Szolnoki homokkőben CO2 injektálás hatására lejátszódó kőzet-pórusfluidum kölcsönhatás geokémiai modellezése

A szén-dioxid (CO2) atmoszférikus részarányának növekedésében jelentős szerepe van az emberi tevékenységnek, hiszen koncentrációja az ipari forradalom óta a fosszilis tüzelőanyagok nagymértékű használata miatt 280 ppm-ről csaknem 400 ppm-re nőtt (IPCC, 2007). A CO2 üvegházgázként jelentős szerepet játszik a globális klímaváltozásban, ami korunk egyik legsürgetőbb környezeti problémájává nőtte ki magát, mert hatással van Földünk ökoszisztémáira, vízháztartására is. A globális klímaváltozás hatásainak mérséklése kulcsfontosságú kérdés a Föld jövőjére nézve és széleskörű nemzetközi összefogást igényel. Ezt felismerve az 1997-es Kyotói Jegyzőkönyv óta számos nemzetközi megállapodás született a CO2 kibocsátás mértékének csökkentésére. Ezek közé tartozik az Európai Unió 2009/31/EK irányelve is a CO2 geológiai tárolásáról, amelyet hazánk 2012 májusában ültetett át jogrendjébe (1993. évi XLVIII. törvény módosítása, illetve a 145/2012. (VII. 3.) Korm. rendelet). A globális probléma hosszú távú megoldása az energiaszektor gyökeres átalakítása és a megújuló energiaforrásokra való átállás lenne. Azonban az áttérés időszakára hatékony megoldás lehet az ipari folyamat során keletkezett szén-dioxid füstgázból való leválasztása, majd felszín alatti geológiai tárolókban való elhelyezése és megkötése (Carbon Capture and Storage - CCS). Nemzetközi gyakorlatban a szén-dioxid tárolására alkalmas négy fő földalatti tároló típus közül Magyarországon a mélyen fekvő sós vizet tartalmazó rétegek találhatók meg legnagyobb kiterjedésben. A 2001 óta tartó hazai kutatások során ezek közül a pannon Szolnoki Homokkő Formáció tűnt legalkalmasabbnak a CO2 elhelyezésére, mivel teljesíti a legtöbb, geológiai időskálán biztonságos, ökoszisztémára veszélytelen felszín alatti tárolókra megszabott kritériumot (Fancsik et al., 2007). A CO2 földalatti tárolásának hatékonyabbá tétele és a tárolás folyamata során bekövetkező geokémiai változások megismerése komoly kutatás-fejlesztési tevékenységet, számos vizsgálatot igényel. Jelenleg is folyik a Szolnoki Homokkő Formáció, valamint az Algyői Formáció tároló-, illetve fedőkőzetként értelmezett képződményeinek integrált petrográfiai, geokémiai és geofizikai vizsgálata, amelynek egy részterületét mutatja be TDK dolgozatunk, a Szolnoki Homokkő Formáció homokköveinek petrográfiai és reakcióképesség vizsgálatára fókuszálva. A dolgozatunk fő célja a CO2 elhelyezés szempontjából perspektivikus Szolnoki Homokkő Formáció ásványtani és geokémiai változásainak modellezése a rendszerhez hozzáadott szuperkritikus CO2 hatásának megismerése végett. A CO2 tárolás biztonságosságát és a tárolóba besajtolt CO2 hatására végbemenő geokémiai folyamatokat vizsgáló egyensúlyi, valamint kinetikus geokémiai modellek számára fontos bemeneti paramétert jelent a tároló kőzet ásványos összetétele és azok részaránya, ami lokálisan változhat, így minél pontosabb megismerése minden potenciális tároló kőzet esetében alapvető elem. Továbbá fontos ismernünk a pórusfluidum összetételét is, hiszen jelentős hatása lehet például a CO2 oldhatóságában (Duan & Li, 2002). Ezért célunk ezen paraméterek pontosabb megismerése is. A munkánk során tanulmányozott terület Szolnok környéke, ahonnan 3 db mélyfúrásból (Tószeg és Zagyvarékas településekről) származó, 7 db homokkő fúrómag ásványos összetétele, valamint a terület 10 km2-es környezetéből származó 64 db mélyfúrás vízadatai alapján vizsgáltuk a potenciális tároló kőzetben végbemenő kőzet-fluidum kölcsönhatást. Az adatok segítségével egyszerű geokémiai modelleket készítettünk, amelynek fő célja, hogy kezdeti becslést adjon egy esetleges CO2 tárolási projekt keretében történő, CO2 besajtolást követő geokémiai és ásványtani változásokra a tároló kőzetben. A tárolóban lezajló geokémiai és ásványtani folyamatok hatására a kőzet petrofizikai tulajdonságai is megváltoznak, ami például a porozitás és permeabilitás csökkenésével vagy növekedésével visszahathat a geokémiai mechanizmusokra. Dolgozatunk fő szempontja a geokémiai változások vizsgálata, így annak petrofizikai hatását jelen munka nem tárgyalja

Mihályi-Répcelak természetes CO2 felhalmozódási terület alsó pannon konglomerátum rezervoár kőzeteinek petrográfiai vizsgálata

A CO2 üvegházgázként jelentős szerepet játszik a globális klímaváltozásban, ami napjaink egyik legsürgetőbb környezeti problémájává nőtte ki magát, mivel hatással van a Föld ökoszisztémáira és vízháztartására is (IPCC, 2007). A szén-dioxid atmoszférikus részarányának növekedésében jelentős szerepe van az emberi tevékenységnek, hiszen koncentrációja a légkörben az ipari forradalom óta részben a fosszilis tüzelőanyagok nagymértékű használata miatt mára meghaladta a 400 ppm-et (NOAA/ESRL, 2016). A globális klímaváltozás hatásainak mérséklése kulcsfontosságú kérdés a Föld jövőjére nézve, és széleskörű nemzetközi összefogást igényel. Ennek következtében a CO2 emissziójának csökkentésére több nemzetközi egyezmény is született (pl. Kyotói jegyzőkönyv, 1997; 2009/31/EK Irányelv). A kibocsátás mérséklésének egyik átmeneti módszere lehet az ipari eredetű CO2 füstgázból történő leválasztása, majd felszín alatti geológiai tárolókban való elhelyezése és megkötése (Carbon Capture and Storage – CCS) (Arts et al., 2008). A tárolás folyamata során bekövetkező geokémiai változások megismeréséhez a CO2-kőzet-pórusfluidum alkotta rendszer pontos, szerteágazó vizsgálata szükséges. Ezen ismeretek az alapjai a CO2 föld alatti tárolásának biztonságossá és hatékonnyá tételének. A felszín alatti folyamatok megértésére több módszer is ismert, ilyenek a laboratóriumi kísérletek (pl.: De Silva et al., 2015), a geokémiai modell alapú megközelítések (pl.: Xu et al., 2003, Sendula és Forray, 2013, Sendula, 2015), valamint a CO2 természetes felhalmozódások vizsgálata (pl.: Worden, 2006, Király et al., 2016a). A természetes CO2 felhalmozódások olyan geológiai rendszerek, amelyekben a szén-dioxid természetes körülmények között van jelen. Az ezeken a területeken megfigyelt ásványtani és kőzettani tulajdonságokból következtetni lehet arra, hogy az ipari céllal létrehozott CO2 tárolókban milyen reakciók játszódhatnak le geológiai időskálán (Watson et al., 2004). Továbbá ezek alapján megismerhetők azok a természetes ásvány- és kőzettani feltételek, amelyek hozzájárultak a természetes tárolórendszer hosszú távú stabilitásához (Pearce et al., 2005, Holloway et al., 2007). A CO2 tároló kőzeteinek és fedőkőzeteinek petrográfiai tulajdonságával foglalkozó eddigi kutatások (pl.: Gauss et al., 2004, Moore et al., 2005, Worden et al., 2006, Zhou et al., Liu et al., 2011, Zhou et al., 2014, Király et al., 2016a/b) a következő eredményeket adták. A CO2 rendszerbe kerülése előtt dinamikus egyensúly feltételezhető a kőzet és a pórusfluidum között, amely a CO2 beáramlás hatására megbomlik. Ahhoz, hogy a rendszer ismét egyensúlyba kerüljön különböző geokémiai folyamatoknak kell lejátszódnia. A CO2 oldódásának hatására a pórusfluidum pH-ja csökken, a savas pH hatására először a karbonát-ásványok (pl.: kalcit, dolomit), majd a szilikátásványok (pl.: K-földpát, plagioklász) oldódnak be. Az oldódási folyamatok során a túltelített pórusfluidumból megkezdődik az ásványkiválás, és például ankerit, kaolinit és dawsonit képződhet (Hellevang et al., 2005, De Silva et al., 2015). A CO2 hatására ásványos átalakulások mindaddig folytatódnak, amíg a CO2-kőzet-pórusfluidum alkotta rendszer ismét dinamikus egyensúlyba nem kerül. Számos geokémiai modellezés alapján (Xu et al., 2003, Sendula, 2015) elmondható, hogy a dawsonit megjelenése egyértelműen a CO2 hatására megy végbe. Így azok az ásványok, amelyek a dawsonittal egy időben, vagy azt követően jelennek meg, valószínűsíthetően a CO2 hatására váltak ki (Worden et al., 2006). A természetben lejátszódó folyamatok azonban összetettebbek, így a végbemenő folyamatokat az egyes területek sajátos paraméterei befolyásolhatják. TDK munkám során célom volt az eddig a szakirodalom által vizsgált homokkő rezervoárokkal szemben más litológiájú – ez esetben konglomerátum - CO2 tárolók kőzettani és ásványtani vizsgálata. Célom volt továbbá az eredményeimet összevetni az azonos területen történt eddigi kutatások eredményeivel, ezáltal részletesebb rálátást kapni a CO2 hatásainak kőzettani összefüggésére

Origin of dawsonite-forming fluids in the Mihályi-Répcelak field (Pannonian Basin) using stable H, C and O isotope compositions: implication for mineral storage of carbon-dioxide

Natural CO2 reservoirs provide an opportunity to study long-term fluid-rock interactions, which are essential to reassure the safety of mineral storage of carbon-dioxide. The Mihályi-Répcelak field (Pannonian Basin, Central Europe) is one of the largest natural CO2-bearing reservoirs in Europe (25 Mt). The CO2 was trapped in Neogene sandstones, which contain various carbonate minerals (dolomite, ankerite, siderite, dawsonite). To reveal the origin of the parent fluid, from which these minerals precipitated, dawsonite and siderite were separated by a new physical method to minimise the uncertainties in the analysis of their stable isotope composition. The δ13CDaw values range from +1.3‰ to +1.6‰ and the calculated δ13CCO2 values in equilibrium with dawsonite (−4.8‰ - –2.0‰) overlap with the carbon isotope compositions of the local CO2 and the European Subcontinental Lithospheric Mantle (−3.9‰ - –2.1‰). This indicates that the dawsonite-forming CO2 had a magmatic origin. The siderite data indicates that some formed from the magmatic CO2, possibly simultaneously with dawsonite (−6.0‰ - –3.9‰), whereas the rest (−8.4‰ - –6.1‰) formed either from a fractionated CO2 with magmatic origin or before the CO2 invasion. The hydrogen isotope composition of structural OH− of dawsonite (−57‰ to −74‰) was determined and was used to estimate the origin of the interacting porewater. The calculated porewater data (δD: −69‰ - –103‰ and δ18O: −1.4‰ - +4.7‰) indicate that the parent fluid was meteoric water modified by water-rock interaction. Our data allows estimation of the total amount of CO2 stored in the dawsonite-bearing sandstone reservoir to be 25 kg/m3, well in line with previous modelling works, which gives a total of 2.01 × 106 t of CO2, higher than previous estimates. We suggest that individual mineral analysis complemented by hydrogen isotope analysis is to be employed to effectively trace in-reservoir fluid-rock interactions in CO2 reservoirs and provide valuable input data for geochemical modelling for better predicting conditions for mineral storage of CO2