Volume 51, Number 3, 2024

EN:

This paper reviews the five Ws (Why, What, Who, When, and Where) of carbon capture and storage in southwestern Ontario. This area is home to nearly one quarter of Canada’s population and approximately three-quarters of one million people work in the manufacturing sector. Fifteen of the province’s top 20 CO2 emission point sources are in this area. The industries responsible for these emissions include steel mills, refineries and petrochemical plants, and cement plants. These industries are part of the hard-to-abate sector, in that CO2 is used or generated as an integral part of the industrial process. As such, eliminating or even reducing emissions from these industries is a difficult task.

Carbon capture and storage (CCS) projects aim to sequester that gas in sedimentary basins over periods exceeding several thousand years. To this end, deeply buried (> 800 m) porous and permeable rocks (a repository) must be overlain by impermeable rocks that act as a seal, preventing the upward migration of CO2 into the atmosphere. The possibility that injection activities could trigger seismicity is but one of the additional considerations. When operational, CCS projects have a negative carbon footprint and the desirability of developing and using this technology has been established for over 20 years. True CCS projects differ from carbon capture, utilization, and storage (CCUS) projects in that the former are only designed with sequestration in mind. One type of CCUS project involves using CO2 for enhanced oil recovery (EOR) and this technology has been employed for several decades.

Cambrian sandstones are the most suitable injection targets for CCS in southwestern Ontario because previous oil and gas drilling has shown the rocks to have the necessary characteristics. They are buried below 800 m, can be tens of metres thick, and have adequate porosity and permeability. However, the Cambrian section is lithologically and stratigraphically heterogeneous and oil, gas, and brine can all be present in the pore space. The extent to which this complexity will affect CO2 injection has not yet been evaluated.

FR:

Cet article passe en revue les cinq W (de l'anglais: Why, What, Who, When, and Where, ou en français: Pourquoi, Quoi, Qui, Quand, et Où) du captage et du stockage du carbone dans le sud-ouest de l’Ontario. Cette région abrite près d’un quart de la population canadienne et environ les trois quarts d’un million de personnes travaillent dans le secteur manufacturier. Quinze des 20 principales sources ponctuelles d’émission de CO2 de la province se trouvent dans cette région. Les industries responsables de ces émissions comprennent les aciéries, les raffineries et les usines pétrochimiques, ainsi que les cimenteries. Ces industries font partie du secteur pour lequel les émissions sont difficile à réduire, dans la mesure où le CO2 est utilisé ou généré dans le cadre du processus industriel. Par conséquent, éliminer ou même réduire les émissions de ces industries est une tâche difficile.

Les projets de captage et de stockage du carbone (CSC) visent à séquestrer ce gaz dans des bassins sédimentaires sur des périodes dépassant plusieurs milliers d’années. À cette fin, des roches poreuses et perméables (un emplacement de stockage) profondément enfouies (> 800 m) doivent être recouvertes de roches imperméables qui empêchent l’ascension du CO2 vers l’atmosphère. La possibilité que les activités d’injection puissent déclencher une sismicité n’est qu’une des considérations supplémentaires. Lorsqu’ils sont opérationnels, les projets de CSC ont une empreinte carbone négative et l’intérêt de développer et d’utiliser cette technologie est établi depuis plus de 20 ans. Les véritables projets de CSC diffèrent des projets de captage, d’utilisation et de stockage du carbone (CUSC) en ce sens que les premiers sont conçus uniquement dans un souci de séquestration. Un type de projet de CUSC consiste à utiliser du CO2 pour la récupération assistée du pétrole (RAP) et cette technologie est utilisée depuis plusieurs décennies.

Les grès cambriens sont les cibles d’injection les plus adaptées pour le CSC dans le sud-ouest de l’Ontario, car les forages pétroliers et gaziers antérieurs ont montré que les roches avaient les caractéristiques nécessaires. Elles sont enfouies à moins de 800 m, peuvent avoir des dizaines de mètres d’épaisseur et ont une porosité et une perméabilité adéquates. Cependant, la section cambrienne est hétérogène sur le plan lithologique et stratigraphique, et du pétrole, du gaz et de la saumure peuvent tous être présents dans l’espace poreux. La mesure dans laquelle cette complexité affectera l’injection de CO2 n’a pas encore été évaluée.

EN:

The most abundant iron sulphide minerals in igneous, metamorphic, and some sedimentary rocks are FeS2 (pyrite/marcasite) and Fe1-xS (pyrrhotite). The oxidation of pyrite and pyrrhotite in bedrock aggregates and mine tailings is undesirable to infrastructure and the environment because such chemical reactions are linked with concrete deterioration and acid mine drainage, respectively. The oxidation rate of pyrrhotite is up to one hundred times greater than that of pyrite; thus, pyrrhotite oxidation is of particular concern to society. Pyrrhotite-bearing concrete aggregates may lead to rapid expansion cracking and failure of critical concrete infrastructure including bridges, buildings, and houses, posing a significant safety concern. Additionally, premature disintegration of concrete requires replacement of concrete, leading to excessive aggregate resource extraction and associated increases in CO2 emissions. Considering the widespread concrete infrastructure across Canada, the distribution of pyrrhotite in bedrock used for aggregate is of fundamental importance to the short- and long-term safety of Canadians at the national, regional, and local scales.

This pilot study details the initial steps taken to generate national-scale geospatial models of pyrrhotite occurrences in bedrock across Canada and illustrates the associated map products. In total, 12,577 known pyrrhotite occurrences were identified from publicly available provincial and territorial mineral occurrence datasets. The overall modelling strategy involved normalizing the number of pyrrhotite occurrences with respect to the total surface area of major bedrock types and characterizing three different classes of pyrrhotite occurrence density (< 1, 1–4, and 4–10 occurrences/1000 km2). The maps illustrate that pyrrhotite occurrence density is highest in volcanic rocks and undifferentiated sedimentary and volcanic rocks, moderate in intrusive and unknown rocks, and lowest in sedimentary and metamorphic rocks. Sedimentary rocks with no pyrrhotite occurrences span large surface areas across central-western Canada thus resulting in an overall low pyrrhotite occurrence density (< 1 occurrence/1000 km2) for this rock type, despite the fact that numerous pyrrhotite occurrences are identified in sedimentary rocks and may be abundant locally or regionally. Volcanic, undifferentiated sedimentary and volcanic, intrusive, and unknown rocks occur throughout the Canadian Shield of central and northern Canada, the Cordillera of western Canada, and the Appalachians of eastern Canada, but bedrock type and associated occurrence density are highly variable within these geological domains.

Comparison of pyrrhotite occurrence density maps for Canada with pyrrhotite permissive geology maps for the United States of America illustrates that rocks with a high pyrrhotite occurrence density in Canada (volcanic rocks and undifferentiated sedimentary and volcanic rocks), are contiguous overall with areas of pyrrhotite potential in the United States. Inconsistencies across the international border reflect the differing methodologies and assumptions consisting of a statistically based approach for Canada and a qualitative approach for the United States. In the Cordillera and Appalachians, such discontinuities across the international border may reflect the underestimation of pyrrhotite occurrences in sedimentary rocks of Canada because of the impact of high surface area on the pyrrhotite occurrence density calculations.

The maps presented herein are a first step in illustrating the distribution of pyrrhotite-bearing bedrock across Canada and greater North America. These national-scale map products are useful first-order references for selecting regions for follow-up studies on bedrock pyrrhotite occurrences. Regional and local geospatial analysis combined with field work for ground truthing will be important aspects of future research, especially in the vicinity of population centres where bedrock is utilized for concrete aggregate. Detailed regional and local studies of pyrrhotite occurrences in bedrock will help guide the extraction of safe concrete aggregate and contribute to the long-term sustainability of bedrock resources, safe infrastructure, and a habitable climate.

FR:

Les minéraux sulfurés de fer les plus abondants dans les roches ignées, métamorphiques et certaines roches sédimentaires sont FeS2 (pyrite/marcassite) et Fe1-xS (pyrrhotite). L'oxydation de la pyrite et de la pyrrhotite dans les granulats du substratum rocheux et les résidus miniers est indésirable pour les infrastructures et l'environnement, car de telles réactions chimiques sont liées à la détérioration du béton et au drainage minier acide, respectivement. Le taux d'oxydation de la pyrrhotite est jusqu'à cent fois supérieur à celui de la pyrite; l'oxydation de la pyrrhotite est donc particulièrement préoccupante pour la société. Les granulats à béton contenant de la pyrrhotite peuvent entraîner une fissuration par expansion rapide et la défaillance d'infrastructures critiques en béton, notamment des ponts, des bâtiments et des maisons, posant un problème de sécurité important. De plus, la désintégration prématurée du béton nécessite son remplacement, ce qui entraîne une extraction excessive des ressources en granulats et une augmentation associée des émissions de CO2. Compte tenu de l’étendue des infrastructures en béton au Canada, la répartition de la pyrrhotite dans le substratum rocheux utilisé comme granulat a une importance fondamentale pour la sécurité à court et à long terme des Canadiens à l’échelle nationale, régionale et locale.

Cette étude pilote détaille les étapes initiales prises pour générer des modèles géospatiaux à l’échelle nationale de la présence de pyrrhotite dans le substratum rocheux à travers le Canada et présente les documents cartographiques associés. Au total, 12 577 occurrences de pyrrhotite connues ont été identifiées à partir de données sur les occurrences minérales provinciales et territoriales accessibles au public. La stratégie de modélisation générale consistait à normaliser le nombre d’occurrences de pyrrhotite par rapport à la surface totale des principaux types de substratum rocheux et à caractériser trois classes différentes de densité de présence de pyrrhotite (< 1, 1–4 et 4–10 occurrences/1000 km2). Les cartes montrent que la densité de présence de pyrrhotite est la plus élevée dans les roches volcaniques et les roches sédimentaires et volcaniques non différenciées, modérée dans les roches intrusives et inconnues, et plus faible dans les roches sédimentaires et métamorphiques. Les roches sédimentaires sans occurrence de pyrrhotite s'étendent sur de grandes superficies à travers le centre-ouest du Canada, ce qui se traduit par une faible densité de présence de pyrrhotite (< 1 occurrence/1000 km2) pour ce type de roche, malgré le fait que de nombreuses occurrences de pyrrhotite soient identifiées dans les roches sédimentaires et puissent être abondantes localement ou régionalement. Des roches volcaniques, sédimentaires et volcaniques non différenciées, intrusives et inconnues se trouvent dans tout le Bouclier canadien du centre et du nord du Canada, dans la Cordillère de l'ouest du Canada et dans les Appalaches de l'est du Canada, mais le type de substrat rocheux et la densité de présence associée sont très variables dans ces domaines géologiques.

La comparaison des cartes de densité de présence de pyrrhotite au Canada avec les cartes de géologie favorable à la pyrrhotite aux États-Unis d'Amérique montre que les roches à forte densité de présence de pyrrhotite au Canada (roches volcaniques et roches sédimentaires et volcaniques non différenciées) sont généralement contiguës aux zones à potentiel de pyrrhotite aux États-Unis. Les incohérences de part et d'autre de la frontière internationale reflètent les différences de méthodologies et d'hypothèses consistant en une approche statistique pour le Canada et une approche qualitative pour les États-Unis. Dans la Cordillère et les Appalaches, de telles discontinuités de part et d'autre de la frontière internationale peuvent refléter la sous-estimation des occurrences de pyrrhotite dans les roches sédimentaires du Canada en raison de l'impact des grandes superficies sur les calculs de densité de présence de pyrrhotite.

Les cartes présentées ici constituent une première étape dans l'illustration de la répartition du substrat rocheux contenant de la pyrrhotite au Canada et dans l’ensemble de l’Amérique du Nord. Ces documents cartographiques à l’échelle nationale constituent des références de premier ordre utiles pour sélectionner les régions où seront menées des études de suivi sur les occurrences de pyrrhotite dans le substratum rocheux. L’analyse géospatiale régionale et locale combinée à des travaux de validation sur le terrain seront des aspects importants de futures recherches, en particulier à proximité des centres de population où le substratum rocheux est utilisé comme granulats à béton. Des études régionales et locales détaillées des occurrences de pyrrhotite dans le substratum rocheux aideront à guider l’extraction de granulats à béton sûrs et contribueront à la durabilité à long terme des ressources du substratum rocheux, à la sécurité des infrastructures et à un climat habitable.