تقييم الإمكانات وتحسين المناطق المناسبة لحبس CO2 جيولوجياً في خزانات الفحم العميقة

لماذا يهم تخزين الكربون في طبقات الفحم

ستتطلب خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2) بسرعة كافية لتحقيق أهداف المناخ ليس فقط طاقة أنظف، بل أيضاً مواقع لإقفال كميات هائلة من CO2 تحت الأرض بأمان لعدة قرون. تعتبر طبقات الفحم العميقة وغير القابلة للتعدين خياراً واعداً: إذ تمتص CO2 على أسطحها الداخلية وتبقيه محتجزاً، وفي الوقت نفسه تساعد على دفع غاز طبيعي ثمين للخارج. تفحص هذه الدراسة طبقة فحم رئيسية في حوض تشينشوي بالصين لطرح سؤال عملي: ما كمية CO2 التي يمكن لهذه الطبقات الفحمية العميقة أن تحتفظ بها فعلاً، وأين أفضل المواقع لضخها؟

البيئة الجوفية تحت قلب منطقة الفحم

تركز الدراسة على طبقة الفحم رقم 3 في الجزء الجنوبي من حوض تشينشوي، أحد أهم مناطق الفحم وميثان فراش الفحم في الصين. هنا تكمن طبقات سميكة من فحم بدرجة متوسطة إلى عالية على بعد بضع مئات إلى أكثر من ألف متر تحت السطح، ومحاطة بصخور طينية وحجر رملي ضيقة المسام تعمل كأختام طبيعية. ينقسم مستوى المياه الجوفية إلى طبقات شبه منفصلة، لذا لا تنتقل السوائل بينها بسهولة. الفحم في هذه الطبقة المستهدفة هو أنثراسايت قاسٍ وعالي الدرجة ذو مسامات صغيرة جداً ومساحة سطح داخلية كبيرة، مما يجعله جيداً بشكل خاص في احتجاز الغاز عن طريق الامتزاز — التصاق الجزيئات بجدران المسام — بينما تساعد الصخور المحيطة على منع التسرب.

كيف يتصرف CO2 بتغير الظروف مع العمق

عند ضخ CO2 تحت الأرض، تزداد درجة الحرارة والضغط مع العمق، ما يدفع الغاز في نهاية المطاف إلى حالة فوق حرجة ذات كثافة سائلة وحركية غازية. أعاد الباحثون خلق هذه الظروف في المختبر باستخدام فحم مطحون من عمق نحو 900 متر. قاسوا كمية CO2 التي يمكن أن يمتصها الفحم عند ثلاث درجات حرارة (20 و30 و40 درجة مئوية) وضغوط تصل إلى 20 ميغاباسكال. عند جميع الدرجات، امتص الفحم CO2 بسرعة مع ارتفاع الضغط في البداية، ثم وصل إلى ذروة، وأخيراً أظهر تراجعاً خفيفاً في الكمية ‘‘الزائدة’’ المقاسة. أدت الظروف الأكثر دفئاً إلى تقليل كمية CO2 المحتجزة عند أي ضغط معين، مما يعني أن الطبقات الأعمق والأكثر دفئاً تتصرف بشكل مختلف عن الطبقات الضحلة والأبرد.

بناء حاسبة تخزين بسيطة لكنها فعالة

لتحويل هذه القياسات إلى أداة تخطيطية، اختبر الفريق ثلاث صيغ رياضية معيارية للامتزاز ووجد أن نهجاً متعدد الطبقات المعروف بنموذج BET هو الأفضل في التقاط سلوك CO2، لا سيما بالقرب من نقطة التحول وفوقها حيث يصبح الغاز فوق حرجي. ثم جمعوا هذا النموذج مع صيغ منفصلة لحجز CO2 في الفراغ المفتوح للمسامات كوسيط حر وللجزء الصغير الذي يذوب في مياه التكوين. وقد اعتُبرت التفاعلات المعدنية، التي من شأنها قفل CO2 في كربونات صلبة على مدى ملايين السنين، غير مهمة على مقياس الزمن الهندسي في هذه الطبقة الفحمية. النتيجة هي مجموعة معادلات مدمجة تقدر إجمالي تخزين CO2 لكل وحدة كتلة من الفحم كدالة للعمق، باستخدام قيم نمطية للمسامية، ومحتوى الماء، وكثافة الفحم، والضغط ودرجة الحرارة في الموقع.

كم يمكن تخزينه وأين الأفضل

بإدخال بيانات جيولوجية إقليمية في هذا الإطار، حسب المؤلفون كيف تتغير سعة التخزين من عمق حوالى 300 إلى 1300 متر. في الطبقات الأضحل ‘‘تحت الحرجة’’ يسود الامتزاز على أسطح الفحم وتزداد السعة بشكل معتدل مع العمق قبل أن تستقر. أدنى نحو 800 متر، حيث يصبح CO2 فوق حرجي، يرتفع نصيب التخزين كسائل حر كثيف في المسامات بسرعة، وتصعد السعة الإجمالية بشكل حاد حتى حوالى 1100 متر، ثم تنمو ببطء أكبر. بشكل عام، يمكن للطبقات الفحمية الرئيسية في كتلة الدراسة أن تحتفظ نظرياً بحوالى 575 مليون طن من CO2، مع نحو ثلثي هذه السعة في منطقة العمق الفوق حرجي. تُظهر الخرائط التركيبية التفصيلية أن المناطق الأكثر وعداً، المصنفة بالوحدتين I وII، تقع في الجزء الشمالي ذي البنية البسيطة من الكتلة، حيث تتلاقى فحم سميك، وصخور مانعة جيدة، وعيوب قليلة عرضة للتسرب مع إمكانات قوية لميثان فراش الفحم.

ماذا يعني هذا للعمل المناخي واستخدام الطاقة

للغير متخصصين، الرسالة الأساسية هي أن بعض طبقات الفحم العميقة يمكن أن تعمل كسماعات أرضية شاسعة لCO2، لا سيما حيث تضغط الحرارة والضغط الغاز إلى حالة فوق حرجة وكثيفة. في مثال حوض تشينشوي، تشكل الامتزاز على الفحم والCO2 الحر الكثيف في المسامات معاً أكثر من 99% من إمكانات التخزين، بينما يلعب الذوبان في الماء والتفاعلات المعدنية البطيئة جداً دوراً ضئيلاً على المدى القصير إلى المتوسط. تُظهر الدراسة أن نقطة التوازن من حيث الأمان والكفاءة تقع بين حوالى 800 و1100 متر عمق، وأن أفضل مواقع الضخ غالباً ما تتداخل مع حقول وآبار غاز قائمة. يفتح ذلك الباب أمام مشاريع تخزن CO2 مع تعزيز إنتاج الميثان في الوقت نفسه، مما يساعد في تغطية تكاليف التخزين ودفع أهداف الصين «الكربون المزدوج» لبلوغ ذروة الانبعاثات ثم خفضها.

الاستشهاد: Xue, Z., Xu, X., Tian, L. et al. Potential evaluation and favorable zone optimization of CO₂ geological sequestration in deep coal reservoirs. Sci Rep 16, 12208 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42680-z

الكلمات المفتاحية: تخزين CO2, طبقات الفحم العميقة, سوائل فوق حرجة, ميثان فراش الفحم, احتجاز الكربون وتخزينه