Avaliação hidrogeoquímica da interação CO₂-água subterrâena-mineral em aquífero raso : implicações para o monitoramento ambiental em projetos de armazenamento geológico de carbono (CCS)

Abstract

O aumento contínuo da concentração de CO₂ atmosférico, decorrente das atividades humanas, está causando graves consequências climáticas. Nesse contexto, tecnologias como a Captura e Armazenamento Geológico de Carbono (CCS) são essenciais para reduzir as emissões. No entanto, essa técnica, que envolve a injeção de CO₂ em reservatórios geológicos, levanta preocupações quanto ao potencial vazamento do gás em direção à superfície, o que poderia comprometer a qualidade da água subterrânea acima desses reservatórios. Embora o CO₂ não seja intrinsecamente um contaminante, sua concentração excessiva pode desencadear reações com a mineralogia do aquífero, alterando a qualidade da água, tornando crucial a avaliação das possíveis consequências dessa interação. Este estudo objetiva avaliar a interação CO₂-água subterrânea-mineral em um aquífero poroso raso de mineralogia aluminossilicática, identificando alterações hidrogeoquímicas e determinando parâmetros indicativos desse processo. Para isso, foi realizada uma caracterização hidrogeológica e geofísica no campo experimental do TECNOPUCViamão (RS), além do monitoramento da variabilidade hidroquímica e da assinatura isotópica de carbono (δ¹³C-DIC) ao longo de três anos. A água subterrânea foi coletada em poços de monitoramento multiníveis em diferentes unidades hidroestratigráficas. Em seguida, um experimento de vazamento controlado de CO₂ foi conduzido com monitoramento frequente da interação por meio de análises físicoquímicas e químicas de elementos maiores, menores e traços. Apesar do impacto de eventos de precipitação em alguns parâmetros, observou-se uma alta correlação (ρ > 0,70) e um padrão linear cronológico de evolução entre a pressão parcial de CO₂ (PCO₂) e variáveis como Condutividade Elétrica (CE), pH, ORP, Alcalinidade Total (AT), Ca, Mg, K, Na, Si, Ba, Sr, Fe, Mn, PO₄ ³⁻ e HCO₃⁻, com alguns parâmetros destacando-se como indicadores mais eficazes do impacto de vazamentos de CO₂. Alguns elementos, como Fe e Mn exigem atenção, pois excederam limites legais. Esses resultados indicam que, com monitoramento adequado e um background sazonal bem estabelecido, é possível diagnosticar e avaliar eficazmente os impactos de vazamentos não intencionais de CO₂ em projetos de CCS.

The continuous increase in atmospheric CO₂ concentration, driven by human activities, is causing severe climatic consequences. In this context, technologies such as Carbon Capture and Storage (CCS) are essential for reducing emissions. However, this technique, which involves the injection of CO₂ into geological reservoirs, raises concerns about the potential for gas leakage towards the surface, which could compromise the quality of groundwater above these reservoirs. Although CO₂ is not inherently a contaminant, its excessive concentration can trigger reactions with the aquifer mineralogy, altering the water natural quality, making it crucial to assess the potential consequences of this interaction. This study aims to evaluate the CO₂- groundwater-mineral interaction in a shallow, aluminosilicate-rich porous aquifer at the TECNOPUC-Viamão experimental site in Southern Brazil, identifying hydrogeochemical alterations and determining key indicators of this process. To achieve this, a hydrogeological and geophysical characterization was conducted, along with monitoring hydrochemical variability and the carbon isotopic signature (δ¹³C-DIC) over three years. Groundwater samples were collected from multilevel monitoring wells across different hydrostratigraphic units. Subsequently, a controlled CO₂ leakage experiment was conducted, with frequent monitoring of the interaction through physicochemical and chemical analyses of major, minor, and trace elements. Despite the impact of precipitation events on some parameters, a high correlation (ρ > 0.70) and a chronological linear evolution pattern were observed between the partial pressure of CO₂ (PCO₂) and variables such as Electrical Conductivity (EC), pH, ORP, Total Alkalinity (TA), Ca, Mg, K, Na, Si, Ba, Sr, Fe, Mn, PO₄ ³⁻, and HCO₃⁻, with some parameters standing out as more effective indicators of CO₂ leakage impacts. Certain elements, such as Fe and Mn, require attention, as they exceeded legal limits. These results indicate that, with adequate monitoring and a well-established seasonal background, it is possible to effectively diagnose and assess the impacts of unintentional CO₂ leaks in CCS projects.