Различные виды подземной деятельности, такие как строительство глубоких скважин или захоронение опасных материалов, требуют долгосрочной герметизации горных пород. Группа исследователей из университета Нагои разработала инновационный метод, основанный на процессах окаменения, для герметизации трещин и разломов в горных породах с помощью «конкрементообразующей смолы». Результаты исследования были опубликованы в журнале Communications Engineering.
Подземное захоронение загрязняющих веществ, таких как радиоактивные отходы и углекислый газ, представляет собой уникальную проблему. Чтобы избежать их выброса, необходимо герметизировать шахты и скважины, используемые для исследований, и обеспечить отсутствие утечек из породы в течение длительного времени. К сожалению, современные материалы на основе цемента не обеспечивают долговечности. Особенно в сейсмоопасных странах, таких как Япония, это может привести к осложнениям в будущем, таким как утечки.
Чтобы найти решение, ведущий исследователь Хидекадзу Йошида из Университета Нагои обратился к своему опыту в области сохранения ископаемых в конкрементах карбоната кальция. Он понял, что такие конкременты образуются довольно быстро, в течение нескольких недель или лет, а окаменелости в них остаются нетронутыми в течение миллионов лет, даже если их извлекают из мест, подверженных выветриванию и сейсмическим возмущениям. Он задумался о возможности использования аналогичного подхода в промышленном контексте.
«Я понял, что хорошо сохранившиеся окаменелости в конкрециях выдерживали выветривание и тому подобное в течение десятков-сотен тысяч лет в естественной среде», – говорит Йошида.
Одной из причин долговечности окаменелостей является естественный процесс окаменения, при котором минералы, содержащиеся в грунтовых водах, выпадают в осадок и скапливаются вокруг органического материала. Кальцит, содержащийся в грунтовых водах, запечатывает останки, образуя вокруг них кристаллы, связывающие окружающие осадки. Этот механизм создает практически непроницаемую окаменелость, кристаллы которой блокируют даже маленькие, микрометровые отверстия.
Основываясь на процессе образования конкрементов, исследователи смешали два вещества, чтобы получить «конкрементообразующую смолу», которая удерживает ионы, необходимые для образования кальцита при попадании воды. Кальцит образует непроницаемые кристаллы в трещинах и отверстиях, воспроизводя процесс образования конкрементов, наблюдаемый в природе, только гораздо быстрее.
Во время испытаний в подземной лаборатории, расположенной на глубине 350 метров под поверхностью земли на Хоккайдо исследователи обнаружили, что материал на основе смолы обладает удивительными способностями к герметизации. При нанесении на потоки в горной породе он полностью и быстро их запечатывал.
В течение 2 дней в этом районе произошло 6 землетрясений, в том числе магнитудой 5,4, и смола подверглась серьезному испытанию. Несмотря на еще 5 землетрясений в течение периода испытаний, трещины остались запечатанными. Более того, открытые разломы даже заново заделали, когда кристаллы реформировались.
«Землетрясения были случайностью; мы не ожидали и не планировали их. Они стали для нас сюрпризом, но это была прекрасная возможность увидеть, как работает материал», – говорит Йошида. О таком быстром и продолжительном эффекте герметизации трещин в горных породах ранее не сообщалось. Обычные цементные материалы не могут достичь такого результата.
[Фото: Hidekazu Yoshida]
