Breuken zijn overal.

Het zijn de scheuren in het trottoir. De scheuren in wegafsluitingen. De spinachtige texturen in baksteen en keien. En dat zijn nog maar de breuken die aan de oppervlakte zichtbaar zijn. Ondergronds, breuken kunnen zich door rotsen verspreiden en complexe netwerken creëren die zich kilometers ver uitstrekken.

Begrijpen hoe breuken ontstaan ​​en waar ze zich bevinden, zijn fundamentele vragen in de geowetenschappen met belangrijke implicaties voor het dagelijks leven. Breuken beïnvloeden hoeveel olie en gas uit een schaliespel kan stromen. Ze kunnen bepalen waar grondwater overvloedig of moeilijk te verkrijgen is, en of kooldioxide dat ondergronds wordt geïnjecteerd, blijft zitten of teruglekt in de atmosfeer waar het kan bijdragen aan klimaatverandering.

De meeste wetenschappers hebben antwoorden op deze vragen gezocht door middel van ondergrondse observaties en op mechanica gebaseerd onderzoek. Maar deze benaderingen zijn niet succesvol geweest in het beantwoorden van zelfs fundamentele vragen over fracturen in diepere, warmere omgevingen. Het beantwoorden van deze vragen is van vitaal belang voor het maken van nauwkeurigere voorspellingen van ondergrondse breukpatronen en betere technische beslissingen.

Een onderzoeksgroep onder leiding van de Universiteit van Texas in Austin daagt het huidige wetenschappelijke paradigma uit door te stellen dat mechanica alleen niet genoeg is. Om vooruitgang te boeken op het gebied van fractuuronderzoek, wetenschappers moeten gaan nadenken over de rol van chemie.

De onderzoekers publiceerden in augustus 2019 een paper in het tijdschrift Beoordelingen van Geofysica pleiten voor het aannemen van een chemisch perspectief om te begrijpen hoe breukpatronen zich ontwikkelen. Bijvoorbeeld, recent gepubliceerd onderzoek toont aan dat mineralen aan de binnenkant van breuken belangrijk bewijs kunnen vastleggen over wanneer en waarom breuken ontstaan. De kristalcoatings kunnen ook het breekproces zelf beïnvloeden. Chemische analyse, experimenteren, modellering, en theorie hebben het potentieel om het begrip van wetenschappers te vergroten over hoe breukpatronen zich ontwikkelen op verschillende geologische tijdschalen, zei hoofdauteur Stephen Laubach, een senior onderzoeker bij het UT Bureau of Economic Geology, een onderzoekseenheid van de Jackson School of Geosciences.

"Het zijn hete rotsen met hete vloeistof erin, dus het zijn enorm chemisch reactieve omgevingen, ' zei Laubach.

Laubach is de leider van het fractuur- en diageneseprogramma bij het bureau en was co-auteur van het artikel met 18 andere medewerkers. Het artikel bouwt voort op ideeën die zijn besproken tijdens een workshop in 2016 over de chemie van de ontwikkeling van breukpatronen, gesponsord door het Department of Energy Office of Basic Energy Sciences.

Van bergtoppen tot kilometers diepe rotsformaties, breuken zijn de meest voorkomende rotsstructuren in veel geologische omgevingen. Hun enorme overvloed beïnvloedt de sterkte van het omringende gesteente en de vloeistofstroom. Echter, de oppervlakkige eenvoud van breuken maakt ze ook zo'n moeilijk op te lossen probleem. Met alleen mechanica en geometrie, het is praktisch onmogelijk om de processen te ontrafelen die de vorming van de ene breuk ten opzichte van de andere hebben veroorzaakt. Chemie biedt de nodige context om dit onderscheid te maken.

"Met een eenvoudige breuk in de openingsmodus, het kan gevormd zijn door zoveel verschillende processen, Laubach zei. "Als je een breuk in een stuk kern ziet, je kunt niet zeggen wanneer het gevormd is of waarom het gevormd is, specifiek. Je hebt weinig om op af te leiden wat de patronen zijn uit de buurt van de boorput."

In de krant, de auteurs leggen uit hoe chemie meer specificiteit kan bieden in de factoren die breuken vormen, met het onderzoek gericht op breuken die zich vormen van 1-10 kilometer onder het oppervlak.

Breuken in deze omgevingen bevatten vaak minerale afzettingen erin. Omdat verschillende mineralen zich onder specifieke omstandigheden vormen, de minerale coatings dienen als een record van gesteenteomgevingen in de loop van de tijd. De mineralen zelf kunnen ook van invloed zijn op zowel het breukproces als de mate waarin vloeistof door breuknetwerken kan stromen.

Laubach zei dat het analyseren van breukchemie al tot belangrijke ontdekkingen heeft geleid. Bijvoorbeeld, bureauonderzoek wees uit dat een breuknetwerk in Oost-Texas al ongeveer 50 miljoen jaar langzaam en gestaag groeit - veel langer dan verwacht. En Jackson School of Geosciences-alumnus Abdulaziz Almansour (die in 2017 een masterdiploma behaalde van het Energy and Earth Resources-programma van de school) publiceerde onlangs een paper op basis van zijn proefschriftonderzoek dat chemische analyse van gastgesteente gebruikt om met succes te voorspellen hoe breuken kunnen verbeteren of olieproductie blokkeren op basis van het feit of ze zijn afgedicht door mineraal cement of open zijn en kunnen dienen als leidingen voor koolwaterstoffen.

Echter, ondanks het grote potentieel voor chemie om licht te werpen op breukgedrag, Laubach zei dat een chemische benadering nog steeds een relatief ongebruikelijk perspectief is dat over de hele linie meer onderzoek behoeft.

"We vermoeden dat er waarschijnlijk een hele generatie observatie- en experimenteel werk nodig is, hetzij met analoge materialen of bij verhoogde temperaturen werken met chemische reacties waarbij reacties zoals precipitatie plaatsvinden, " zei hij. "In de jaren 60, er was een zeer grote druk op laboratoriumgerelateerde breukmechanica. Ik denk dat we daar waarschijnlijk nog een ronde van moeten maken."

Giovanni Bertotti, een breukonderzoeker die niet betrokken was bij de publicatie en het hoofd van de sectie Civiele Techniek en Geowetenschappen aan de Technische Universiteit Delft, noemde de krant een "mijlpaal" en zei dat hij verwacht dat het artikel zal worden gelezen door een breed scala aan mensen in zowel de academische wereld als de industrie.

"Het artikel van Laubach et al. is een uitstekend overzicht van de huidige kennis over deze breuksystemen en een inspirerende kijk op toekomstige uitdagingen, " hij zei.