Hvordan virker fysikkens lover inn på geologiske prosesser? Det har professor Dag Dysthe vært opptatt av å forstå siden 1990-tallet. Med god hjelp fra kolleger i Danmark og Norge har han laget en matematisk modell for hvordan krittkalkstein oppfører seg under ytre påvirkning. Dette er den bergarten vi finner på Ekofiskfeltet i dansk og norsk sektor av Nordsjøen. Dermed er vi muligens et skritt nærmere CO2-lagring i stor skala under havbunnen, et tema som har vært diskutert og planlagt i en god del år.
– Ingen har egentlig visst om det lar seg gjøre å lagre CO2 på Ekofiskfeltet, forklarer Dag Dysthe.
Mislykket klimatiltak
– Berggrunnen under Ekofisk, på både norsk og dansk sokkel, består av en type kalkstein som kalles kritt eller krittkalkstein. Fra før vet vi at karbondioksid (CO2) i vann løser opp kalkstein. Hva vil da skje hvis vi begynner å lagre CO2 der nede? Vil kalksteinen løse seg opp, og vil det hele kollapse, slik at CO2-gassen lekker ut? I så fall vil det være et heller mislykket klimatiltak.
Professor Dysthe og kollegene ved Universitetet i Oslo mente at de kunne finne ut av nettopp disse spørsmålene, takket være den matematiske modellen de hadde utarbeidet som ledd i sin tverrfaglige satsing blant fysikere og geologer. Derfor fikk de tilslaget da Climit – et forskningsprogram for fangst og lagring av CO2 – utlyste midler til et prosjekt for å skaffe kunnskap om CO2-lagring i krittkalkstein på bunnen av Nordsjøen.
– Men først, hva var det som gjorde at du begynte å interesse deg for en mulig bergart-kollaps ved CO2-lagring under havbunnen?
Dysthe plukker fram to steiner han har liggende på kontoret i fysikkbygningen på Blindern. Det ene er en krittkalkstein og den andre travertin. Travertin er en type kalkstein som anvendes til skulpturer og bygninger, og den er mye brukt i Italia.
– Det er det samme mineralet i disse to, men steinen er blitt dannet på forskjellige måter. Kritt var en gang bitte små alger som laget små skall, mindre enn én mikrometer store. Når disse algene dør, faller de ned på havbunnen. Med store mengder, og gjennom millioner av år, blir det dannet krittkalkstein.
HVA ER:
Kalk: En betegnelse for kalsiumkarbonat (CaCO3) eller kalsiumoksid CaO. Kalk er en generell term for ulike naturlig forekommende mineraler og materialer som kan lages fra dem. Disse materialene er brukt i store mengder som byggemateriale og byggestein.
Kritt: En myk, hvit og porøs form av kalkstein. Formes i grunt vann ved at mineralet kalsiumkarbonat hoper seg opp i form av skall fra forskjellige marine grønnalger.
Krittkalkstein: Kritt er en sedimentær bergart, en jordaktig kalkstein som hovedsakelig består av kokkolitter og foraminiferskall. Kritt er massiv, ofte med lag av flintknoller. Den noe fastere kritt-kalkstein opptrer blant annet i Ekofiskområdet i Nordsjøen, hvor den er en viktig reservoarbergart for olje og gass. Blir brukt som skrivekritt, farge, pussemiddel, fyllstoff i industriprodukter, og som vanlig kalkstein.
Uttrykket «å ta på krita» kommer av eldre tiders skikk med å avmerke med kritt på en tavle når man kjøpte uten å betale kontant i forretninger.
CLIMIT: Et forskningsprogram i regi av Forskningsrådet og Gassnova, regjeringensorganet som har som mål å bygge kompetanse om CO2.
Kilder: Wikipedia og Store norske leksikon
Travertin, på den annen side, dannes på jordoverflaten. Travertin blir utfelt fra mineralkilder som forekommer i grunnvann og overflatevann. Det er typisk for denne og annen type kalkstein at den løser seg opp i de dypere lagene, og man finner ofte at kalksteinsfjell har huler og grotter.
Kalkstein er altså lett oppløselig, til forskjell fra de fleste bergarter vi har i Norge, for eksempel gneis og granitt. Overalt i verden der det er kalkstein, løser mineralet seg lett opp.
CO2 i vann løser opp kalkstein
– CO2 i vann gjør vannet surt og løser opp mineralene i kalkstein. Og fordi kalkstein er så reaktiv, kan vi forenklet si det slik at den vanligvis ikke liker å være i en tilstand av små krystaller. Hvis den får anledning, vil den alltid løse seg opp og danne større krystaller. Dette er altså det generelle bildet.
Så beveger Dag Dysthe seg – i samtalen - tilbake til krittlagene på bunnen av Ekofisk:
– Her har vi en form for kalkstein, dannet av bitte bitte bitte små algeskall, kalt kokkolitter, som har ligget der i 60 millioner år. Naturen har altså hatt god tid på seg til å lage større krystaller. Hvorfor har det likevel ikke skjedd? Det er jo et stort mysterium!
Mens geologene har kjent til dette fenomenet, og akseptert det som et faktum, kom fysikeren Dysthe inn fra sidelinjen og begynte å stille spørsmål. Han ville vite hvorfor. Han mente det måtte være noe som stoppet den naturlige prosessen i retning av større krystaller.
Da kan det skje saker og ting…
– Krittkalksteinen på havbunnen var opprinnelig alger. Jeg tenkte at det kanskje finnes organiske materialer som ligger der fortsatt. Så jeg begynte å lete etter informasjon, og det viste seg at vi hadde kolleger i Danmark som hadde forsket på nettopp dette. De hadde lyktes med å finne en film av organisk materiale som stammet fra algene og som fortsatt var en del av bergarten.
Et forskningssamarbeid mellom fysikere og geologer ved Universitetet i Oslo, danske GEUS og Københavns Universitet ble satt i gang. Konklusjonen de kom fram til etterhvert, var at kritt ikke vil omdanne seg så lenge bergarten ikke blir utsatt for ytre påvirkning.
– Hvis det ikke er noe spesielt som skjer, bare ligger den der. Men hvis det oppstår rifter eller sprekkdannelser, eller hvis noen fjerner det organiske materialet på annen måte, kan det begynne å skje saker og ting, forklarer professoren.
Basert på denne innsikten startet arbeidet med å lage en matematisk modell for hvordan omdanning av kritt skjer, såkalt kompaktering. Det foregikk ved Senter for geologiske prosessers fysikk, et senter for fremragende forskning som ble opprettet i 2003.
Når modellen ble testet, viste det seg at den stemte veldig godt med de danske forskerns funn om hvordan kritt oppfører seg.
Vil reservoaret kollapse?
Tilbake til utlysningen fra Climit – om hvordan krittlagene på bunnen av Ekofisk vil oppføre seg. Da Dysthe og kollegene ble oppmerksomme på den, fant de ut at de nevnte matematiske modellene trolig vil passe perfekt for å finne svarene. Dessuten så de at det var særlig tre faktorer som gjorde problemstillingene svært aktuelle:
- Ekofisk ligger geografisk nær områder i Europa med mye industri og med kull- og kjernekraftverk som utgjør betydelige utslippskilder for CO2. Hvis CO2 skal fanges og lagres i stor skala, må lagringen skje nær kildene. Ekofisk ligger nær nok til at det kan legges rørledninger for transport av CO2.
- Ekofiskfeltet har lagringskapasitet til CO2 i enorme mengder – slik at det vil monne.
- CO2 er en gass som fungerer godt når man skal forbedre utvinningsmetodene og få mer olje og gass ut av en forekomst, såkalt EOR (Enhanced Oil Recovery) eller IOR (Increased Oil Recovery). Ved å sprøyte inn CO2 i reservoarene, vil gassen blande seg med oljen og gjøre den mer lettflytende – og utvinnbar.
Ekofiskfeltet var dessuten blitt blinket ut som aktuelt område i et nytt lagringsatlas for CO2, utarbeidet av Oljedirektoratet. Men det store spørsmålet var altså: Lar det seg gjøre? Eller vil reservoaret kollapse?
Ferske og 60 millioner år gamle alger
– Vi satte i gang med å arbeide helt nede i nanomålestokk. Vi fant at det faktisk ligger organisk materiale inne i hvert eneste kokkolittkrystall, altså krystallene som i sin tid ble dannet av algeskall. Vi dyrket fram alger, ikke nøyaktig de samme som fantes for 60 millioner år siden og som dannet krittlagene på Ekofisk, men nære slektninger. Så gjorde vi røntgenanalyser av krystallstrukturen til de moderne algene og sammenlignet dem med det ”historiske” materialet. Vi fant ut at begge har organisk materiale inne i krystallstrukturen.
– Hva betyr det for mulighetene for sikker lagring av CO2 på Ekofisk?
– Det ser ut til at CO2 i liten grad påvirker styrken av bergarten kritt, slik vi finner den i Nordsjøen, så dette er lovende for planene om CO2-lagring.
Et avgjørende verktøy
Dysthe understreker samtidig at dette handler om grunnforskning. Han har ikke svarene på de praktiske spørsmålene som gjelder CO2-lagring.
– Men vi har nå laget verktøyene som kan brukes til å undersøke dette nærmere. Vi har utarbeidet numeriske simuleringsverktøy som kan brukes på mikronivå. Og vi har laget matematiske modeller for storskalaberegninger som kan brukes på et helt reservoar.
Med andre ord: Forskerne har fremskaffet nye verktøy som de mener kan få stor betydning.
Dette gjelder ikke bare i Nordsjøen. Det er beregnet at 60 prosent av verdens oljereserver og 40 prosent av gassreservene befinner seg i ulike former for kalkstein. Den nye modellen for kompaktering av kalksteinkrystaller kan derfor bli avgjørende for fremtidens CO2-håndtering i store deler av verden.
– Når tror du at vi vil se CO2-lagring i stor skala på bunnen av Nordsjøen?
– Det avhenger av hva som innføres av incentiver og om det gjøres økonomisk lønnsomt for oljeselskapene. Teknisk er det ingen ting i veien for at det kan skje, ut fra hva vi vet i dag, sier professoren, som ellers er involvert i en rekke tverrfaglige forskningsprosjekter.
– Akkurat nå arbeider vi med metoder for å forstå egenskapene til geologiske materialer. Det er særlig tre områder som interesser meg: strømming, friksjon/jordskjelv og oppsprekking. Jeg er opptatt av hvilke lover som gjelder for materialers oppførsel. Hvor store krefter må til for å skyve denne steinen bortover bordflaten? Det finnes ingen matematiske modeller som kan beregne dette i dag, sier Dysthe, som er fascinert av alt som kan skaleres opp fra mikronivå til noe veldig stort.
– Hva er det som motiverer deg?
– Jeg vil finne svar på de grunnleggende spørsmålene!
