The Importance of Baseline Surveys of Near-Surface Gas Geochemistry for CCS Monitoring, as Shown from Onshore Case Studies in Northern and Southern Europe

Importance des lignes de base pour le suivi géochimique des gaz près de la surface pour le stockage géologique du CO₂, illustration sur des pilotes situés à terre en Europe du Nord et du Sud

¹ Dipartimento di Scienze della Terra, Università di Roma “La Sapienza”, 5 Piazzale Aldo Moro, 00185, Roma – Italy
² ENEA - Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie, l’Energia e lo Sviluppo Economico Sostenibile, Sezione Impianti e Processi Energetici - Centro Ricerche Casaccia, Roma – Italy
e-mail: stanley.beaubien@uniroma1.it – livio.ruggiero@uniroma1.it – aldo.annunziatellis@uniroma1.it – sabina.bigi@uniroma1.it – giancarlo.ciotoli@uniroma1.it – paolo.deiana@enea.it – stefano.graziani@uniroma1.it – salvatore.lombardi@uniroma1.it

^* Corresponding author

Abstract

The monitoring of the integrity of onshore geological carbon capture and storage projects will require an approach that integrates various methods with different spatial and temporal resolutions. One method proven to be quite effective for site assessment, leakage monitoring, and leakage verification is near-surface gas geochemistry, which includes soil gas concentration and gas flux measurements. Anomalous concentrations or fluxes, relative to the natural background values, can indicate the potential occurrence of a leak. However the natural background can be quite variable, especially for CO₂, due to biological production and accumulation in the soil that changes as a function of soil type, land use, geology, temperature, water content, and various other parameters. To better understand how these parameters influence natural, near-surface background values, and to examine the potential of different sampling strategies as a function of the survey goals, this paper reports results from two highly different case studies, one from northern Europe (Voulund, Denmark) and one from southern Europe (Sulcis, Sardinia, Italy). The small Voulund site, with its homogeneous soil, climate, and topography, was surveyed twice (in fall and in spring) within the EU-funded SiteChar project to examine the effects of different land use practices and seasons on baseline values. Forested land was found to have lower CO₂ concentrations during both campaigns compared to cultivated and heath land, and higher CH₄ values during the spring sampling campaign. Continuous monitoring probes showed much more detail, highlighting seasonal changes in soil gas CO₂ concentrations linked primarily to temperature variations. The much larger Sulcis site, studied within an ENEA-funded project on potential CO₂-ECBM (Enhanced Coal Bed Methane) deployment, was surveyed at the regional scale and on detailed grids and transects for site assessment purposes. Despite the completely different soil and climate conditions, the statistical distribution of the Sulcis data was similar to that of Voulund. Much higher soil gas CO₂ anomalies were found at this site, however, due to the less permeable sediments (i.e., better water retention and greater gas accumulation) and the warmer temperatures. Detailed surveys at this site highlighted various significant anomalies, some of which can be explained by near surface biological processes, whereas others, especially helium anomalies, were more difficult to explain. These results show the utility of baseline surveys, and highlight the need for follow-up studies to clarify any unexplained anomalies before any CO₂ storage.

Résumé

La surveillance de l’intégrité des projets de stockage géologique du CO₂ situé à terre requiert une approche intégrant diverses méthodes offrant différentes résolutions spatiales et temporelles. Parmi celles-ci, le relevé géochimique des gaz en surface s’est avéré très efficace pour l’évaluation des sites, la surveillance de fuites et la vérification de l’intégrité du stockage. Cette approche comprend des mesures de concentrations des gaz dans le sol et des mesures de flux de gaz. La détection de concentrations ou des flux anormaux est un signe éventuel de fuite. Toutefois, les concentrations en gaz et flux naturels peuvent être très variables, en particulier en ce qui concerne le CO₂, de par son processus de production biologique et de son accumulation dans le sol qui dépendent du type de sol, de l’usage des terres, de la géologie, de la température, de la teneur en eau et de divers autres paramètres. Avec pour objectif la compréhension de l’influence de ces paramètres sur les valeurs naturelles en surface ainsi que l’évaluation du potentiel des différentes stratégies de sondage, ce papier présente deux études de cas très différents, l’un dans le nord de l’Europe (Voulund, Danemark) et l’autre dans le sud de l’Europe (Sulcis, en Sardaigne, Italie). Le petit site de Voulund, avec son sol, son climat et sa topographie homogènes, a fait l’objet de deux sondages (en automne et au printemps) dans le cadre du projet SiteChar financé par l’UE afin d’appréhender les effets de différentes pratiques d’utilisation des terres ainsi que ceux induits par les variations saisonnières sur les valeurs de référence. On constate que les deux campagnes ont relevé de plus faibles concentrations en CO₂ dans les zones forestières que sur les terres cultivées et prospères, et que des valeurs plus élevées en CH₄ ont été mesurées au printemps. Des sondes permettant des mesures en continu fournissent plus de détails, et montrent notamment que les changements saisonniers des concentrations en CO₂ du sol sont principalement liés aux variations de température. Dans le cadre d’un projet financé par l’ENEA sur le potentiel de déploiement ECBM (Enhanced Coal Bed Methane) de CO₂, le site de Sulcis, beaucoup plus grand que le précédent, a été étudié à l’échelle régionale au moyen d’un échantillonnage détaillé à des fins d’évaluation du site. En dépit de conditions totalement différentes du sol et du climat, la distribution statistique des données de Sulcis était semblable à celle de Voulund. Beaucoup plus d’anomalies relatives à des concentrations élevées en CO₂ du sol ont été observées sur ce site, en raison de sédiments moins perméables (i.e. d’une meilleure rétention d’eau et d’une plus grande accumulation de gaz) et de températures plus élevées. Des sondages détaillés sur ce site ont mis en évidence diverses anomalies significatives, dont certaines peuvent être expliquées par des processus biologiques près de la surface, tandis que d’autres, en particulier les anomalies de la concentration en hélium, sont plus difficiles à expliquer. Ces résultats montrent l’intérêt des lignes de base, et confirment la nécessité des études de suivi pour clarifier les anomalies inexpliquées avant tout stockage de CO₂.