矿物碳汇：二氧化碳减排的新契机

摘要：矿物碳汇独特的化学俘获机理可确保CO2被永久封存在地球内部，泄露风险很低，易被公众接受，是较为安全和理想的CO2封存方法。

Seifritz于1990年最早提出利用矿物转化方式封存CO2。2008年，Oelkers指出，具有封存CO2潜力的矿物有硅灰石、镁橄榄石、蛇纹石、钙长石、玄武岩玻璃等。最近，冰岛CarbFix项目在工程注入试验中发现，CO2在玄武岩层中的矿化速度非常惊人，在不到2年的时间内，该项目近95%的CO2被矿化，这为CO2的有效减排带来了新契机。

一、矿物碳汇的概念

本文讨论的矿物碳汇是指以超临界（液态）或饱和水溶液的形式将捕获的CO2注入地下玄武岩或橄榄岩中，加速和促进CO2固化成无机碳酸盐矿物的过程。该方法选用的岩石为基性岩与超基性岩，最常见的是玄武岩和橄榄岩，因为这些岩石里面的钙、镁、铁等金属元素含量都比较高，容易与CO2发生化学反应，生成固态的无机碳酸盐矿物。

二、矿物碳汇潜力巨大

矿物碳汇独特的化学俘获机理可确保CO2被永久封存在地球内部，泄露风险很低，易被公众接受，是较为安全和理想的CO2封存方法。

矿物碳汇最有价值的是大陆玄武岩、深海玄武岩和橄榄岩（蛇绿岩）。据报道，溢流型玄武岩的CO2封存量，华盛顿与不列颠哥伦比亚近海为5000亿～2.5万亿吨、加勒比海为1万亿～5.5万亿吨；地表5000米内，阿曼蛇绿岩可吸收CO2超过30万亿吨，而全球蛇绿岩中的橄榄岩可吸收CO2超过100万亿吨。

三、全球项目实施概况

近年来，世界上已经有少数国家（如美国、日本、冰岛等）启动了矿物碳汇工程验证项目，以便开展现场试验和研究。这些项目对今后全球矿物碳汇技术的推广和应用将起到重要的引领和示范作用。

冰岛Carbfix项目是当今世界上规模最大的CO2矿物转化示范项目之一。在项目第一阶段，工作人员把280吨CO2饱和水注入30℃的玄武岩中，结果在两年内完全矿化。从2014年开始，工作人员将注入速度提高到每年10～15千吨，并注入深度更大、温度更高的岩层里。研究表明，注入的大部分CO2在几个月的时间内就开始转化为碳酸盐矿物，CO2在玄武岩层中的矿化速度远远超过了研究人员预期。2021年，Carbfix计划启动另外两个注入项目：在雷克雅未克能源公司地热厂每年注入约1千吨的CO2进行先导性试验；向另外一个较浅的玄武岩储层内每年注入高达4千吨的CO2。

美国华盛顿瓦鲁拉（Wallula）先导性试验项目始于2009年，是美国能源部区域碳封存合作伙伴倡议计划中的一部分，任务是在华盛顿东南部的Wallula玄武岩中进行矿物转化试验。该项目在3周时间内，一共向大陆玄武岩岩层注入了将近1千吨CO2，在两年时间内成功实现了CO2的矿物转化。取样分析证实已发生了碳酸盐矿化反应。

美国Cascadia盆地碳储存保证设施企业计划（CarbonSAFE），是美国能源部和国家能源技术实验室（NETL）碳封存研究计划CarbonSAFE中的一部分。该项目计划在20年内从集中点源捕获并隔离5000万吨CO2，并将其注入距太平洋海岸200英里的近海玄武岩储层中，然后使其转化成为碳酸钙。项目任务包括对拟建CO2注入场地进行技术（如场地特征和监控）和非技术（如监管和责任框架）评估。

日本长冈实验内容为向火山沉积地层内注入大约10千吨的超临界（液态）CO2。注入后经流体取样分析表明，地下正在发生预想中的矿物-流体化学反应，但还不能对矿物转化反应速率进行准确估算。

四、矿物碳汇的发展趋势

玄武岩矿物碳汇已走在基性岩固碳技术前沿。CarbFix项目进一步展现了玄武岩封存技术的潜力，一是CO2泄漏的可能性很小，存储具有永久性；二是随着技术的进步，成本还会不断降低。然而目前该技术仍需消耗大量水资源，成本很高，CarbFix项目尚未进入到商业化阶段。

橄榄岩矿物碳汇紧随其后。研究表明，位于大陆40千米或大洋6千米以下的地幔橄榄岩被逆冲断层推到地表，必将导致其与地表水和CO2处于不平衡状态，形成钙华沉积、碳酸盐裂隙和碳酸盐脉。尽管现有研究和实验表明橄榄岩封存CO2的潜力巨大，但是在加热、水化和碳酸盐化条件下，橄榄岩的水压致裂结果还不能在实验室定量预测，因此现场试验必不可少。

洋底矿物碳汇潜力巨大。洋底玄武岩因水热蚀变易于碳酸盐化。目前，除美国能源部的Cascadia盆地CarbonSAFE项目以外，其他玄武岩、橄榄岩封存项目大都位于陆地上。实际上，相对于大陆，海底基性岩、超基性分布更加广泛，封存潜力更大。比如美国西海岸Juan de Fuka板块的深海玄武岩可储存的碳约为目前全球CO2年排放量的30倍。然而，洋底封存成本更高，对矿物碳汇技术和设备也提出了更多要求，未来发展潜力很大。

（作者单位：中国地质调查局地学文献中心）