현무암의 덮개암 역할 가능성에 대한 지구화학 모델링 연구

Abstract

CO2 지중 저장소에서 현무암의 덮개암 역할 가능성을 평가하기 위해 지구화학 모델링을 수행하였다. 이를위해 다양한 CO2 분압(10, 50, 100 bar) 조건에서 CO2-현무암-물 상호반응을 모사하였다. 그 결과 pH는 반응시간에 따라 4단계로 변화하였으며, 이러한 변화는 새로운 2차 광물의 생성에 의해 조절되는 것으로 나타났다. 첫 번째 단계(pH < 8.8)에서는 Ca-Mg-Fe 탄산염 광물들(돌로마이트(dolomite), 능철석(siderite), 철백운석(ankerite))과점토 광물들(바이델라이트(beidellite)-Mg, 사포나이트(saponite)-Mg-Mg, 사포나이트-Mg-Na, 바이델라이트-Na)이 새로 생성되었다. 2단계(pH = 8.8)에서는 방해석(calcite)와 점토광물들(녹니석(chlorite)-Mg, 녹니석-Fe)이 생성되어 함량이 꾸준히 증가하였고, 제올라이트(zeolite)가 침전되기 시작하였다. 3단계(8.8 < pH < 9.7)에서는 제올라이트가 급격히 증가한 반면 방해석와 점토광물들은 함량이 거의 일정하였다. 마지막 단계(pH = 9.7)에서 제올라이트와 점토 광물들은 함량이 지속적으로 증가하였으나 방해석은 일정하였다. 2차 광물들의 생성에 따라 현무암의 공극률은 10 bar CO2에서는 약 5.4%, 50 bar CO2에서는 약 7.9%, 100 bar CO2에서는 약 10.1%가 감소하였다. 점토 광물의 생성이 모든 pH 범위에서 공극률 감소에 중요한 역할을 하는 것으로나타났다. 이 결과는 현무암의 공극률이 CO2-현무암-물 상호작용에 의해 감소함에 따라 현무암이 덮개암으로도 역할을 할 수 있음을 시사한다.

This study was to evaluate whether the basalt rock can serve as a caprock overlying a storage formation. For this study, geochemical modeling was applied to simulate CO2-basalt-water interactions at various CO2 partial pressures (10, 50, and 100 bar). The results showed that the pH was changed in four stages with time, and the formation of secondary minerals was controlled by the pH of the solutions. In the first stage (pH<8.8), Ca-Mg-Fe carbonate (dolomite, siderite, and ankerite) and clay (beidellite-Mg, saponite-Mg-Mg, saponite-Mg-Na, and beidellite-Na) were newly formed. In the second stage (pH=8.8), calcite and clay minerals (chlorite-Mg and chlorite-Fe) were formed and steadily increased, and zeolite (analcime) started to precipitate. In the third stage (8.8<pH<9.7), zeolite sharply increased, while calcite and clay minerals were nearly constant. In the last stage (pH=9.7), zeolite and clay minerals consistently increased, but calcite was constant. The precipitation of the secondary minerals decreased the porosity of the basalt rock by approximately 5.4% at 10 bar, 7.9% at 50 bar, and 10.1% at 100 bar CO2. The changes in the volume of the secondary minerals showed that the formation of clay minerals played a major role in reducing the porosity in all pH ranges. This result suggests that the basalt rock can act as a caprock as the porosity of the basalt rock decreased by CO2-basalt-water interactions.