邱添, 曾令森, 申婷婷

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所自然資源部深地動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037;2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)，廣東 廣州 511458)

0 引言

全球性氣候變暖已經(jīng)成為一個(gè)威脅人類生存和發(fā)展的問題，人為排放CO2是導(dǎo)致全球變暖最主要的因素，直接影響全球生態(tài)環(huán)境安全[1]。如今，全球大氣中CO2濃度比人類歷史上的任何時(shí)候都要高。過去十年中大氣CO2濃度更是以每年2.3×10-6的速度增長(zhǎng)，比自然條件下大氣CO2濃度變化快近100倍[2]。為應(yīng)對(duì)全球氣候變化的嚴(yán)峻形勢(shì)，2015年《巴黎協(xié)定》明確規(guī)定了全球增溫控制在1.5～2 ℃并倡導(dǎo)各國自主減排[3]。世界各國積極響應(yīng)并探索減排的有效措施，中國政府也做出2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的鄭重承諾。大氣中CO2濃度的增加在很大程度上歸因于化石燃料的使用[4]，然而未來幾十年，全球能源消費(fèi)中化石燃料仍將占據(jù)主導(dǎo)地位，研發(fā)CO2減排以及捕獲與封存新技術(shù)是國際社會(huì)當(dāng)前迫切需要解決的問題。

碳捕獲與封存(Carbon Capture and Storage,CCS)技術(shù)被公認(rèn)為是最終實(shí)現(xiàn)CO2零排放的主要途徑之一[4-5]。該技術(shù)將大量排放的CO2從排放源分離，利用不同封存機(jī)制將CO2存儲(chǔ)在包括陸地生物圈在內(nèi)的封存地點(diǎn)，而非直接排入大氣圈[6]。其中，地質(zhì)封存是指將氣態(tài)、液態(tài)或超臨界CO2注入沉積盆地下的地質(zhì)體/構(gòu)造(如深部咸水層、枯竭油氣田和煤層等)中，利用儲(chǔ)層上部的圈閉構(gòu)造阻止CO2在浮力作用下向上運(yùn)移(封存機(jī)制： 構(gòu)造/地層封存)，其中少量CO2封存在巖石介質(zhì)的孔隙中(殘余氣體封存)，隨著時(shí)間推移溶解在地下水中(溶解封存)，并與周圍巖石發(fā)生反應(yīng)形成穩(wěn)定碳酸鹽礦物(礦物封存)[7-12]。然而，以上常規(guī)地質(zhì)封存技術(shù)在廣泛的應(yīng)用推廣中面臨著挑戰(zhàn)： 沉積地層中巖石的反應(yīng)活性普遍較低，且缺少形成碳酸鹽礦物的二價(jià)金屬陽離子，礦物封存受到制約，真正完成地質(zhì)封存可能需要數(shù)千年[7]； 注入的大部分二氧化碳將長(zhǎng)期停留在氣態(tài)、液態(tài)或超臨界狀態(tài)，并存在遷移回到大氣中的可能性[13]。

基性-超基性巖礦物碳酸鹽化作為更有優(yōu)勢(shì)的碳封存技術(shù)，可以將CO2快速轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的碳酸鹽礦物，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久固碳，且不需考慮CO2返回大氣的風(fēng)險(xiǎn)，在增加儲(chǔ)存安全性的同時(shí)也降低了對(duì)蓋層巖石的依賴，使得CO2封存工程潛在的健康、安全以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)降到最低[14-16]。地球上廣泛分布的基性-超基性巖(陸地和海洋，包括大陸溢流玄武巖、洋底玄武巖和地幔橄欖巖等)，為CO2封存提供了一個(gè)巨大的碳儲(chǔ)空間[17-18]。本文旨在通過闡述自然界基性-超基性巖碳酸鹽化的過程及其固碳機(jī)理并梳理總結(jié)目前國際上關(guān)于基性-超基性巖固碳技術(shù)的研究進(jìn)展和美好展望，加深對(duì)基性-超基性巖碳酸鹽化過程的理解，提高對(duì)此項(xiàng)固碳技術(shù)的認(rèn)識(shí)和重視。

1 基性-超基性巖碳酸鹽化固碳機(jī)理

Seifritz最先提出基性-超基性巖碳酸鹽化作用可以封存CO2[14]。自然界基性-超基性巖石中主要礦物為橄欖石、輝石和基性斜長(zhǎng)石，蝕變礦物主要為蛇紋石，這些礦物均富含高濃度的Ca2+和Mg2+等二價(jià)陽離子，是礦化封存CO2的首選巖石類型。在一定溫壓條件范圍內(nèi)，CO2快速溶解在水中，形成pH值為3～5的酸性溶液，反應(yīng)方程式為

含CO2的酸性溶液與富含Ca2+和Mg2+的硅酸鹽礦物反應(yīng)式為

4H++2H2O+CaMgSi2O6=Ca2++Mg2++2H4SiO4

一方面消耗H+，使pH升高，有利于碳酸鹽礦物沉淀，另一方面促使硅酸鹽礦物溶解，提供Ca2+和Mg2+等二價(jià)陽離子，與CO2結(jié)合形成穩(wěn)定的碳酸鹽礦物。

產(chǎn)物中碳酸鹽礦物的種類多樣，與反應(yīng)過程中陽離子的種類、體系pH和溫度有關(guān)。例如： Ca2+易于在<300 ℃條件下與CO2反應(yīng)，當(dāng)溶液過飽和，沉淀出方解石或霰石[19-20]； 在溫度>65℃條件下，Mg2+過飽和溶液中沉淀出菱鎂礦和白云石，而溫度較低時(shí)則會(huì)形成含水碳酸鹽礦物，如水菱鎂礦[MgCO3·3H2O]和球碳鎂石[Mg5(CO3)4(OH)2·5H2O]等[21-25]?；?超基性巖石中的主要礦物碳酸鹽化涉及到的化學(xué)反應(yīng)均為正向進(jìn)行的自發(fā)放熱反應(yīng)，方程式為[13,15,25-29]

2Mg2SiO4(橄欖石)+CO2+2H2O=Mg3Si2O5(OH)4(蛇紋石)+MgCO3(菱鎂礦)

2Mg2SiO4(橄欖石)+CaMgSi2O6(輝石)+CO2+6H2O=2Mg3Si2O5(OH)4(蛇紋石)+CaCO3(方解石)+2MgCO3(菱鎂礦)+2H4SiO4

2Mg3Si2O5(OH)4(蛇紋石)+3CO2(aq)=3MgCO3(菱鎂礦)+Mg3Si4O10(OH)2(滑石)+3H2O

Mg3Si4O10(OH)2(滑石)+3CO2(aq)=3MgCO3(菱鎂礦)+4SiO2(石英)+H2O

CaAl2Si2O8(鈣長(zhǎng)石)+CO2+2H2O=CaCO3(方解石)+Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)

2 自然界基性-超基性巖碳酸鹽化過程及其固碳效應(yīng)

自然界中硅酸鹽風(fēng)化，尤其是基性-超基性巖(玄武巖和地幔橄欖巖)碳酸鹽化過程對(duì)于調(diào)節(jié)全球大氣CO2含量起著重要作用[30-33]。顯生宙以來地球上弧-陸碰撞發(fā)生的古地理位置與冰川作用的強(qiáng)相關(guān)性，揭示了數(shù)百萬年時(shí)間尺度上全球冰期—間冰期的氣候轉(zhuǎn)變與低緯度基性-超基性巖的出露面積及其風(fēng)化作用吸收CO2的能力有關(guān)[32]。在低緯度溫暖潮濕的熱帶地區(qū)，大規(guī)?；?陸碰撞導(dǎo)致基性-超基性巖逆沖推覆至淺地表，易發(fā)生化學(xué)風(fēng)化，增加CO2吸收量，從而驅(qū)動(dòng)全球變冷。

全球絕大部分洋底和>5%的陸地面積由玄武巖組成(圖1)。雖然陸地上的玄武巖相對(duì)較少，但大陸及火山島上玄武巖碳酸鹽化吸收的CO2含量占陸地上所有硅酸鹽風(fēng)化作用吸收CO2的30%[13]，顯示出明顯的固碳優(yōu)勢(shì)。在洋底，最大規(guī)模的CO2吸收發(fā)生于洋底玄武巖的碳酸鹽化過程，洋底火山地?zé)嵯到y(tǒng)中的玄武巖從其根部的巖漿脫氣過程中吸收CO2。洋殼通常厚6～7 km。在全球范圍內(nèi)具有顯著一致的層序[34-35]。洋脊側(cè)翼的熱液環(huán)流集中在洋殼最上層1 km處，使洋殼廣泛發(fā)生CO2-H2O-玄武巖相互作用。洋底熱液活動(dòng)引起玄武巖碳酸鹽化的過程每年可吸收40 Mt CO2[36-37]。通過對(duì)冰島3個(gè)玄武巖型地?zé)崽镢@孔中碳酸鹽礦物的CO2測(cè)量，認(rèn)為每立方米年輕、未蝕變的玄武巖可儲(chǔ)存的CO2超過0.1 t[38]，并以此推算洋中脊可存儲(chǔ)的CO2為1×105～2.5×105Gt(超過所有化石燃料產(chǎn)生的CO2總量)[39]。

圖1 大陸玄武巖、洋底高原玄武巖和洋中脊(<10 Ma)全球分布[13]

地幔橄欖巖通常位于大洋6 km或大陸40 km深度以下，當(dāng)被大型逆沖斷層推覆至淺地表，其與地表水以及大氣中CO2處于極不平衡狀態(tài)，易發(fā)生碳酸鹽化反應(yīng)。全球主要構(gòu)造縫合帶(古板塊邊界)普遍發(fā)育蛇綠巖，其中的地幔橄欖巖往往發(fā)生不同程度碳酸鹽化蝕變，形成含碳酸鹽礦物的多種蝕變礦物組合[40-41]。阿曼Semail蛇綠巖地幔橄欖巖碳酸鹽化的規(guī)模最大、研究程度最高[31,42-45]。Semail蛇綠巖代表沿逆沖斷層推覆上來的洋殼殘片，出露地表的地幔橄欖巖由于低溫風(fēng)化作用形成大面積鈣華和微晶碳酸鹽脈(圖2(a)，(b))。穿透蛇綠巖的鉆孔巖心(例如BT1B號(hào)鉆孔獲取總長(zhǎng)約300 m的連續(xù)巖心，由200 m石英菱鎂巖夾少量蛇紋巖(上部)和100 m綠片巖相變質(zhì)基底(下部)組成)顯示，逆沖推覆地幔橄欖巖幾乎完全碳酸鹽化轉(zhuǎn)變?yōu)?鉻云母)石英菱鎂巖(圖2(c)，(d))。全球不同蛇綠巖中常出現(xiàn)地幔橄欖巖-蛇紋巖-碳酸鹽滑石片巖-石英菱鎂巖的蝕變分帶或暈圈，如加拿大不列顛哥倫比亞Atlin蛇綠巖(圖3(a))[46]、中國西藏羅布莎(圖3(b))[47]以及新疆達(dá)拉布特蛇綠巖(圖3(c)-(f))[48]，代表了地幔橄欖巖發(fā)生碳酸鹽化反應(yīng)不同階段的產(chǎn)物。石英菱鎂巖以石英、碳酸鹽礦物(菱鎂礦和白云石)、鉻云母、少量黃鐵礦和殘余鉻尖晶石為特征礦物組合，是地幔橄欖巖與含CO2流體交代反應(yīng)的終端產(chǎn)物[49-50]。巖相學(xué)證據(jù)和相圖關(guān)系揭示了地幔橄欖巖碳酸鹽化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭⒘怄V巖的3階段過程： ①地幔橄欖巖先蝕變形成蛇紋巖(主要礦物組合： 蛇紋石+磁鐵礦)(圖4(a))； ②隨著體系CO2含量逐漸升高，滑石和菱鎂礦結(jié)晶并從邊部或裂隙交代蛇紋石，蛇紋巖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}滑石片巖(滑石+菱鎂礦+磁鐵礦)(圖4(a),(b))； ③滑石分解形成球狀石英集合體和菱鎂礦(圖4(c))，隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行，球狀石英集合體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇至?、等粒結(jié)構(gòu)的石英，與菱鎂礦鑲嵌共生，形成石英菱鎂巖(石英+菱鎂礦±鉻云母)[51](圖4(d))。

(a) 堿性熱泉附近形成大面積鈣華[31]； (b) 微晶碳酸鹽脈膠結(jié)碳酸鹽化橄欖巖； (c) 石英菱鎂巖與下伏變質(zhì)基底呈斷層接觸，石英菱鎂巖中含少量蛇紋巖夾層/團(tuán)塊[42]； (d) 穿透蛇綠巖的鉆孔BT1B，顯示地幔橄欖巖幾乎完全碳酸鹽化，轉(zhuǎn)變?yōu)槭⒘怄V巖和鉻云母石英菱鎂巖[44-45]

(a) 加拿大不列顛哥倫比亞Atlin蛇綠巖的平面展布圖，顯示方輝橄欖巖-蛇紋巖-石英菱鎂巖的蝕變暈圈[46]； (b) 中國西藏羅布莎蛇綠巖中方輝橄欖巖經(jīng)歷不同程度碳酸鹽化反應(yīng)形成方輝橄欖巖-蛇紋巖-碳酸鹽滑石片巖-石英菱鎂巖的蝕變分帶[47]

(c)-(f) 中國新疆達(dá)拉布特蛇綠巖中的蛇紋巖-碳酸鹽滑石片巖-石英菱鎂巖分帶或暈圈，石英菱鎂巖中見蛇紋巖殘余[48]

(a) 網(wǎng)脈狀蛇紋巖中蛇紋石從邊緣和裂隙被菱鎂礦和滑石交代； (b) 碳酸鹽滑石片巖中的菱鎂礦變斑晶浸染狀分布在滑石基質(zhì)中； (c) 碳酸鹽滑石片巖中的石英呈球狀集合體分布在滑石基質(zhì)中或圍繞菱鎂礦和鉻尖晶石邊緣結(jié)晶; (d) 石英菱鎂巖中的石英球狀集合體和粗粒石英、菱鎂礦鑲嵌共生[51,53]； (e) 蛇紋巖轉(zhuǎn)變?yōu)槭⒘怄V巖的f(O2) vs.x(C)含量關(guān)系相圖。Tlc.滑石; Mgs.菱鎂礦; Gra.石墨; Srp.蛇紋石; Mt.磁鐵礦; Qtz.石英

世界上大量存在的碳酸鹽化地幔橄欖巖(包括石英菱鎂巖)證明自然界中超基性巖固碳效應(yīng)是普遍存在且重要的。Semail蛇綠巖體長(zhǎng)約350 km，寬約40 km，平均厚度為5 km，其中30%為地幔橄欖巖[52]。根據(jù)Semail蛇綠巖中碳酸鹽化地幔橄欖巖和碳酸鹽脈的體積并結(jié)合碳酸鹽化時(shí)代(14C定年獲得平時(shí)年齡為2.6×104a)，認(rèn)為自然條件下Semail蛇綠巖每年封存CO2大約104～105t[31]。Kelemen和Matter估算了Semail蛇綠巖中礦物原位碳酸鹽化封存CO2的巨大潛力： 若橄欖巖可以封存CO21 wt%，整個(gè)Semail蛇綠巖可封存現(xiàn)今大氣中CO2總量的1/4； 如果將Semail蛇綠巖地幔橄欖巖中所有的Mg2+轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}礦物，則可封存CO27×104Gt[31]。世界上還有多處和阿曼Semail蛇綠巖體積相當(dāng)?shù)纳呔G巖塊體，如地中海亞得里亞海東海岸出露多個(gè)100 km×40 km規(guī)模的蛇綠巖塊體，但目前還沒有對(duì)其封存CO2潛力的評(píng)估報(bào)道。

3 提高基性-超基性巖碳酸鹽化反應(yīng)速率

自然條件下基性-超基性巖碳酸鹽化反應(yīng)對(duì)地球數(shù)百萬年時(shí)間尺度上的大氣CO2調(diào)控起到了重要作用[32]。如果考慮將基性-超基性巖碳酸鹽化反應(yīng)作為碳捕獲與封存工程的有效方法，應(yīng)在充分利用基性-超基性巖自身優(yōu)勢(shì)的前提下，人為提高礦物碳酸鹽化反應(yīng)速率。實(shí)驗(yàn)研究表明，基性-超基性巖碳酸鹽化反應(yīng)速率與溫度、壓力、pH值、流體流動(dòng)速率、流體成分以及礦物的接觸表面積等因素密切相關(guān)[13,17,31]。

不同礦物如橄欖石、斜長(zhǎng)石以及玄武質(zhì)玻璃和玄武巖的溶解速率在一定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而升高(圖5(a))[17]。不同溫壓條件下的橄欖石碳酸鹽化反應(yīng)速率曲線表明，在185 ℃、CO2分壓為3×107Pa時(shí)，橄欖石碳酸鹽化速率最佳，比自然條件下(地表25 ℃、105Pa大氣壓)橄欖石碳酸鹽化速率快106倍(圖5b)[31]。

橄欖石、輝石、斜長(zhǎng)石和火山玻璃的Ca2+和Mg2+溶解實(shí)驗(yàn)顯示基性-超基性巖礦物溶解速率受流體pH值影響(圖5(c))[13,54-57]。橄欖石和輝石的溶解速率隨pH值升高而不斷降低，但斜長(zhǎng)石和火山玻璃的溶解速率在中性pH值時(shí)最低，且隨著pH值升高而升高。根據(jù)多數(shù)礦物的溶解速率在近中性pH條件下表現(xiàn)最低的特征，提出了兩步驟非原位基性-超基性巖碳酸鹽化反應(yīng)固碳的方案，即硅酸鹽礦物先在強(qiáng)酸性溶液中溶解，然后在堿性條件下沉淀出碳酸鹽礦物。橄欖石在酸性條件下的溶解速率最快[56]，因此成為非原位礦物碳酸鹽化固碳的最佳選擇。

(a) 不同礦物溶解速率與溫度的關(guān)系[17] (b) 橄欖石反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系[31]

流體流動(dòng)速率也對(duì)碳酸鹽化反應(yīng)速率有直接影響，主要體現(xiàn)在兩方面： ①橄欖巖碳酸鹽化反應(yīng)釋放熱量，可通過調(diào)節(jié)流體注入速度使體系溫度保持恒定，以確保高的反應(yīng)速率[31]。模擬實(shí)驗(yàn)表明，在25 ℃、3×107Pa條件下，純液態(tài)CO2以0.04 m/s的流速注入，可使體系保持最佳反應(yīng)溫度(185 ℃)(圖5(d))。②流體流速?zèng)Q定著單位時(shí)間內(nèi)CO2的供應(yīng)量，如果流速過慢不能提供足量的CO2，也會(huì)影響碳酸鹽化反應(yīng)速率。

礦物碳酸鹽化過程伴隨著體積增大，例如橄欖巖碳酸鹽化形成石英菱鎂巖的反應(yīng)導(dǎo)致巖石體積增加44%，巖石孔隙度和滲透性大幅降低，不利于碳酸鹽化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行[58-63]。大量石英菱鎂巖的存在說明自然界中橄欖巖碳酸鹽化反應(yīng)是能夠自發(fā)進(jìn)行的，可能與反應(yīng)熱膨脹和體積增加導(dǎo)致局部應(yīng)力差產(chǎn)生裂隙從而提高了巖石滲透性并增加了新的反應(yīng)表面積有關(guān)[45-46]。因此，在基性-超基性巖固碳項(xiàng)目中使用鉆探或水壓致裂等方法創(chuàng)造裂隙，增加流體運(yùn)移通道和反應(yīng)表面積的同時(shí)，也為碳酸鹽礦物結(jié)晶提供了空間[31]。另外，改變CO2注入的形態(tài)，例如先將CO2溶解在水中，以含CO2水溶液的形式注入體系，也是提高礦物碳酸鹽化速率的一種方式[13]。

4 基性-超基性巖碳酸鹽化固碳應(yīng)用

4.1 基性-超基性巖非原位固碳

針對(duì)遠(yuǎn)離地質(zhì)封存點(diǎn)的CO2密集排放區(qū)，基性-超基性巖非原位固碳被認(rèn)為是碳捕獲與封存的一種可行方法?；?超基性巖經(jīng)開采、運(yùn)輸和粉碎后，在反應(yīng)釜中與收集的CO2反應(yīng)生成碳酸鹽礦物達(dá)到固碳的效果[64]。通過控制反應(yīng)溫度、使用催化劑、降低反應(yīng)物粒度等措施，可以實(shí)現(xiàn)高效率固碳[65]。然而，成本高、規(guī)模小的缺點(diǎn)使其難以廣泛推廣和應(yīng)用。目前，基性-超基性巖非原位固碳工程主要應(yīng)用在基性-超基性巖相關(guān)的礦山，例如南非金伯利巖型金剛石礦和西澳大利亞的露天鎳礦利用采礦或工業(yè)尾礦做碳匯[66-68]。采礦過程中產(chǎn)生的尾礦或礦渣粒度足夠小，降低了粉碎碾磨基性-超基性巖(固體反應(yīng)物)的成本，也提高了其與CO2的反應(yīng)速率。此外，這些尾礦往往位于CO2排放源附近，源匯匹配度高，大大降低了運(yùn)輸成本。超基性巖礦山中尾礦的自然風(fēng)化作用被稱為被動(dòng)礦物碳酸鹽化固碳效應(yīng)[69-72]，該過程直接從大氣中圈閉CO2的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了礦山廢棄物再利用。

4.2 基性-超基性巖原位固碳

基性-超基性巖原位固碳是指將CO2直接注入地球淺表層的玄武巖或地幔橄欖巖中，二者發(fā)生反應(yīng)，消耗CO2并將其固定在碳酸鹽礦物中的方法。該方法利用地下熱能加速碳酸鹽化反應(yīng)速率，也避免了大規(guī)模開采、運(yùn)輸和處理固體反應(yīng)物的步驟和成本，被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)、安全且長(zhǎng)久的碳捕獲與封存方式[13,31]。目前，國際上原位固碳研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)速率、CO2-水-巖石反應(yīng)的自然模擬和地球化學(xué)建模等內(nèi)容，僅有少數(shù)國家開展了或計(jì)劃開展玄武巖和超基性巖固碳的先導(dǎo)試驗(yàn)項(xiàng)目。CarbFix項(xiàng)目是建立在冰島西南部Hellisheii地?zé)岚l(fā)電廠附近的玄武巖原位固碳先導(dǎo)試驗(yàn)(圖6(a))。第一階段試驗(yàn)將地?zé)岚l(fā)電廠產(chǎn)生的230 t的CO2和CO2-H2S氣體混合物與H2O混合，注入到地下500 m深的玄武巖中(20～50 ℃)。監(jiān)測(cè)顯示95%的注入氣體在2 a內(nèi)完全轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}礦物[73-74]。第二階段試驗(yàn)將含CO2的水溶液注入800 m深的玄武巖層中(250 ℃)，并逐漸增加CO2含量。監(jiān)測(cè)顯示50%的CO2在注入后幾個(gè)月內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓猁}礦物[75-76]。由于新注入的含CO2水溶液中的碳酸鹽礦物不飽和，因此在注水井附近未發(fā)生碳酸鹽礦物結(jié)晶和沉淀； 隨著含CO2水溶液向遠(yuǎn)處運(yùn)移，CO2與周圍巖石反應(yīng)導(dǎo)致水溶液pH值升高至適合碳酸鹽礦物結(jié)晶的范圍，在遠(yuǎn)離注水井的位置沉淀出碳酸鹽礦物[77]。2013年，美國華盛頓州瓦盧拉附近的哥倫比亞河溢流玄武巖原位固碳先導(dǎo)試驗(yàn)(簡(jiǎn)稱Wallula項(xiàng)目)將約1 000 t的CO2處理成液態(tài)或超臨界狀態(tài)，注入800～900 m深的兩個(gè)玄武巖層之間(圖6(b))。CO2以自由相的形式被圈閉在玄武巖蓋層之下，大部分在2 a內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F白云石[78-79]。監(jiān)測(cè)顯示儲(chǔ)層沒有發(fā)生實(shí)質(zhì)性的CO2泄露。不同封存機(jī)制在CO2地質(zhì)封存過程中有著不同的作用時(shí)間。玄武巖原位固碳項(xiàng)目中發(fā)揮作用的主要是溶解封存和礦物封存機(jī)制，且在較短時(shí)間內(nèi)可達(dá)到礦物封存效果，增加了封存安全性(圖6(c))[80]。然而，傳統(tǒng)的、利用構(gòu)造/地層封存的沉積盆地封存項(xiàng)目，要達(dá)到礦物封存是個(gè)極其緩慢的過程，可能需要數(shù)千年(圖6(d))[7]。

(a) CarbFix玄武巖原位固碳試驗(yàn)流程[13] (b) Wallula玄武巖原位固碳試驗(yàn)流程[13]

阿曼Semail蛇綠巖為超基性巖原位固碳的研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提供了天然實(shí)驗(yàn)室。自然條件下Semail蛇綠巖中超基性巖碳酸鹽化速度驚人，估計(jì)每年封存104～105t大氣CO2; 通過鉆井和水力壓裂增加流體通道和反應(yīng)表面積、提高橄欖巖初始溫度并保持最佳反應(yīng)溫度、注入純化的CO2等方法，可以進(jìn)一步將地幔橄欖巖原位碳酸鹽化速率提高105倍[31]，因此，僅阿曼Semail蛇綠巖的地幔橄欖巖每年可封存CO2達(dá)1 Gt。由于地溫梯度的影響，地球內(nèi)部地幔橄欖巖的溫度較地表高，同時(shí)地幔橄欖巖碳酸鹽化反應(yīng)釋放大量熱，因此將室溫條件下的CO2泵入深部地幔橄欖巖中，可產(chǎn)生較高效率的固碳效應(yīng)而無需花費(fèi)較大費(fèi)用用于體系升溫加熱[31]。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了超基性巖原位固碳是一種經(jīng)濟(jì)、安全且長(zhǎng)久的碳封存辦法，為世界范圍內(nèi)超基性巖原位封存CO2的工業(yè)化實(shí)施創(chuàng)造了良好的開端。

5 基性-超基性巖固碳的前景與挑戰(zhàn)

實(shí)驗(yàn)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí)了基性-超基性巖固碳的可行性和巨大潛力，但該技術(shù)的廣泛推廣和應(yīng)用還面臨許多挑戰(zhàn)。例如，基性-超基性巖石資源較多的區(qū)域通常距離CO2密集排放源較遠(yuǎn)，長(zhǎng)距離管道基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)及其較高的經(jīng)濟(jì)成本是制約該技術(shù)推廣的主要原因。大氣碳捕集(direet air capture,DAC)技術(shù)的研發(fā)將有望解決這一難題。由于CO2排入大氣會(huì)快速擴(kuò)散，導(dǎo)致各處大氣濃度幾乎相等，安裝在固碳基地附近的DAC裝置直接從大氣中提取CO2，將其轉(zhuǎn)化為高濃度CO2流再注入礦物固碳系統(tǒng)中[81-82]。冰島CarbFix項(xiàng)目第二階段固碳試驗(yàn)已經(jīng)引入DAC技術(shù)，并探索其最佳使用條件[83]。DAC技術(shù)與基性-超基性巖固碳項(xiàng)目的結(jié)合使近海的洋底玄武巖-橄欖巖固碳成為可能，極大地?cái)U(kuò)增了全球可用于固碳的基性-超基性巖儲(chǔ)備庫。據(jù)美國能源部碳安全項(xiàng)目評(píng)估，DAC技術(shù)可為美國西海岸Juan de Fuca板塊的深海玄武巖提供穩(wěn)定的CO2流，以封存50 Mt CO2[84]。也有人提出使用DAC技術(shù)和可再生風(fēng)能從大氣中提取CO2，并將其注入封存在南印度洋Kerguelen群島附近的海底玄武巖中[81]。另外，由于自然環(huán)境的復(fù)雜多變性以及不同封存地點(diǎn)的地質(zhì)條件差異，精確控制礦物原位碳酸鹽化的最佳反應(yīng)條件(如溫度、反應(yīng)表面積等)難度極大。基性-超基性巖固碳項(xiàng)目中可能涉及到的打鉆、水力壓裂以及碳酸鹽化過程熱膨脹和體積增加產(chǎn)生新的裂隙的情況，是實(shí)驗(yàn)室條件下無法完全模擬復(fù)制的。針對(duì)不同的封存地點(diǎn)，需要大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)合精細(xì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M來評(píng)估和優(yōu)化反應(yīng)條件及控制參數(shù)[31]。

6 結(jié)論

基性-超基性巖碳酸鹽化固碳是一種經(jīng)濟(jì)、安全且長(zhǎng)久的碳捕獲與封存方式，有望為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)發(fā)揮作用。全球陸地和海洋廣泛出露的基性-超基性巖為碳封存提供了巨大的儲(chǔ)備空間。目前基性-超基性巖固碳技術(shù)的研究程度還相對(duì)較低，各國均在努力開展相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和研究以獲取成功經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)該技術(shù)的推廣和應(yīng)用。我國境內(nèi)基性-超基性巖資源豐富，具備利用基性-超基性巖固碳的巨大潛力。加強(qiáng)我國各地區(qū)基性-超基性巖的空間展布、儲(chǔ)量、地質(zhì)條件等地質(zhì)調(diào)查以及基性-超基性巖碳酸鹽化地球化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)制的基礎(chǔ)性研究，探索并確定實(shí)施碳封存的有利地區(qū)和技術(shù)，不僅能更好地掌握我國基性-超基性巖的固碳潛力，也將有助于推進(jìn)我國基性-超基性巖固碳項(xiàng)目的部署和實(shí)施，為落實(shí)碳中和國家戰(zhàn)略提供科技支撐。