Bergkärnor från östra Texas som innehåller sprickor. Kärnorna visar hur öppna sprickor kan ta emot cementavlagringar, som kan ge ledtrådar om sprickmiljön och processen. Kredit:Lander et al.
Frakturer finns överallt.
De är sprickorna i trottoaren. Sprickorna i vägavbrott. De spindelaktiga texturerna i tegel och stenblock. Och det är bara frakturerna som syns på ytan. Underjordiska, sprickor kan spridas genom stenar och skapa komplexa nätverk som sträcker sig över mil.
Att förstå hur sprickor bildas och var de finns är grundläggande frågor inom geovetenskap med viktiga implikationer för vardagen. Sprickor påverkar hur mycket olja och gas som kan flöda från en skifferlek. De kan kontrollera var grundvatten är rikligt eller svårt att komma åt, och om koldioxid som injiceras under jorden kommer att stanna kvar eller läcka tillbaka till atmosfären där den kan bidra till klimatförändringarna.
De flesta forskare har sökt svar på dessa frågor genom observationer under ytan och mekanikbaserad forskning. Men dessa tillvägagångssätt har inte lyckats svara på ens grundläggande frågor om frakturer i djupare, varmare miljöer. Att besvara dessa frågor är avgörande för att göra mer exakta förutsägelser av sprickmönster under ytan och bättre tekniska beslut.
En forskargrupp ledd av University of Texas i Austin utmanar det nuvarande vetenskapliga paradigmet genom att hävda att mekanik ensam inte är tillräckligt. För att göra framsteg inom frakturforskning, forskare måste börja överväga kemins roll.
Stephen Laubach, ledaren för fraktur- och diagenesprogrammet vid University of Texas vid Austin Jackson School of Geosciences Bureau of Economic Geology, står på en häll av sprucken sten i Grand Teton National Park. Utsprånget är en utmärkt analog för underjordiska gasreservoarer. Kredit:Ann Laubach
Forskarna publicerade en artikel i augusti 2019 i tidskriften Recensioner av geofysik att anta ett kemiskt perspektiv för att förstå hur sprickmönster utvecklas. Till exempel, nyligen publicerad forskning visar att mineraler som täcker insidan av sprickor kan registrera viktiga bevis om när och varför sprickor bildas. Kristallbeläggningarna kan också påverka själva sprickningsprocessen. Kemisk analys, experimenterande, modellering, och teori har potential att öka forskarnas förståelse för hur sprickmönster utvecklas vid olika geologiska tidsskalor, sa huvudförfattaren Stephen Laubach, en senior forskare vid UT Bureau of Economic Geology, en forskningsenhet vid Jackson School of Geosciences.
"De är heta stenar med het vätska i dem, så de är enormt kemiskt reaktiva miljöer, sa Laubach.
Laubach är ledare för fraktur- och diagenesprogrammet vid byrån och skrev tidningen tillsammans med 18 andra medarbetare. Uppsatsen bygger på idéer som diskuterades vid en workshop 2016 om kemin i utveckling av brottmönster sponsrad av Department of Energy Office of Basic Energy Sciences.
Från bergstoppar till milsdjupa klippformationer, sprickor är de vanligaste bergstrukturerna i många geologiska miljöer. Deras stora överflöd påverkar styrkan hos det omgivande berget och vätskeflödet. Dock, frakturernas ytliga enkelhet är också det som gör dem till ett så svårt problem att lösa. Med enbart mekanik och geometri, det är praktiskt taget omöjligt att reta ut de processer som drev uppkomsten av en fraktur kontra en annan. Kemi ger det nödvändiga sammanhanget för att göra dessa distinktioner.
"Med en enkel fraktur i öppningsläge, det kunde ha bildats av så många olika processer, " sa Laubach. "När du ser en fraktur i en bit av kärnan, du kan inte säga när det bildades eller varför det bildades, specifikt. Du har lite att gå på för att sluta dig till vad mönstren är borta från borrhålet."
Ett spricknätverk i Omanbergen. Kredit:Laubach et al.
I tidningen, författarna förklarar hur kemi kan erbjuda mer specificitet i de faktorer som formar frakturer, med forskningen inriktad på sprickor som bildas från 1-10 kilometer under ytan.
Sprickor i dessa miljöer innehåller ofta mineralavlagringar inuti dem. Eftersom olika mineraler bildas under specifika förhållanden, mineralbeläggningarna fungerar som ett register över bergmiljöer över tid. Mineralerna i sig kan också påverka både sprickningsprocessen och i vilken utsträckning vätska kan strömma genom spricknätverk.
Laubach sa att analys av frakturkemi redan har lett till viktiga upptäckter. Till exempel, byråforskning fann att ett spricknätverk i östra Texas har vuxit långsamt och stadigt i cirka 50 miljoner år - mycket längre än väntat. Och Jackson School of Geosciences alumn Abdulaziz Almansour (som tog en magisterexamen från skolans Energy and Earth Resources-program 2017) publicerade nyligen en artikel baserad på hans avhandlingsforskning som använder kemisk analys av värdberg för att framgångsrikt förutsäga hur sprickor kan antingen förbättra eller blockera oljeproduktion baserat på om de är tätade med mineralcement eller öppna och kan fungera som ledningar för kolväten.
Dock, trots den stora potentialen för kemi att belysa frakturbeteende, Laubach sa att ett kemiskt tillvägagångssätt fortfarande är ett relativt ovanligt perspektiv som kräver mer forskning över hela linjen.
"Vi misstänker att det förmodligen behövs en hel generation av observations- och experimentellt arbete, antingen med analoga material eller vid förhöjda temperaturer arbetar med kemiska reaktioner där reaktioner som utfällning sker, " sa han. "På 60-talet, det var ett mycket stort tryck på labbrelaterad frakturmekanik. Jag tror att vi förmodligen är på väg att ta en omgång till."
Giovanni Bertotti, en sprickforskare som inte var involverad i publiceringen och sektionschefen för Civil Engineering and Geosciences vid Delft University of Technology, kallade tidningen en "milstolpe" och sa att han förväntar sig att artikeln ska läsas av ett brett spektrum av människor inom både akademi och industri.
"Artikeln av Laubach et al. är en enastående översikt av nuvarande kunskap om dessa spricksystem och en inspirerande syn på framtida utmaningar, " han sa.
