Geowissenschaftler haben bestimmte Gase entdeckt, die nach einer Reihe kleiner chemischer Explosionen im Untergrund in Echtzeit aus gebrochenem Gestein freigesetzt wurden.
Diese Grundlagenforschung unter der Leitung des Sandia-Geowissenschaftlers Steve Bauer könnte eines Tages die Vorhersage von Erdbeben oder die Erkennung unterirdischer Explosionen verbessern.
„Bei den verschiedenen Aufnahmen konnten wir unterschiedliche relative Mengen an Edelgasen messen, von denen wir hoffen, dass sie mit dem Ausmaß der durch die Explosion verursachten Verformung übereinstimmen“, sagte Steve, der kürzlich in den Ruhestand getreten ist.
„Die chemischen Explosionen hatten die gleiche Menge an TNT-Äquivalent, produzierten aber unterschiedliche Mengen an Flüssigkeiten und Gasen, sodass sie das Gestein unterschiedlich stark verformten. Mein Traumziel ist es, die Menge an Edelgas an einem Ort zu messen B. nach einer Explosion oder einem Erdbeben, und dann nachvollziehen können, wie stark der Fels belastet wurde.“
Grundlagen der Edelgase und Labortests
Inerte Edelgase, darunter Helium, Neon und Argon, bilden sich auf natürliche Weise im Untergrund, wenn radioaktive Elemente im Gestein in leichtere, stabilere Elemente zerfallen. Diese Gase werden in der Struktur des nahe gelegenen Gesteins eingeschlossen und ein Teil davon kann freigesetzt werden, wenn das Gestein Risse bekommt, sei es durch ein natürliches Erdbeben oder eine von Menschen verursachte unterirdische Explosion, sagte Steve.
„Die Freisetzung von Edelgasen wurde im Feld im Zusammenhang mit der Erdbebenaktivität beobachtet, also dachten wir, dass wir gute Chancen haben würden, diese Messungen im Feld durchzuführen“, sagte Steve.
Aber bevor Steve und seine Kollegen Scott Broome, ein Sandia-Geowissenschaftler, und Payton Gardner, ein Geowissenschaftsprofessor an der University of Montana, ihre Feldexperimente durchführten, verformten oder zerschmetterten sie einen Gesteinszylinder mit zwei Zoll Durchmesser entlang dreier Achsen – oben-unten, links-rechts und vorne-hinten – in einem versiegelten Behälter.
„Im Labor haben wir gelernt, dass, wenn wir verschiedene Gesteinsarten bis zu einem bestimmten Punkt belasten oder belasten, es zu brechen beginnt und zu dem Zeitpunkt, an dem das Gestein bricht, Edelgase freisetzt, die wir mit Massenspektrometrie erfassen können“, sagte Steve. „Wir können das austretende Gas spüren, wenn das Gestein im Inneren zerbrochen ist. Wir haben dieses Experiment mit zahlreichen Gesteinsarten durchgeführt: Tuff, Salz, Granit, andere Eruptiv- und Sedimentgesteine. Wir waren wahrscheinlich die ersten, die die Gasmessungen in diesem Gebiet durchgeführt haben Echtzeit, während der Fels verformt wurde.“
Massenspektrometrie ist eine leistungsstarke Methode zur Messung von Ionen, um entweder zu bestimmen, woraus ein unbekanntes Material besteht, oder wie in diesem Fall, um die Verhältnisse verschiedener Elemente in einer Probe genau zu bestimmen. Für diese Tests verwendete das Team ein Quadrupol-Massenspektrometer.
Dann gingen sie zu Feldexperimenten über, wobei sie dieselbe leistungsstarke Methode zum Nachweis von Edelgasen verwendeten.
Wechsel zu Feldversuchen
Das Team war an einer Zusammenarbeit beteiligt, bei der drei unterirdische Explosionen im Energetic Materials Research and Testing Center außerhalb von Socorro, New Mexico, im Blue Canyon Dome aus Rhyolitgestein durchgeführt wurden.
Bei jeder der Testexplosionen wurde eine andere Sprengstoffverbindung, aber derselbe Grundaufbau verwendet. Die Explosion wurde in einer Tiefe von 130 bis 200 Fuß in einem Durchmesser von weniger als einem Fuß ausgelöst. In einer Entfernung von 15 bis 23 Fuß um dieses zentrale Loch herum befanden sich acht weitere Überwachungsbrunnen, die etwa 200 Fuß in die Tiefe gingen.
Steves Team überwachte die natürlich gebildeten Edelgase und Spurengase nach den chemischen Explosionen in diesen Bohrlöchern, während andere Teams von Sandia und dem Pacific Northwest National Laboratory großräumige Änderungen der Permeabilität des Gesteins, die Freisetzung von Radon sowie traditionelle untersuchten und neue seismologische Messungen.
„Die Durchführung dieser Experimente im Feld ist technisch anspruchsvoll“, sagte Scott. „Um diese Gase zu messen, braucht man Geräte, die sehr empfindlich auf Druckschwankungen reagieren und von Natur aus große Druckschwankungen erzeugen, wenn man Gestein im Untergrund explodiert. Man muss das Massenspektrometer vor dem anfänglichen Schock des Experiments schützen. Wir haben edel gesehen Gas, das bei diesen Tests freigesetzt wurde, und wir haben es auch nicht gesehen. Wir konnten beide Beobachtungen veröffentlichen. Das ist ziemlich grundlegende Forschung.“
Die erste Explosion setzte keine Edelgase frei, die aufgezeichnet werden konnten, was das Team zu der Schlussfolgerung veranlasste, dass die Explosion Verschiebungen in bestehenden Brüchen im Untergrund verursachte, anstatt neue Brüche zu schaffen, sagte Scott. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse und Schlussfolgerungen daraus Erster Test 2021 im Tagebuch Geofluide.
„Bei den beiden zusätzlichen Explosionen haben wir viel bessere Daten erhalten; wir konnten die Freisetzung von Edelgasen als Funktion der Zeit nach den Explosionen dokumentieren“, sagte Steve. „Nach der Explosion dauert es eine gewisse Zeit, bis die Gase durch das beschädigte Gestein zu unserem Detektionsarray gelangen.“
Sie planen, ihre Arbeit mit einer weiteren Reihe von Feldexperimenten in einer anderen Gesteinsart namens Tuff fortzusetzen. Für dieses Set messen sie die Gase nicht in Echtzeit, sondern sammeln stattdessen Proben an verschiedenen Orten und zu verschiedenen Zeiten nach den Explosionen für eine spätere Analyse.
Neben der Überwachung von Erdbeben und unterirdischen Explosionen könnte ein verbessertes Verständnis darüber, wie und warum Gestein bricht, auch für verbesserte geothermische Systeme und die Dehnungserkennung bei der unkonventionellen Öl- und Gasförderung wertvoll sein.