Krystalbelægninger kan hjælpe med at løse mysteriet om brudmønstre

Brud er overalt.

De er revnerne i fortovet. Sprækkerne i vejskæringer. De edderkoppeagtige teksturer i mursten og kampesten. Og det er bare de brud, der er synlige ved overfladen. Underjordisk, brud kan spredes gennem klipper og skabe komplekse netværk, der strækker sig kilometervis.

At forstå, hvordan brud dannes, og hvor de er placeret, er grundlæggende spørgsmål inden for geovidenskab med vigtige implikationer for hverdagen. Frakturer påvirker, hvor meget olie og gas, der kan strømme fra en skiferleg. De kan kontrollere, hvor der er rigeligt med grundvand eller svært at komme til, og om kuldioxid injiceret under jorden vil blive siddende eller lække tilbage til atmosfæren, hvor det kan bidrage til klimaændringer.

De fleste videnskabsmænd har søgt svar på disse spørgsmål gennem observationer under overfladen og mekanikbaseret forskning. Men disse tilgange har ikke haft succes med at besvare selv grundlæggende spørgsmål om brud i dybere, varmere miljøer. At besvare disse spørgsmål er afgørende for at kunne foretage mere præcise forudsigelser af underjordiske brudmønstre og bedre tekniske beslutninger.

En forskergruppe ledet af University of Texas i Austin udfordrer det nuværende videnskabelige paradigme ved at argumentere for, at mekanik alene ikke er nok. For at gøre fremskridt inden for frakturforskning, videnskabsmænd skal begynde at overveje kemiens rolle.

Forskerne offentliggjorde et papir i august 2019 i tidsskriftet Anmeldelser af geofysik argumenterer for at anlægge et kemisk perspektiv for at forstå, hvordan brudmønstre udvikler sig. For eksempel, nylig offentliggjort forskning viser, at mineraler, der beklæder indersiden af ​​brud, kan registrere vigtige beviser om, hvornår og hvorfor brud dannes. Krystalbelægningerne kan også påvirke selve fraktureringsprocessen. Kemisk analyse, eksperimenter, modellering, og teori har potentialet til at øge forskernes forståelse af, hvordan brudmønstre udvikler sig på forskellige geologiske tidsskalaer, sagde hovedforfatter Stephen Laubach, seniorforsker ved UT Bureau of Economic Geology, en forskningsenhed fra Jackson School of Geosciences.

"De er varme sten med varm væske i dem, så de er enormt kemisk reaktive miljøer, " sagde Laubach.

Laubach er leder af fraktur- og diagenese-programmet på bureauet og var medforfatter til papiret sammen med 18 andre samarbejdspartnere. Artiklen bygger på ideer, der blev diskuteret på en workshop i 2016 om kemien i udvikling af brudmønster sponsoreret af Department of Energy Office of Basic Energy Sciences.

Fra bjergtoppe til miledybe klippeformationer, brud er de mest almindelige bjergstrukturer i mange geologiske omgivelser. Deres rene overflod påvirker styrken af ​​den omgivende sten og væskestrømmen. Imidlertid, frakturernes overfladiske enkelhed er også det, der gør dem til et så svært problem at løse. Med mekanik og geometri alene, det er praktisk talt umuligt at pirre de processer, der drev dannelsen af ​​et brud frem for et andet. Kemi giver den nødvendige kontekst til at foretage disse sondringer.

"Med et simpelt brud i åbningstilstand, det kunne være dannet af så mange forskellige processer, " sagde Laubach. "Når du ser et brud i et stykke kerne, du kan ikke se, hvornår det er dannet, eller hvorfor det er dannet, specifikt. Du har lidt at gå videre med for at udlede, hvad mønstrene er væk fra brøndboringen."

I avisen, forfatterne forklarer, hvordan kemi kan tilbyde mere specificitet i de faktorer, der former brud, med forskningen med fokus på brud, der dannes fra 1-10 kilometer under overfladen.

Brud i disse miljøer rummer ofte mineralaflejringer inde i dem. Da forskellige mineraler dannes under specifikke forhold, de mineralske belægninger tjener som en registrering af bjergarter over tid. Mineralerne i sig selv kan også påvirke både fraktureringsprocessen og i hvilken grad væske kan strømme gennem sprækkenetværk.

Laubach sagde, at analyse af frakturkemi allerede har ført til vigtige opdagelser. For eksempel, bureauforskning viste, at et brudnetværk i det østlige Texas har vokset langsomt og støt i omkring 50 millioner år - meget længere end forventet. Og Jackson School of Geosciences alumnus Abdulaziz Almansour (som tog en mastergrad fra skolens Energy and Earth Resources-program i 2017) udgav for nylig et papir baseret på hans afhandlingsforskning, der bruger kemisk analyse af værtsbjergart til succesfuldt at forudsige, hvordan brud kan enten forbedre eller blokere olieproduktion baseret på, om de er forseglet med mineralcementer eller åbne og i stand til at tjene som ledninger for kulbrinter.

Imidlertid, på trods af det store potentiale for kemi til at kaste lys over frakturadfærd, Laubach sagde, at en kemisk tilgang stadig er et relativt usædvanligt perspektiv, der kræver mere forskning over hele linjen.

"Vi formoder, at der sandsynligvis er behov for en hel generation af observations- og eksperimentelt arbejde, enten med analoge materialer eller ved forhøjede temperaturer arbejde med kemiske reaktioner, hvor reaktioner såsom nedbør sker, " sagde han. "I 60'erne, der var et meget stort fremstød for laboratorie-relateret brudmekanik. Jeg tror, ​​vi nok skal til en ny omgang af det."

Giovanni Bertotti, en brudforsker, der ikke var involveret i publikationen, og lederen af ​​sektionen for Civil Engineering and Geosciences ved Delft University of Technology, kaldte avisen for en "milepæl" og sagde, at han forventer, at artiklen bliver læst af en bred vifte af mennesker i både den akademiske verden og industrien.

"Oplægget af Laubach et al. er et fremragende overblik over den nuværende viden om disse brudsystemer og et inspirerende syn på fremtidige udfordringer, " han sagde.