KörnyezetföldtanMi történik a szén-dioxiddal a felszín alatt?

Napjaink egyik legjelentősebb környezeti problémája a globális éghajlatváltozás, melynek hatásai közül talán a legismertebb, hogy a sarkokon olvad a jég. A klímaváltozás azonban nem csak a „jeges” területeken érezhető, hanem mi is viseljük következményeit a mindennapokban; az egyre hosszabban tartó aszályos időszakokat vagy az egyre intenzívebb viharokat. A globális klímaváltozás egyik fő okozója az ipari forradalom óta megnövekedett légköri szén-dioxid mennyiség (~400 ppm, NOAA/ESRL, 2015), amely főleg a fosszilis tüzelőanyagok nagymértékű használatának következménye. Az üvegházgázok...

Napjaink egyik legjelentősebb környezeti problémája a globális éghajlatváltozás, melynek hatásai közül talán a legismertebb, hogy a sarkokon olvad a jég. A klímaváltozás azonban nem csak a „jeges” területeken érezhető, hanem mi is viseljük következményeit a mindennapokban; az egyre hosszabban tartó aszályos időszakokat vagy az egyre intenzívebb viharokat.

A globális klímaváltozás egyik fő okozója az ipari forradalom óta megnövekedett légköri szén-dioxid mennyiség (~400 ppm, NOAA/ESRL, 2015), amely főleg a fosszilis tüzelőanyagok nagymértékű használatának következménye. Az üvegházgázok kibocsátása által kiváltott hatások mérséklése kulcsfontosságú kérdés a Föld jövőjére nézve, ezért ez széleskörű nemzetközi összefogást igényel. A CO2 emisszió csökkentésére több nemzetközi egyezmény is született (pl. Kiotói jegyzőkönyv (1979), 2009/31/EK Irányelv, illetve a Párizsi egyezmény (2017)), mindezek mellett számos, a CO2-kibocsátást mérséklő technológiai fejlesztés indult meg. A legismertebb ilyen tevékenység a megújuló energiaforrások használatának elterjedése, illetve az energiahatékonyság folyamatos javítása. Azonban ezek a folyamatok jelen pillanatban még nem csökkentik kellő mértékben az ipari pontforrások CO2-kibocsátását, így átmeneti megoldások után kell nézni.

Geológiai tárolók

Egyik ilyen átmeneti megoldás a kibocsátás mérséklésére az ipari eredetű CO2 geológiai tárolókba történő elhelyezése (Arts et al., 2008), azaz CCS-technológia (CO2 Capture and Storage) alkalmazása. A CCS-technológia során a szén-dioxidot egy ipari/energetikai pontforrásnál (pl. cementgyár) leválasztják, majd ezt követően az előre kiválasztott geológiai tárolóba juttatják. A besajtolt CO2 viselkedését folyamatosan ellenőrzik, hogy szükség esetén azonnal megakadályozzák a felszínre való esetleges kiáramlását. A CCS előnye, hogy nem kell új eszközöket fejleszteni a CO2 leválasztásához, szállításához, vagy besajtoláshoz, mivel ezek már az 1950-es évek óta ismertek, hiszen a szénhidrogén-telepek kitermelését esetenként CO2 besajtolásával serkentik. Ebből adódik, hogy a CO2 geológiai tárolása során az egyik legkritikusabb elem a biztonságos tárolás, vagyis a megfelelő tárolórendszerek kiválasztása, hiszen nem mindegyik geológiai képződmény felel meg erre a célra. Kiemelten fontos, hogy ismerjük és képesek legyünk előre jelezni a CO2 besajtolása következtében lejátszódó felszín alatti folyamatokat, és pontosan nyomon tudjuk azokat követni. E témakört többféle megközelítésből is lehet vizsgálni: 1/ laboratóriumi kísérleti (pl. Berta et al., 2011); 2/ geokémiai modell alapú megközelítés (pl. Szabó et al., 2016); és 3/ természetes CO2-felhalmozódások (pl. Király et al., 2016) tanulmányozása. A természetes CO2 előfordulások olyan területek, ahol a gáz már hosszú távon (akár több millió éve) szivárgásmentesen van jelen egy-egy geológiai képződményben. Ilyen természetes előfordulások nagy számban ismertek a Földön, köztük hazánkban is.

Pásztázó elektronmikroszkóp szekunder elektronképei:

A) Kvarc-dawsonit összenövekedés

 

B) Kvarc továbbnövekedés, dawsonit és ankerit összenövekedése, melyek alapján ezek az ásványok egy időben keletkeztek.

Természetesen a föld alatt

Magyarország egyik legnagyobb és legjobban ismert természetes CO2 előfordulása Mihályi és Répcelak települések között, a Kisalföld területén található. Ez a felhalmozódási terület az 1930-as évek óta ismert és jelenleg is zajlik a CO2 termelése, csaknem 26 telepből a Linde Gáz Zrt. jóvoltából. A kitermelt szén-dioxidot többek között élelmiszeripari célokra használják fel. A terület a tudomány számára is kiemelkedő. Az itt zajló vizsgálatoknak egyik kulcskérdése a CO2 eredete, amely kutatása egészen a 80-as évekig nyúlik vissza (Cornidez et al., 1986). A legújabb kutatások alapján a CO2 a Föld köpenyéből származik, ami egy nagy szerkezeti törés (Rába-vonal) mentén áramlik Mihályi-Répcelak területére (Palcsu et al., 2014). Mihályi-Répcelak területén a CO2 a homokkőben csapdázódott, amelynek finomszemcsés agyagos összetételű fedőkőzete megakadályozza felszín felé történő áramlását. Ez a rétegsor kb. 10 millió éve rakódott le az észak-nyugati irányból érkező folyóvízi üledékek által. Ennek az egymásra települő üledéksornak az egyik érdekessége, hogy a homokkő- és agyagrétegek folyamatosan váltakoznak, így a CO2-telepek nemcsak egy mélységben alakulhattak ki egymás mellett, hanem egymás felett is több telep található. Egyes fúrások akár 5-6 egymás felett elhelyezkedő telepet is érinthetnek. A legújabb elméletek szerint a területen a CO2 csaknem 4 millió éve jelent meg jelentősebb mennyiségben, és azóta úgynevezett felszín alatti rezervoárokban található meg. Megfelelő kutatási terület arra, hogy vizsgálatával megismerhessük és megérthessük a szén-dioxid hatására hosszú távon (akár több ezer év alatt) lejátszódó folyamatokat, illetve megfigyelhetjük a gáz csapdázódási módjait a homokkőben.

Csapdában

A csapdázódás legjellemzőbb módja amikor a szén-dioxid szabad gázfázisként van jelen a kőzetet alkotó szemcsék közti pórusokban. A szabad gázfázisban jelen levő CO2 mennyiségét a telepek feltárásánál megbecsülték, hiszen ez a paraméter fontos mutatója a kitermelhető gáz mennyiségének, és ráadásul közvetlenül mérhető. Egy másik jellemző csapdázódási mód az oldódásos csapdázódás. Ennek mértéke geológiai időskálán nehezen becsülhető, hiszen a felszín alatti vízáramlások és a víz kémiai összetétele folyamatosan változik, amelyek befolyásolják a CO2 oldódásának mértékét. A szén-dioxid csapdázódásának legstabilabb módja, ha beépül a rezervoárban képződő ásványok szerkezetébe. Ez a folyamat elsősorban a karbonát ásványok kiválása során valósulhat meg. Ezért a következőkben a Mihályi-Répcelakról származó homokkövek karbonát ásványainak vizsgálati eredményeit mutatjuk be. A legújabb kutatások alapján a CO2 által kiváltott ásványképződési reakciók egyik fő bizonyítéka lehet a dawsonit nevezetű karbonátásvány megjelenése, amelyet minden esetben szén-dioxid hatására keletkező új ásványfázisnak tartanak. A dawsonit nátrium-alumínium tartalmú karbonát, ami a szerkezetében vizet (OH–t) is megköt. Az ásvány kiválásának legfőbb korlátozó tényezője az alumínium lehet. Ezt a dawsonit leginkább a lebomló alumíniumtartalmú szilikátok (pl. albit: NaAlSi3O8) oldódásából építheti be szerkezetébe. Mivel ezek a szilikátásványok szilíciumot is tartalmaznak, így a dawsonit keletkezésével egy időben SiO2 is képződik, ami a legtöbbször a meglévő kvarc (SiO2) ásványokra kristályosodik rá továbbnövekedésként. A Mihályi-Répcelak területéről származó minták vizsgálata során kiderült, hogy a dawsonittal egy időben ankerit is képződött, amely egy vas-, magnéziumés kalciumtartalmú karbonátásvány. Ez az ásvány azonban nem csak a dawsonittal egy időben képződött, hanem már korábban is jelen lehetett a kőzetben. A fentiek mellett további karbonátásványok is jelen vannak a rendszerben, mint kalcit (CaCO3), dolomit (CaMg(CO3)2) és sziderit (FeCO3). A dolomit esetében, szöveti helyzete alapján feltételezhetjük, hogy a medencét feltöltő folyók által behordott, a lepusztuló kiemelkedésekből származó ásvány, amely a homok kőzetté válása során változó mértékben oldódott és köré ankerit vált ki, majd a CO2 hatására képződött ankerit a már meglévőre (korai ankerit) kristályosodott ki. A kalcit egyrészt szintén behordódhatott az üledékes medencébe, másrészt a kőzetté válás során is képződhetett (elsődleges cementanyagként). Feltételezésünk szerint a nagy mennyiségben, hirtelen megjelenő CO2 hatására, amely markánsan megváltoztathatta a pórusfluidum pH-ját közel semlegesről savassá, a kalcit nagy része beoldódhatott a pórusvízbe. Egyes minták alapján azonban a kalcit a dawsonittal egy időben is képződhetett. A sziderit, amely egy vastartalmú karbonát, finomszemcsés ásványként jelenik meg Mihályi-Répcelak területén. Általában a pórusokban (szabad terekben) helyezkedik el, az ásvány képződési ideje azonban bizonytalan. Jelenlegi ismereteink alapján nem kizárt, hogy a CO2 hatására képződött, de az sem, hogy már a gáz beáramlása előtt kialakult.

Fúrómag

Megkötött tonnák

Összeségében a Mihályi-Répcelak területről származó fúrómagok részletes vizsgálata során szerzett tapasztalatok alapján a következő megállapítást tehetjük: A szén-dioxidot a dawsonit, az ankerit egy része, illetve a kalcit kis része is csapdázta szerkezetében. Hogy ez mennyi szén-dioxidot is jelent körülbelül egy telep esetében, egy egyszerű megközelítéssel a következőkben demonstráljuk:  Tegyük fel, hogy a kőzet porozitása 10%, azaz a teljes kőzet ásványai a térfogat 90%-át adják. Ebben az esetben a kőzet tömege 2,4 tonna, ha az ásványok átlagos sűrűségét 2,7 g/cm3-nek vesszük és 1 köbméter kőzetet nézünk. Az összes ásvány 16%-a dawsonit, ebből következik, hogy a dawsonit tömege 0,4 tonna. Képletükből adódóan 1 mól dawsonit (NaAlCO3(OH)2) 1 mól CO2-t köt meg. Ahhoz, hogy tudjuk, hogy hány mól szén-dioxidot köt meg a 0,4 tonna dawsonit, elsőként meg kell határoznunk, hogy hány mól dawsonit van ebben a tömegben. Egy mól dawsonit a képlete alapján 143,98 gramm. Ebből következik, hogy 0,4 tonnában 2,7.103 mól dawsonit van, ami azt jelenti, hogy 2,7.103 mólnyi CO2-t kötött meg a dawsonit. Azaz 0,12 tonna CO2 kötődött meg, ha a CO2 tömegét visszaszámoljuk a moláris tömege alapján (44,01 gramm/mól). Mihályi-Répcelak esetében, abban a kőzetben, amiben a dawsonit tartalma 16%, ott a CO2 ásványos csapdázódás mértéke nagyobb, mint 0,12 tonna/köbméter, mivel a fentiek alapján további karbonátásványok is megköthetik a szén-dioxidot. Ha ezt egy egész telepre kiterjesztjük, melynek térfogata nagyságrendileg 109 köbméter, akkor látható, hogy több millió év alatt több mint 1,2.108 tonna CO2 kötődhet meg az ásványok szerkezetében. Csak összehasonlításképp, Magyarország iparból származó CO2 kibocsátása évente 2,1.107 tonna a KSH 2015-ös adatai alapján.

Az első kutatófúrás a területen

Köszönetnyilvánítás
A munka nem jöhetett volna létre az OTKA (projekt száma: K 128120) és az Emberi Erőforrások Minisztériuma ÚNKP-17-2 kódszámú Új Nemzeti Kiválóság Programjának támogatása nélkül.

Cseresznyés Dóra Király Csilla Forray Viktória Falus György Szabó Csaba


IRODALOM

Nyitókép: Pásztázó elektron mikroszkóp szekunder elektronképei. A) Kvarc-dawsonit összenövekedés. B) Kvarc tovább növekedés, dawsonit és ankerit összenövekedése, melyek alapján ezek az ásványok egy időben keletkeztek.

Arts, R., Beaubien, S., Benedictus, T., Czernichowski-Lauriol, I., Fabriol, H., Gastine, M., Gundogan, O., Kirby, G., Lombardi, S., May, F., Pearce, J., Persoglia, S., Remmelts, G., Riley, N., Sohrabi, M., Stead, R., Vercelli, S. & Vizika-Kavvadias, O. 2008. Fordította: Hartai, É., 2009. Mit jelent valójában a CO2 geológiai tárolása? CO2GeoNet, 3-19.

Berta, M., Király, Cs., Falus, Gy., Juhász, Gy. & Szabó, Cs. 2011. Preliminary physical and geochemical study on a sedimentary rock series of the Pannonian Basin for CCS (Hungary). Energy Procedia 4, 4719-4723.

Cornidez I., Takaoka N., Nagao K. & Matsuo S. 1986. Contribution of mantle-derived gases to subsurface gases in a tectonically quiscent area, the Carpathian Basin. Hungary, revealed by noble gas measurements. Geochemical Journal 20, 119-125.

Király, Cs., Sendula, E., Szamosfalvi, Á., Káldos, R., Kónya, P., Kovács, I.J., Füri, J., Bendő, Zs. & Falus, Gy. 2016b. The relevance of dawsonite precipitation in CO2 sequestration in the Mihályi-Répcelak area, NW Hungary. In: Armitage, P. J., Butcher, A. R., Churchill, J. M., Csoma, A. E., Hollis, C., Lander, R. H., Omma, J. E. & Worden, R. H. 122 (eds) Reservoir Quality of Clastic and Carbonate Rocks: Analysis, Modelling and Prediction. Geological Society, London, Special Publications, 435. http://doi.org/10.1144/SP435.15.

Mészáros L., Dallos E., Vágó L., Czupi J., Paulik D., Darabos A., Marton T., Simán Gy. & Ferenczy Z. 1979. A Mihályi kutatási terület lehatároló fázisú zárójelentése, a szén-dioxid- és a „nem éghető” kevert gáztelepek vagyonszámítása. – Országos Kőolajipari Tröszt, 116.

Palcsu, L., Vető, I., Futó, I., Vodila, G., Papp, L. & Major, Z. 2014. In-reservoir mixing of mantle-derived CO2 and metasedimentary CH4-N2 fluids – noble gas and stable isotope study of two multistacked fields (Pannonian Basin System, W-Hungary), Marine and Petroleum Geology 54, 216-227.

Szabó, Zs., Hellevang, H., Király, Cs., Sendula, E., Kónya, P., Falus, Gy., Török, Sz. & Szabó, Cs. 2016. Experimental-modelling geochemical study of potential CCS caprocks in brine and CO2 saturated brine. International Journal of Greenhouse Gas Contr ol 44, 262-275.

A cikk a Természet Világa 2018. novemberi (149. évf. 11. sz.) számában jelent meg.

Természet Világa

Kapcsolódó cikkek

{{ image }}

{{ title }}

{{ comments }}
{{ author }}
{{ image }}

{{ title }}

{{ comments }}
{{ author }}
{{ image }}

{{ title }}

{{ comments }}
{{ author }}