US-Norwegian collaboration on fluid-consuming transformation processes

Senteret for Geologiske Prosessers fysikk (PGP) har utviklet et verdensledende forskningsmiljø i grenselandet mellom fysikk, geofag og informatikk. Et sentralt forskningsområde for senteret har vært vekselvirkningen mellom væsker og tette bergarter -- bergarter som har lav, initial permeabilitet. Dette område er viktig for vår forståelse av omvandlingsprosesser i jordskorpen, oppførselen til væsker i nanoporøse materialer, og for anvendte problemstillinger som CO2 lagring og utvinning av hydrokarboner. Stein påvirkes av tektoniske krefter som virker over mange kilometer, men deformasjonen avhenger av de mekaniske egenskapene, som påvirkes av vekselvirkningen mellom væsker og bergarter som skjer på nanometer-skala. For å kunne studere prosesser som er koblet over så mange lengeskalaer har PGP utviklet et bredt spekter av ekspertise, herunder verdensledende aktiviteter innen eksperimenter, beregninger og feltstudier. Men for å kunne løfte forståelsen av vekselvirkningen mellom væske og stein til et nytt nivå, må aktiviteten i senteret styrkes i retning av storskala felt-observasjoner, mikroskopiske eksperimenter på væskeoverflater og atomære simuleringsmetoder. Målet med dette prosjektet er derfor å utvikle varige, internasjonale partnerskap for å styrke disse delene av vår aktivitet i samarbeid med verdensledende grupper. I løpet av det første året har vi initiert flere utvekslingsprogrammer gjennom dette prosjektet. Det strategiske samarbeidet mellom PGP, Columbia og USC har vært ivaretatt gjennom flere forskerutvekslinger. I 2017-2018 ble samarbeidet videreført gjennom felles, internasjonalt feltarbeid i Norge, Oman, og Japan. Dette arbeidet er nært knyttet til hvordan CO2 reagerer med ultramafiske bergarter med vekt på mulig permanent lagring av CO2. Borre-prosjektet i Oman (Oman drilling project) har spilt en sentral rolle i samarbeidet i 2018, med flere felles feltarbeid. Dette prosjektet har dessuten oppnådd betydelig internasjonal presseomtale, bl.a. en lang feature-artikkel i New York Times. PGP har også tiltrukket seg to internasjonalt ledende forskere som har hatt sin sabbattical i Norge. Professor Wenlu Zhu fra University of Maryland tilbragte hele det akademiske året fra 2016-2017 ved PGP. Hun er en ledende forsker som arbeider eksperimentelt med hvordan ultramafiske bergarter, og modeller for disse, reagerer med fluider som vann. Denne langvarige utvekslingen har dannet grunnlaget for et samarbeid og hun vil komme tilbake til PGP flere ganger i løpet av prosjektperioden. Professor Yehuda Ben-Zion fra University of Southern California er ledende innen jordskjelvsforskning og arbeider nå sammen med PGP for å se hvordan reaksjoner mellom fluider og bergarter har påvirket jordskjelv. Dette arbeidet har ført fram til en artikkel i topp-tidsskriftet Nature i 2018. Ben-Zion har avtalt å ha sin sabbatical ved PGP også de følgende årene, og vil være med å organisere en internasjonal workshop og konferanse i Norge ? organisert gjennom prosjektet. PGP har videreutviklet samarbeidet med Collaboratory for Advanced Computing and Simulations ved University of Southern California i 2017, 2018 og 2019. Gjennom dette INTPART prosjektet har tre PhD-studenter og tre master-studenter hatt lengre opphold ved USC i 2017, i 2018 og i 2019. Dette gir oss en mulighet til å lære opp våre studenter innen områder hvor USC har en verdensledende aktivitet. PhD-studentene har også bidratt med støtte til forskningsprosjekter ved USC, noe som binder institusjonene nærmere sammen. Prosjektet har hatt to svært vellykkede første år og har produsert to artikler om dannelsen av nanokrystaller som er under vurdering i ledende tidsskrifter. Prosjektet har lykkes i å bygge et sett med strategiske partnerskap med ledende amerikanske institusjoner som både bringer kritisk kompetanse til Norge og som bidrar til å utdanne våre studenter slik at de har konkurransedyktig kompetanse som vil komme til nytte i Norge. I 2020-2021 har vi konsolidert samarbeidene på digitale platformer, men de planlagte workshops og felles feltaktiviteter i 2020 og 2021 har blitt utsatt pga covid-restriksjoner.

-

The center for the Physics of Geological Processes (PGP) has developed a world-leading environment in the intersection between physics, geology and computer science. An area of particular focus for the center is the interaction between fluids and tight rocks -- rocks with low initial permeability -- which is important to understand the dynamic of metamorphism in the Earth's crust, the behavior of confined fluids and interfaced in nanoporous media, and for applied problems such as CO2 storage and enhanced hydrocarbon production. Although rocks deform in response to tectonic stresses at length scales of kilometers, the deformation also depends on the mechanical properties of the rock, which are affected by fluid-rock interactions at nanometer scale at the interface between fluids and mineral surfaces. To be able to study such a coupled process across vast differences in length scales, PGP has acquired a wide range of expertise, including specialized, world-leading activities in experimental, computational and field studies. However, in order to develop our understanding of fluid-rock interactions to the next level, the activity of the center needs to be strengthened in directions of large-scale observational studies, microscopic experiments of fluid interfaces, and atomic modeling methods for interface processes. Our ambition is therefore to develop lasting international collaborations to strengthen these aspects of our activity in collaboration with world-leading groups. We see the need (i) to develop educational programs to bring forward the next generation of students with a competence that combines the expertise of the center with selected competences from international collaborators to address challenges in fluid-rock interactions, and (ii) to develop strong and lasting international research collaborations that can successfully address new challenges in fluid-rock inter-actions and strengthen our position as a leading research center.