跨孔地震层析成像（Crosshole Seismic Tomography）监测玄武岩中原位CO2矿化封存的可行性：岩石物理（Rock Physics）与地震模拟（Seismic Modeling）研究

《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》：Feasibility of Crosshole Seismic Tomography for Monitoring In Situ CO2 Mineral Storage in Basalts: A Rock Physics- and Seismic Modeling Study

　　

研究人员首先采用岩石物理模拟方法考察次生矿物沉淀如何影响玄武岩宿主岩的地震速度；随后测试了两种正演模拟方法——程函方程求解器（eikonal solver）与谱元法（Spectral Element Modeling，SEM）——以确定时间推移跨孔地震测量对不同空间尺度与强度的地震速度异常的敏感性；研究人员确定了可被跨孔地震时间推移监测成功识别的最小速度增量及相应的方解石体积沉淀量。原位CO2矿化封存作为碳捕集与封存（CCS）技术正日益受到关注，用以减少人为CO2排放；迄今原位CO2矿化封存项目主要使用流体与同位素地球化学方法进行监测；此处研究人员将跨孔地震差分走时层析成像作为一种附加地球物理监测工具来考察其可行性。

该研究发表于《Geochemistry, Geophysics, Geosystems》。研究背景方面，人为CO₂排放加剧气候变化，碳捕集与封存（CCS）是重要减缓手段，其中原位CO₂矿化封存通过将CO₂溶于水注入镁铁质或超镁铁质地层，与宿主岩反应生成碳酸盐矿物实现永久封存，目前此类项目监测主要依赖地球化学方法（化学示踪剂、反应路径模拟等），缺乏原位直接成像手段；地球物理方法中，地表地震受火山环境强散射衰减限制分辨率不足，电法受孔隙流体、温度等影响且探测深度有限，而跨孔地震层析成像（Crosshole Seismic Tomography）可避开近地表强衰减、缩短传播路径、提高分辨率，但尚未应用于CO₂矿化封存监测，因此研究人员开展此项可行性研究。研究人员通过岩石物理建模量化CO₂矿化引起的地震速度变化幅度，再通过合成跨孔地震时间推移模拟（正演采用程函方程求解器（eikonal solver）与谱元法（SEM），反演采用差分走时层析成像与fat ray层析成像），评估不同井间距、观测系统、异常幅度与尺度的可探测性，确定最小可分辨速度增量及对应方解石沉淀量，并讨论调查设计要点。

关键技术方法：研究人员主要采用三类方法：一是岩石物理建模，基于MTEX工具箱计算玄武岩体积平均刚度张量（Voigt、Reuss、Hill平均），用Kuster-Toks?z（KT）模型计算干岩模量（考虑球形孔隙与钱币形裂纹两类孔隙形态），再通过Gassmann低频关系式引入流体饱和效应，量化方解石沉淀导致孔隙度降低引起的P波速度（v_p）变化；二是合成地震正演，构建含随机起伏（von Karman自相关函数）的异构速度模型（基准v_p=5 km/s，相关长度66 m，起伏5%），引入不同幅度（dv_p=0.1%~5%）与尺度（横向5~20 m，纵向25 m）的正速度异常模拟矿化区，分别用谱元法（Specfem2D，各向同性爆炸源、主频1000 Hz）与程函方程求解器计算初至走时，二者结果相关性>0.98后选用高效的程函求解器开展参数扫描；三是时间推移反演，用inv2dm代码进行差分走时层析成像与fat ray层析成像，正则化参数由L曲线确定，用模型分辨率矩阵与目标函数Ω_u、拟合度F定量评价反演质量；模型参数参考冰岛Helguvík、Hellisheiei等玄武岩封存点实测数据（初始孔隙度≈8.5%，矿物组成据Stavropoulou等2024的Holmsberg样品XRD结果）。

研究结果：2 Methodology（方法）——研究人员首先建立岩石物理工作流程：用MTEX计算玄武岩（据冰岛Holmsberg样品平均矿物组成）Hill平均刚度张量，KT模型加Gassmann饱和得到饱和岩v_p，分析球形孔隙与钱币形裂纹（纵横比α=0.1）两种端元下孔隙度Φ与方解石体积分数φ_calcite对v_p的影响，得出随方解石充填孔隙（Φ减小、φ_calcite增大）v_p可增加5.9%~20.4%（孔隙趋近0时），对应231 kg_calcite/m³岩石体积；建立异构速度模型：确定性背景v_p=5 km/s，随机起伏用von Karman自相关（相关长度66 m，起伏5%），v_p/v_s=√3，q_p=60、q_s=100，网格1.6 m×1.6 m；正演对比SEM与程函求解器，二者初至走时相关系数0.9997，时间滞后相关系数>0.98，故后续用程函求解器；反演用inv2dm做差分走时层析成像（网格2.5 m×2.5 m，拾取误差±0.1 ms，L曲线定阻尼与平滑）与fat ray层析成像（中心频率2 kHz），定义拟合度F与目标函数Ω_u定量评价；设计两类观测系统：setup A为粗源-接收几何（dw=25、50、75 m，源深200~400 m@4 m，接收深300~346 m@2 m，异常dv_p=1%、5%，横向50 m、纵向25 m），setup B为密源-接收几何（dw=25、50、75、99 m，源深25~150 m@1 m或4 m，接收深25~150 m@2 m或8 m，异常横向5~20 m、纵向25 m，dv_p=0.1%~5%，异常距左井5 m）。

3 Results（结果）——3.1 Results for Setup A: Coarse Source-Receiver Geometry, Constant Anomaly Geometry（setup A结果：粗几何、固定异常）：反演可识别dv_p=1%与5%异常，但dv_p=5%时异常形态与幅度恢复更好，dv_p=1%时异常区速度散射较强；井间距增大则分辨率降低（模型分辨率最高近接收组、向井间中心与接收段外递减），dw=75 m时异常轮廓模糊、幅值低估100~150 m/s；高速度区（近左井x=0 m，深285~350 m）在dw≤50 m恢复较好，dw=75 m时分辨率不足。

3.2 Results for Setup B: Dense Source-Receiver Geometry, Variable Anomaly Geometry（setup B结果：密几何、可变异常）：以dw=75 m、dv_p=1%、异常横向15 m为例，反演可识别异常水平边界（深75~100 m），但横向边界模糊（缺乏陡倾角射线），幅值低估15~20 m/s；目标函数Ω_u显示dv_p≤1%时重建质量差（Ω_u高），dv_p≥1%~1.5%后Ω_u趋于稳定，更小异常横向尺度对应稍高Ω_u（稍差）；traveltime层析与fat ray层析结果相似，检测阈值均为dv_p=1.0%~1.5%；密与疏源-接收间距反演质量无显著差异，但若沉淀呈小尺度斑块（如沿裂隙）则密间距更优；dw=25 m在dv_p≤1%时Ω_u偏高（与正则参数选择有关），总体井间距影响相对较小。

讨论部分：4.1 Rock Physics Modeling for Predicting Seismic Velocity Changes（岩石物理建模预测速度变化）——模型显示注入点附近因宿主岩溶解、孔隙度增大会使v_p略降（dv_p≈?0.24%~?0.72%），矿化区孔隙度降、方解石充填使v_p升（dv_p≈0.55%~1.70%，取决于孔隙形态），裂纹端元更敏感；据Carbfix反应路径模拟，1200 t CO₂注入仅致0.1 vol%次生矿物（dv_p≈0.07%），但岩心观察显示局部孔隙充填可达半数以上，对应dv_p远超检测限；本模型所需dv_p=1%对应方解石13~41 kg/m³岩石体积（孔隙度降0.48%~1.52%，相对降5%~21%）；与Navarro等经验v_p–孔隙度关系比，本文裂纹模型需更多方解石达dv_p=1%（8.6 kg/m³），差异源于频率（Gassmann低频vs超声）、忽略裂隙（Navarro样含裂隙，更低纵横比α≈0.04可匹配）、KT模型适用孔隙度范围；其他次生矿物（菱镁矿、菱铁矿、沸石等）引起dv_p与方解石相近，仅v_p无法区分矿物种；dv_s变化幅度小于dv_p，若用尾波干涉可测dv_s≈0.1%，对应方解石仅2.7~5.0 kg/m³。

4.2 Lessons Learned for Survey Planning（调查设计启示）——研究人员总结出6点：①传感器采样频率是分辨dv_p<1%的主要限制，需≥50 kHz（最好MHz级重采样互相关）；②目标储层需良好射线覆盖，应利用地层、孔隙度、渗透率、反应输运模拟等先验信息布置观测系统；③密源-接收间距（如1 m/2 m）与疏间距（4 m/8 m）反演质量相近，但若异常呈小尺度（如裂隙带）则密间距必要；④跨孔几何缺乏陡倾角射线，横向异常边界难分辨，需补充VSP或反射地震；⑤程函求解忽略衰减，实际火山岩强频变衰减（Q_p≈60）会限制有效偏移、首波拾取，需进一步研究衰减、源强与频率影响；⑥最早时间推移测量时机：dv_p=1%对应5 m×25 m异常需33~106 t CO₂矿化（假设圆柱半径5~10 m、高25 m、95%矿化率），具体需反应输运模拟确定。

结论部分（5 Conclusion）：研究人员通过岩石物理建模（以冰岛玄武岩为例）得出孔隙度变化与次生矿物充填可使v_p提升达数十%（全孔隙充填时）；合成跨孔地震时间推移层析成像表明，最小可分辨异常为尺度5 m×25 m、dv_p=+1%（对应方解石13~41 kg/m³岩石体积）；成功监测需观测系统针对性覆盖储层、考虑火山岩强衰减、保证足够采样率（≥50 kHz）与横向分辨率；跨孔地震层析成像是原位CO₂矿化封存可行的高分辨率监测工具。