新装置揭示二氧化碳地质封存时岩石的微观反应

　　2022年8月2日，斯坦福大学（Stanford University）发布最新研究进展称，该校研究人员研发的一种微小的新装置可以使科学家能够直接观察和量化岩石在酸的存在下如何变化，从而能够更准确地评估CO2、氢气和工业废物地下储存的地点。该研究成果以《通过微流体和成分分析探测天然岩石中的多尺度溶出动力学》（Probing multiscale dissolution dynamics in natural rocks through microfluidics and compositional analysis）为题发表在8月3日出版的《美国国家科学院院刊》（PNAS）。
　　碳捕获、利用与封存（CCUS）过程中，在储集地层中注入CO2会引发复杂的地球化学反应，其中一些可能导致难以预测的岩石结构的巨大变化，原因是矿物溶解会显著影响许多地质系统。成岩作用、固碳和酸注入释放的碳是地球化学反应、流体流动和溶质迁移强耦合的例子。虽然多年来，地球科学家一直在模拟流体流动、化学反应和岩石力学，试图预测CO2或其他流体的注入将如何影响特定岩层。但是这些系统的复杂性涉及在从微秒到几年的时间尺度上运行的各种机制之间的相互作用，目前的实验技术使用静态图像来表征溶解过程，这些图像以较长的测量时间和/或低空间分辨率获取，这限制阻碍了对具有空间非均质矿物学和形态的完整岩石中溶解反应如何进展的直接观察。研究人员利用嵌入薄岩石样品的微流体单元在大型观察窗口（3 mm 3 mm）中以显著的时间分辨率（100 ms）可视化溶解。研究人员将酸性流体[8%~86 %（质量百分比）的碳酸盐]注入8个页岩样品中，并对反应前和反应后的微观结构在孔隙（0.1 1μ.）和裂缝（1~1000μ~）的尺度上进行表征。研究人员观察到，非反应性颗粒暴露，裂缝形态和岩石强度损失都强烈依赖于反应颗粒的相对体积及其分布。岩石的时间分辨图像揭示了溶解的时空动力学，包括实时的两相流效应，并说明了整个成分范围内裂缝界面的变化。此外，动态数据为表征天然非均相样品的反应性参数提供了一种方法，当多孔介质效应不可忽略时。该平台和工作流程提供地球化学反应的实时表征，并为各种地下工程过程提供信息。
　　研究人员表示，该研究将促进碳捕获、利用与封存（CCUS）更为安全和稳定。未来，计划使用相同的平台来研究由石油生产、海水淡化厂或工业以及氢气的注入引发的地球化学反应。虽然地下储氢经常被认为是一个有前途的解决方案，以应对确保大规模安全储存高度易燃气体的艰巨而持久的挑战，但即使是中试规模的测试也需要更好地筛选工具以及对生物地球化学反应的理解。
　　转载本文请注明来源及作者：《地球科学动态监测快报》2022年第16期，刘文浩 编译。