Geonaučnici su otkrili da se specifični gasovi oslobađaju iz nalomljenih stena u realnom vremenu nakon serije malih hemijskih eksplozija postavljenih ispod zemlje.
Ovo fundamentalno istraživanje, koje je vodio geonaučnik Sandia Steve Bauer, moglo bi jednog dana poboljšati predviđanje zemljotresa ili otkrivanje podzemnih eksplozija.
„Na različitim snimcima bili smo u mogućnosti da izmerimo različite relativne količine plemenitih gasova, za koje se nadamo da su u skladu sa količinom deformacije izazvane eksplozijom“, rekao je Stiv, koji je nedavno otišao u penziju.
„Hemijske eksplozije su imale istu količinu ekvivalenta TNT-a, ali su proizvele različite količine tečnosti i gasova, tako da su deformisale stenu u različitoj meri. Moj cilj je da izmerim količinu plemenitog gasa na lokaciji nakon eksplozije ili zemljotresa, a zatim moći da razumete količinu opterećenja koju je stena iskusila.“
Inertni plemeniti gasovi, uključujući helijum, neon i argon, prirodno se formiraju pod zemljom jer se radioaktivni elementi u stenama raspadaju u lakše, stabilnije elemente. Ovi gasovi postaju zarobljeni u strukturi obližnjih stena i neki od njih se mogu osloboditi kada se stena napukne, bilo prirodnim zemljotresom ili podzemnom eksplozijom izazvanom ljudima, rekao je Stiv.
„Oslobađanje plemenitih gasova je primećeno na terenu u odnosu na aktivnost zemljotresa, pa smo mislili da ćemo imati dobre šanse da izvršimo ova merenja na terenu“, rekao je Stiv.
Ali pre nego što su Stiv i njegove kolege Skot Brum, geonaučnik iz Sandije, i Pejton Gardner, profesor geonauka na Univerzitetu u Montani, sproveli svoje eksperimente na terenu, deformisali su ili zgnječili cilindar od stene prečnika dva inča duž tri ose. —gore dole, levo-desno i napred-pozadi—unutar zapečaćenog kontejnera.
„U laboratoriji smo naučili da kada naprežemo ili naprežemo različite vrste stena do određene tačke, ona počinje da se lomi, a u trenutku kada se stena lomi, oslobađa plemenite gasove koje možemo da osetimo pomoću spektrometrije mase“, rekao je Stiv. „Možemo da osetimo da gas izlazi kada je stena iznutra nalomljena. Uradili smo ovaj eksperiment sa brojnim vrstama stena: tufom, solju, granitom, drugim magmatskim i sedimentnim stenama. Verovatno smo bili prvi koji su izvršili merenja gasa u u realnom vremenu dok se stena deformisala.“
Masena spektrometrija je moćna metoda za merenje jona da bi se utvrdilo od čega se sastoji nepoznati materijal, ili kao u ovom slučaju, da bi se precizno odredili odnosi različitih elemenata u uzorku. Tim je koristio kvadrupolni maseni spektrometar za ove testove.
Zatim su prešli na eksperimente na terenu, koristeći istu moćnu metodu za otkrivanje plemenitih gasova.
Tim je bio uključen u saradnju u kojoj su izvedene tri podzemne eksplozije u Centru za istraživanje i testiranje energetskih materijala izvan Sokora, Novi Meksiko, u kupoli Plavog kanjona napravljenom od riolitne stene.
Svaka od probnih eksplozija koristila je različito eksplozivno jedinjenje, ali istu osnovnu postavku. Eksplozija je odjeknula niz bunar manje od jedne stope u prečniku na dubini od 130-200 stopa. Na udaljenosti od 15-23 stope oko ove centralne rupe nalazilo se osam drugih bunara za nadgledanje koji su se spustili oko 200 stopa.
Stivov tim pratio je prirodno formirane plemenite gasove i gasove u tragovima nakon hemijskih eksplozija u ovim bunarima, dok su drugi timovi iz Sandije i Pacifičke severozapadne nacionalne laboratorije posmatrali velike promene u propusnosti stene, oslobađanje radona, kao i tradicionalne i nova seizmološka merenja.
„Sprovođenje ovih eksperimenata na terenu je tehnički izazovno“, rekao je Skot. „Da biste izmerili ove gasove, potrebna vam je oprema koja je veoma osetljiva na fluktuacije pritiska i inherentno, kada eksplodirate stenu pod zemljom, ona stvara velike fluktuacije pritiska. Morate da zaštitite maseni spektrometar od početnog šoka eksperimenta. Videli smo plemenite gas oslobođen iz ovih testova, a mi ga takođe nismo videli. Uspeli smo da objavimo oba ova zapažanja. Ovo je prilično fundamentalno istraživanje.“
Prva eksplozija nije oslobodila nijedan plemeniti gas koji bi se mogao snimiti, što je navelo tim da zaključi da je eksplozija izazvala pomeranje postojećih pukotina pod zemljom, a ne stvaranje novih fraktura, rekao je Skot. Svoje rezultate i zaključke iz ovog prvog testa objavili su 2021. godine u časopisu Geofluids.
„U dve dodatne eksplozije dobili smo mnogo bolje podatke; uspeli smo da dokumentujemo oslobađanje plemenitih gasova kao funkciju vremena nakon eksplozija“, rekao je Stiv. „Nakon eksplozije, potrebno je određeno vreme da gasovi putuju kroz oštećenu stenu da bi došli do našeg detektorskog niza.
Planiraju da nastave svoj rad sa još jednim nizom eksperimenata na terenu, u drugoj vrsti stene, koja se zove tuf. Za ovaj set, oni neće meriti gasove u realnom vremenu, već će umesto toga sakupljati uzorke sa različitih lokacija i u različito vreme nakon eksplozija za kasniju analizu.
Pored praćenja zemljotresa i podzemnih eksplozija, poboljšano razumevanje kako i zašto pucanje stena takođe može biti dragoceno za poboljšane geotermalne sisteme i detekciju deformacija u nekonvencionalnoj proizvodnji nafte i gasa.
