانشمندان مقدار کمی آب را با فشار بسیار بالا به داخل سنگ تزریق کردند تا زمانی که سنگ شکسته شد. اولدنبورگ گفت: «ما در حال بررسی فشاری هستیم که باعث ایجاد شکستگی جدید می‌شود و سرعت جریان و حجم آبی که به داخل شکستگی می‌رود تا اندازه آن را تخمین بزنیم.سپس با ابزارهای ثبت گمانه به عقب برمی گردیم تا جهت شکستگی را تعیین کنیم. همزمان، نظارت دقیقی بر فرآیند شکست انجام می دهیم. به ویژه، مقاومت الکتریکی سنگ را در زمان نزدیک و واقعی اندازه گیری می کنیم. ما همچنین در حال اندازه گیری ریز لرزه خیزی مرتبط با شکستگی هستیم."
آزمایش‌های kiSMET برای سیستم‌های زمین‌گرمایی پیشرفته (EGS)، یک فناوری انرژی پاک است که در آن شکستگی‌های زیرزمینی در سنگ‌های داغ در زیرسطح به منظور تزریق آب و استخراج گرما مهندسی می‌شوند. EGS پتانسیل تولید انرژی پاک کافی برای تامین انرژی میلیون‌ها خانه را دارد، اما دانشمندان هنوز به روش‌های بهتری برای مدیریت نفوذپذیری سنگ نیاز دارند.
سنگ در آزمایشگاه سنفورد شبیه سنگ کریستالی عمیقی است که در بسیاری از سیستم های زمین گرمایی یافت می شود. دابسون گفت: «یکی از چالش‌های کلیدی درک وضعیت تنش سنگ است، که احتمالاً بر جهتی که سنگ در آن احتمال شکسته شدن و کجا این کار را انجام خواهد داد، حاکم است.
علاوه بر انرژی زمین گرمایی، kiSMET به تعدادی از کاربردهای دیگر مرتبط خواهد بود. اولدنبورگ گفت: "شکستگی ها و ارتباط آنها با تنش و پارچه سنگی برای ترسیب کربن، نفت و گاز و جداسازی زباله های هسته ای بسیار مهم است، زیرا جریان سیال غالباً در شکستگی ها اتفاق می افتد."
آزمایش‌ها همچنین می‌توانند برای درک بهتر لرزه‌خیزی که در نتیجه دفع حجم زیادی از آب تولید شده توسط چاه‌های نفت و گاز غیرمتعارف ایجاد شده توسط "فرکینگ" ایجاد می‌شود، مفید باشد. مشخص شده است که تزریق فاضلاب منجر به زلزله های کوچک می شود. اولدنبورگ گفت: «در kiSMET، ابزار دقیق ما می‌تواند ریز لرزه‌خیزی مرتبط با آزمایش‌های تزریق آب را شناسایی کند. ما می‌توانیم از آزمایش‌های بسیار کنترل‌شده‌مان درباره تشخیص و مکان‌یابی رویدادهای ریز لرزه‌ای در سنگ‌های کریستالی عمیق بیاموزیم.»
علاوه بر kiSMET، DOE اخیراً اعلام کرد که ۱۱ دلار سرمایه گذاری خواهد کرد.5 میلیون در هشت پروژه SubTER با تمرکز بر پیشرفت انرژی زمین گرمایی و فناوری های ذخیره کربن. دانشمندان آزمایشگاه برکلی در دو مورد از آنها شرکت خواهند کرد، از جمله یک پروژه 684000 دلاری برای استقرار و اعتبار سنجی سیستم پایش دی اکسید کربن GPUSA Inc. و یک پروژه 1.5 میلیون دلاری برای استفاده از توموگرافی انتشار لرزه ای غیرفعال برای پیشبرد تصویربرداری و توصیف نفوذپذیری زمین گرمایی در میدان زمین گرمایی San Emidio در نوادا.
قابلیت های تصویربرداری ژئوفیزیکی آزمایشگاه برکلی تنها یکی از نقاط قوتی است که آنها برای چالش کنترل تطبیقی زیرسطحی به ارمغان می آورند. هابارد گفت: "ما طیف کاملی از تخصص های بنیادی از طریق علوم زمین کاربردی داریم." "در بخش اساسی، ما این توانایی را داریم که چگونه اجزای هیدرولوژیکی، ژئومکانیکی و ژئوشیمیایی را برای ایجاد یک پاسخ ترکیبی به یک آشفتگی بررسی کنیم. و مدل ها تحت شرایط فشار و دمای زیرسطحی مربوطه.این طیف از قابلیت‌ها برای ارتقای توانایی ما برای دستکاری زیرسطحی با اطمینان لازم است."
