دور الأشكال الجيولوجية في أمن تخزين الكربون في الأجل الطويل

الدور الحاسم للتشكيلات الجيولوجية في تخزين الكربون في المنطقة الطويلة الأجل

ونظراً لأن المجتمع العالمي يكثف الجهود الرامية إلى التخفيف من تغير المناخ، فإن احتجاز الكربون وتخزينه قد برز كتكنولوجيا ضرورية لسحب ثاني أكسيد الكربون من المصادر الصناعية أو مباشرة من الهواء، فإن النجاح النهائي في عملية التنقيب عن ثاني أكسيد الكربون يتوقف على عامل واحد: حيث يخزن ثاني أكسيد الكربون وما إذا كان سيبقى محتوياً على كميات من الكربون لمدة قرون أو آلاف السنين.

ما هي الأشكال الجيولوجية لخزن الكربون؟

(أ) التكوينات الجيولوجية هي ثلاث أجسام صخرية ذات خصائص مادية وكيميائية محددة، وبالنسبة لتخزين الكربون، نسعى إلى تشكيلات يمكن أن تقبل ثاني أكسيد الكربون المغمور بالحقن (الحالة الكثيفة والسائلة التي تصل إلى أعمق من 800 متر) وتقتصر على النطاقات الزمنية الجيولوجية، وتشمل العناصر الرئيسية لأي نظام تخزين هذه المادة أكبر من حيث الحرارة (أ)

البيئة دون السطحية

إنّ درجات الحرارة ترتفع بشكل مطرد بعمق (التدرج الحراري)، بينما ترتفع الضغط بسبب وزن الصخور والسوائل المفرطة، حيث تُملأ الأعماق أكثر من 800 متر تقريباً، انتقال ثاني أكسيد الكربون من غاز إلى سوائل خارقة كثيفة، وتتسبب هذه المرحلة الفلكية في كثافة السيولة (تُسبّب في الأغلب 500 إلى 800 كغم/م3)

أنواع النماذج الجيولوجية المستخدمة في تخزين ثاني أكسيد الكربون

ولا تكون جميع الصخور مناسبة، فقد تم تحديد ثلاثة صفوف للتخزين الأولي ويجري تقييمها أو استخدامها بصورة نشطة في المشاريع في جميع أنحاء العالم، ولكل نوع مزايا خاصة ومتطلبات محددة للفرز.

حقول النفط والغاز المستنفدة

هذه هي أكثر خيارات التخزين نضجاً، مستفيدة من عقود من الاستكشاف والإنتاج والبيانات الجيولوجية، الهياكل الجيولوجية التي كانت تحاصر الهيدروكربونات لملايين السنين من الأنفاق، والأفخاخ المُغلفة، والأفخاخ المُثبتة بالأشعة تحتية، في مخزن مستنفد، قد تُعاد آبار وهياكل أساسية قائمة، إلى الإحراق والرصد، مما يُحدّد من ضغط الإنتاج.

خط خط خط العنق العميق

(ب) إن مستودعات المياه الجوفية هي أكبر مورد محتمل للتخزين على الصعيد العالمي، مع تقديرات من الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ (الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ) ، تشير إلى أنها يمكن أن تحتفظ بآلاف من جيغاتون ثاني أكسيد الكربون، وهذه طبقات صخرية ملونة وغير قابلة للاستمرار، وهي توفر قدرة تخزين ضخمة، ومع ذلك فهي تفتقر إلى الهياكل المائية الطبيعية.

بحار الفحم غير القابلة للحرق

أما بحار الفحم التي تكون عميقة جداً أو نحيفة جداً بالنسبة للألغام الاقتصادية فيمكنها تخزين ثاني أكسيد الكربون من خلال عملية تسمى الامتصاص، حيث توجد مساحة سطحية داخلية مرتفعة، وتُدرج جزيئات ثاني أكسيد الكربون في مصفوفة الفحم، وتطلق الميثان (CH4) الذي هو بطبيعة الحال عملية معروفة باسترداد الميثان المحسن للفحمة (ECBM).

المعايير الجيولوجية الرئيسية لضمان تخزين الكربون

ويتطلب اختيار موقع تخزين آمن تحديد خصائص دقيقة لعدة خصائص مترابطة، ويجري تقييم المعايير التالية من خلال الدراسات الاستقصائية الجيوفيزيائية (الزلزال والجاذبية والكهرباء) وقطع الأخشاب بشكل جيد والتحليل الأساسي واختبارات نقل الضغط.

Cap Rock Seal Integrity

الصخرة الكبسولة (التي غالباً ما تكون مطحنة أو ملح أو حجرة ضيقة) يجب أن تكون منخفضة جداً بشكل متكرر في نطاق الدار إلى النادر لمنع ثاني أكسيد الكربون من الهجرة إلى الأعلى من خلال الختم، وضغط دخول الكبسولة يجب أن يتجاوز ازدهار عمود ثاني أكسيد الكربون لمنع التسرب من خلال الحنجرة

القدرة على تخزين وخزن

والثروة هي جزء من حجم الصخور الذي يتألف من مساحة شاسعة، وبالنسبة لتخزين ثاني أكسيد الكربون، فإن السخرية الفعالة (المسامات المرتبطة التي تسمح بالتدفق السائل) أمر حاسم، حيث أن أحجار الصخرة النموذجية تحتوي على مواهب تتراوح بين 10 و30 في المائة، وتترجم السمات العالية للخصائص مباشرة إلى قدر أكبر من التخزين، ويقدر أن القدرة على التخزين تستخدم الحجم المكثف الذي تضاعفه ظروف التشريد غير القابلة للكهربة في المستقبل.

القابلية للتأثر والحقن

ويحكم القابلية للاشتعال مدى سهولة تدفق ثاني أكسيد الكربون عبر الصخرة، إذ إن قابلية الارتحال الكافية )نحو ١٠٠ ميلدار إلى عدة درعات( ضرورية لتحقيق معدلات الحقن الاقتصادي دون أن يتطلب كسراً يمكن أن يضر بالختم، غير أن ارتفاع القدرة على التحمل يمكن أن يؤدي إلى هجرة جانبية غير خاضعة للمراقبة، مما يجعل إدارة السباكة أمراً صعباً.

النشاط الجيوكيميائي

ويمكن أن يُحلّ ثاني أكسيد الكربون في شكل حمض الكربون، ويخفض الهيدروجيني ويبدأ تفاعلات كيميائية مع المعادن الخزانية، وفي الصخور المسيلية (الجرعات) يمكن أن يُحلّ هذا النوع من المواد الخامية والجزرية، بينما في الصخور الكربونية (الحجر السائل، والثدييات) يمكن أن يُحلّ أيضاً مصفوفة الكربون.

آليات التعقب: كيف يتم احتجاز ثاني أكسيد الكربون تحت الأرض

ويعتمد أمن التخزين الجيولوجي على هيكل هرمي لآليات التخزين التي تزيد من الدوام بمرور الوقت، ويعتبر فهم هذه الآليات أمرا أساسيا لتقييم المخاطر ورصدها.

تخطيط الهياكل الأساسية والرسوم البيانية

وبعد الحقن مباشرة، يرتفع عمود ثاني أكسيد الكربون المزدهر إلى أن يصطدم بالصخرة الكبسولة، ثم يُحاصر [(FLT:0])] في الفيزيائي تحت الختم، كما هو الحال بالنسبة للكمية الهيدروكربونية المحاصرة، وهذه الآلية المهيمنة خلال مرحلة الحقن، وبعد ذلك بعقود عديدة.

التعقب

وكم يهاجر العمود الثاني من خلال الخزان يترك جزء منه خلفه كسلف معزولة محصورة في أماكن شاسعة من قبل قوات الكابينات، وهذا مماثل لتشبع النفط المتبقي بعد نهب المياه في خزانات النفط، وتعتمد الترسبات المميتة على ما يصل إلى 20 إلى 30 في المائة من إجمالي ثاني أكسيد الكربون، وتتحقق الكفاءة على مدى عقود.

تعقب

ويحل ثاني أكسيد الكربون إلى ذروة التكوين بمرور الوقت، ويتأثر معدل التفكك بمجال الاتصال بين عمود ثاني أكسيد الكربون والرشوة، ومعامل الانتشار، ووجود التوابل الطبيعية )التدفقات التي تحركها الكثافة( كما أن هناك كثافة ضئيلة من مصارف الأمواج المزروعة ثاني أكسيد الكربون، مما يؤدي إلى اتصال مع السباك، مما يؤدي إلى تباطؤ في التسرب)٢(.

التعدين

وعلى امتداد فترات زمنية طويلة جداً (مئات إلى آلاف السنين)، يمكن أن تهيأ تفاعلات حمض الكربون مع المعادن السليفة معاً من قبيل الكوكتيلات أو الدوميت أو الطرفية، كما أن التخزين المغنطيسية هو أكثر أشكال التخزين الدائمة، ولكنه بطيء جداً، ويتوقف المعدل على التكوين المعدني للمستودعات: الفك والفولط المكتوم(2).

مزايا الأشكال الجيولوجية لخزن الكربون

وعلى الرغم من التعقيد، فإن التكوينات الجيولوجية توفر مزايا متميزة تجعلها أكثر الخيارات الممكنة للتخزين على نطاق واسع اليوم.

• Vast global capacity:] The estimated storage capacity in deep saline layers alone far exceeds the volume of CO2 expected to be captured this century, according to the ] International Energy Agency (IEA).
• Natural containment:] Formations that have held oil, gas, or brine for millions of years have proven sealing capacity. When properly selected, they offer a level of security that engineered surface storage cannot match.
• Leverage existing infrastructure:] Depleted oil and gas fields already have wells, pipelines, and seismic data. Repurposing these assets significantly reduces the cost of storage.
• Long-term stability:] Physical and chemical trapping mechanisms increase over time. The risk of leakage is highest during injection and declines as dissolution and residual trapping immobilize the CO2. After a few century, most of the injected CO2 is securely trapped.
• Minimal surface footprint:] Injection wells and monitoring equipment occupy a small area relative to the volume stored. This allows storage to proceed in populated regions without large-scale surface disruption.

التحديات والتخفيف من المخاطر

فالتخزين الجيولوجي ليس بدون مخاطر، إذ يجب التصدي للقبول العام والوضوح التنظيمي وعدم اليقين التقني، كما أن التحديات الرئيسية والاستراتيجيات المستخدمة في إدارتها هي الأخرى.

الكائنات الحية المُستحثة

إن حقن كميات كبيرة من السوائل في المنطقة الفرعية يمكن أن يغير الضغط والإجهاد، وربما إعادة تنشيط الأخطاء السابقة، في حين أن حجم الزلازل المستحثة من حقن ثاني أكسيد الكربون يتوقع عموماً أن يكون صغيراً (M < 4) يمكن أن يثير قلقاً عاماً وسلامة الفقمة من حيث الضرر، ويشمل التخفيف من حدة الآثار السادية التي تحدث قبل الحقن من أجل رسم خرائط للأخطاء، مما ينشئ حداً أقصى للضغط المسموح به (الواقع)

مسارات القمامة

ويمكن أن تحدث التسربات عن طريق الصخور القبعة المهددة، أو عن طريق الآبار المهجورة غير المغلقة بشكل غير سليم، أو عن طريق الانتقال الأفقي إلى طبقات المياه الجوفية الضحلة، وأكثر الطرق احتمالاً هي آبار الإرث، التي قد تكون قد أبطلت الغلف أو سندات الغاز الصخرية الفقيرة، كما أن تحديد المواقع الآلية التي تتضمن مراجعة جيدة لتحديد وإصلاح الآبار التي يمكن تسريب فيها.

الأطر التنظيمية والقانونية

وهناك بلدان كثيرة تفتقر إلى أنظمة شاملة لتخزين ثاني أكسيد الكربون الدائم، وقد تكون المسؤولية عن التسرب الطويل الأجل، وملكية الفضاء، والضمان المالي للرصد بعد إغلاقه، مسائل جارية، وقد حدد توجيه الاتحاد الأوروبي بشأن احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتعديلات بروتوكول لندن أطرا، ولكن التبني غير متكافئ، ففي الولايات المتحدة، فإن قواعد النظام الأساسي لإدارة البيئة تحكم الحقن، ولكنها لا تتناول نقل المسؤولية على المدى الطويل.

التكلفة والقابلية للرؤية الاقتصادية

ورغم المزايا، فإن التخزين الجيولوجي ليس مجانيا، وتشمل التكاليف تحديد خصائص الموقع، وحفر آبار الحقن، ومعدات الضغط، والرصد، والإدارة الطويلة الأجل، وتبعا للمشروع، تتراوح تكاليف التخزين بين 10 و50 دولارا للطن الواحد من ثاني أكسيد الكربون، وكثيرا ما تكون هذه التكاليف أكبر عنصر من عناصر مشروع احتجاز ثاني أكسيد الكربون، كما أن السياسات مثل الائتمان الضريبي للولايات المتحدة 45Q (يجري حاليا تحسينه 85/ طن من أجل الاسترداد المكرس للتخزين).

رصد تكنولوجيات التأمين الطويل الأجل

والتحقق من أن ثاني أكسيد الكربون لا يزال متضمناً ضروري للامتثال التنظيمي والثقة العامة، ويُستخدم نهج متعدد المستويات للرصد.

رصد الثغرات

ويمكن أن تقيس أدوات قطع الأشجار بواسطة الألياف الضغط ودرجات الحرارة والتكوين السوائل في منطقة الحقن وفوق الصخور الكبسولة، وفي منشآت الرصد الدائمة، توفر أجهزة الاستشعار الضوئية الموزعة للألياف بيانات مستمرة عن سلوك السباكة وسلامتها، ويمكن تحليل عينات السوائل المنخفضة للأجهزة التي تشير إلى هجرة ثاني أكسيد الكربون.

التصوير الجيوفيزيائي

ويمكن أن تلتقط الدراسات الاستقصائية الزلزالية المتكررة (التوقف الزمني أو الزلزالية من نوع 4 دال) صمام ثاني أكسيد الكربون أثناء انتقاله من الخزان لأن وجود ثاني أكسيد الكربون يغيّر السرعة والازدحام السيزميين، وقد أظهر مشروع قياس المداخن في بحر الشمال أن الصمامات يمكن تصويرها بوضوح حتى في طبقة مياه جوفية معقدة.

رصد الأجسام القريبة من السطح والغلاف الجوي

وعلى السطح، يمكن أن تقيس برج التفريغ الطبي وغرف التذبذب في التربة ومطياف الليزر المرتجلة بالأشعة تحت الحمراء تركيزات ثاني أكسيد الكربون، غير أن تقلب المعلومات الأساسية من مصادر الطاقة الأحيائية يجعل الكشف عن التسربات الصغيرة أمراً صعباً، ويمكن أن تُحقن غازات السرطان (مثل مركبات الكربون البيرفلورية) بواسطة ثاني أكسيد الكربون من أجل كشف بصمة واضحة.

دراسة حالة: سليبنر - مشروع تخزين أطول أجل

منذ عام 1996، حقن (سيليبنر) في بحر الشمال النرويجي (ثاني أكسيد الكربون) الذي تم أسره من إنتاج الغاز الطبيعي إلى طبقة مياه (أوتسيرا ساند) وهي تشكيلة ملوحة تقع على بعد حوالي 000 1 متر أسفل قاع البحر، وقد تم حقن أكثر من مليون طن سنوياً دون أي تسرب مكتشف، وكان المشروع بمثابة سرير اختباري رئيسي لتقنيات الرصد.

المستقبل: الابتكارات في مجال أمن التخزين

بالإضافة إلى ذلك، فإن البحث يوسع نطاق التخزين الآمن، ويجري نشر المعلومات الاستخبارية ذات الأهمية الفائقة من أجل تحقيق الحد الأمثل من التنسيب وإدارة الضغط، كما أن النماذج الجيوكيميائية المتقدمة تحسن التنبؤات المتعلقة بمعدلات التنقيب عن المعادن، وهناك اهتمام متزايد بتخزين المواد الكيميائية () في الصخور ذات الكثافة العالية والكثافة العالية، ولا سيما في تشكيلات الأحجار الكريمة في كولومبيا.

خاتمة

فالتشكيلات الجيولوجية هي حجر الزاوية في أمن تخزين الكربون في الأجل الطويل، إذ أن خصائصها المتأصلة - الازدهار، والقابلية للاستمرار، والنزاهة في الصخور، والتفاعل الجيوكيميائي - يحدد ما إذا كان ثاني أكسيد الكربون المخزن سيظل محجوباً أو مهرباً، وقد وضعت الصناعة بروتوكولات صارمة لتحديد خصائص الموقع، وآليات متعددة للرصد، وتكنولوجيات متطورة للرصد لضمان إدارة المخاطر، ولا سيما في مجال خفض التكاليف والنضج التنظيمي.