Mineral storage of carbon in basaltic rocks

Abstract

In-situ carbonation of basaltic rocks could provide a carbon storage solution for the long term. Permanence is essential for the success and public acceptance of carbon storage. The aim of this study was twofold, to evaluate and make a first estimate of the theoretical mineral storage potential of CO2 in basaltic rocks, and to characterise the mineralisation process using geochemical data from the CarbFix test site in Hellisheidi, SW-Iceland, which comprises both injection and monitoring wells.

Studies on mineral storage of CO2 in basaltic rocks are still at an early stage. Therefore, natural analogues are important for gaining a better understanding of the carbon mineralisation process in basaltic rocks at elevated pCO2. The amount and spatial distribution of CO2 stored as calcite in the bedrock of geothermal systems in Iceland indicate a large storage potential for CO2 in basaltic rocks. These natural analogues were used as a guideline for evaluating the theoretical potential of CO2 storage in basaltic formations. The largest storage potential lies offshore, where CO2 may be stored in minerals for the long term in mid-ocean ridges. The theoretical mineral CO2 storage capacity of the mid-ocean ridges exceeds, by orders of magnitude, the amount of CO2 that would be released by the burning of all fossil fuel on Earth. Iceland is the largest landmass found above sea level on the mid-ocean ridges, about 103,000 km2. It is mostly made of basaltic rocks (~90%), which makes it ideal for demonstration of the viability of this carbon storage method.

Two injection experiments were carried out in 2012 at the CarbFix site where 175 tonnes of pure CO2 and 73 tonnes of a CO2-H2S-gas mixture were injected into basaltic rocks at 500-800 m depth with temperatures ranging from 20-50°C. All gases were dissolved in water during their injection. Extensive geochemical monitoring was carried out prior to, during, and after these injections. Sampled fluids from the first monitoring well, HN-04, showed a rapid increase in Ca, Mg, and Fe concentrations during the injections. Pyrite was identified in water samples from the injection well, which indicates that the H2S was mineralised before it reached the first monitoring well. In July 2013, the fluid sampling pump in the well broke down due to calcite precipitation, confirming the mineralisation of the injected CO2. Calculations indicate that the sampled fluids were saturated with respect to siderite about four weeks after the injections began, and with respect to calcite about three months after each injection. Pyrite was supersaturated prior to and during the mixed gas injection and in the following months. Mass balance calculations, based on the recovery of non-reactive tracers co-injected into the subsurface together with the acid gases, confirm that more than 95% of the CO2 injected into the subsurface was mineralised within two years. Essentially all of the injected H2S was mineralised within four months of its injection.

Data collected prior to, during, and after the CO2 injection was used in an attempt to model the CO2-water-rock interaction during and after the injection. The results suggest that the mineralisation of the second and main breakthrough of the injected carbon is mainly driven by basaltic glass dissolution. The results also point towards dissolution of crystalline basalts during the first breakthrough of the injected solution. This breakthrough path is dominated by fracture flow, indicating that the fracture transects the more crystalline interiors of the lavas. No carbonates are saturated in the injection fluid, but iron rich carbonates, such as siderite, are predicted to form if the pH exceeds ~4.6. With progressive dissolution of basaltic rock, and a subsequent rise of pH along with a decrease in the dissolved CO2 concentration, more Ca-rich carbonates, such as calcite, are calculated to become saturated. At this stage, carbonates become more abundant, forming along with chalcedony, and later, both zeolites and smectites appear. The efficiency of the carbon injection is limited by the porosity and the availability of cations, both of which are restricted by the formation of zeolites and smectites at pH above ~6.

Steinrenning koltvíoxíðs (CO2) í basalti er aðferð sem nýst gæti til að binda kolefni til frambúðar. Mikilvægt er að bindingin verði varanleg, svo sátt verði um hana í samfélaginu og tilætlaður árangur náist. Markmið þessarar rannsóknar var tvíþætt, annars vegar að meta getu basalts til kolefnisbindingar, og hins vegar að varpa ljósi á steinrenningarferlið með jarðefnafræðilegum gögnum af CarbFix-svæðinu á Hellisheiði, en þar eru borholur bæði til niðurdælingar og vöktunar. Rannsóknir á aðferðinni eru enn á frumstigi. Til að öðlast skilning á ferlinu er mikilvægt að skoða náttúrulegar hliðstæður á svæðum þar sem kolefni binst í basalti við háan hlutþrýsting koltvíoxíðs. Magn og dreifing karbónatsteinda í bergi íslenskra háhitasvæða nýtast til þess að leggja mat á það hversu mikið kolefni má binda í basalti, en vísbendingar eru um mikla bindigetu basalts. Möguleikarnir eru mestir á hafsvæðum, þar sem binda má kolefni í úthafshryggjum á öruggan hátt til langs tíma. Fræðilega séð væri unnt að binda þar margfalt magn þess koltvíoxíðs sem ætla mætti að losna myndi ef öllu jarðefnaeldsneyti á jörðinni yrði brennt. Ísland er stærsta landmassi ofansjávar á úthafshrygg, um 103.000 km2 að flatarmáli. Það er að mestu úr basalti og því kjörinn vettvangur til að þróa þessa aðferð til kolefnisbindingar. Tvær niðurdælingartilraunir voru gerðar á CarbFix-svæðinu árið 2012; 175 tonnum af hreinu koltvíoxíði, og 73 tonnum af blöndu koltvíoxíðs og brennisteinsvetnis, var dælt niður í basaltlög á 500-800 m dýpi við 30-50°C hita. Gasið var leyst í vatni við niðurdælingu. Efnasamsetning vökvans var vöktuð fyrir, eftir og á meðan á niðurdælingu stóð. Í báðum tilraunum mátti greina hraða aukningu í styrk kalsíums, magnesíums og járns í vatnssýnum, sem safnað var úr vöktunarholu næst niðurdælingarholunni á meðan á niðurdælingu stóð. Pýrít greindist í vatnssýnum úr niðurdælingarholunni, og sýnir það að brennisteinsvetnið steinrann áður en það náði vöktunarholunni. Í júlí 2013 bilaði dæla í holunni af völdum kalsítútfellinga, og staðfesti þar með steinrenningu koltvíoxíðsins sem dælt var niður. Efnavarmafræðilegir útreikningar benda til síderít-mettunar um fjórum vikum, og til kalsítmettunar um þremur mánuðum eftir upphaf hvorrar niðurdælingar. Pýrít reiknast yfirmettað í sýnum teknum bæði fyrir og eftir niðurdælingu blöndunnar, og meðan á henni stóð. Massajafnvægisútreikningar, byggðir á óhvarfgjörnum ferilefnum sem dælt var niður með gasinu, staðfesta að meira vi en 95% koltvíoxíðsins hafði bundist í steindir innan tveggja ára, og megnið af brennisteinsvetninu innan fjögurra mánaða. Efnagreiningar og önnur gögn úr koltvíoxíðniðurdælingunni voru notuð til að herma samspil koltvíoxíðs, vatns og bergs á meðan á niðurdælingu stóð og eftir hana. Niðurstöður benda til þess að steinrenning þorra koltvíoxíðsins sé drifin af leysingu basaltglers. Þær benda þó einnig til leysingar á kristölluðu basalti þegar fyrstu merki um niðurdælingarvökvann koma fram í vöktunarholunni. Sú rennslisleið tengist sprungulekt, sem bendir til þess að sprungan skeri kristallaðri hluta hraunlagasyrpunnar. Engin karbónatsteind nær mettun í niðurdælingarvökvanum, en járnrík karbónöt á borð við síderít reiknast mettuð ef pH er hærra en ~4.6. Með aukinni leysingu bergs, og hækkandi pH-gildi, koma fram kalsíumríkari karbónöt á borð við kalsít. Á þessu stigi myndast meira af karbónatsteindum, auk kalsedóns, og síðar birtast zeólítar og smektít. Árangur niðurdælingarinnar ræðst af poruhluta og framboði á katjónum, en hvort tveggja takmarkast af myndun zeólíta og smektíts við pH hærra en ~6.