冰岛的研究人员宣布发现了将温室气体二氧化碳（CO₂）固定在地下深部的新方法：将其转变为岩石。《科学》中发表的结果显示：将 CO₂ 注入玄武岩这种火山岩后会引发反应，快速生成新的碳酸盐矿物，可能会永久性地封存这些气体。大多数注入的二氧化碳在两年内矿化。碳酸盐矿物相当稳定，因此这一方法应该可以避免碳泄漏的风险。

   其他碳捕获与储存（Carbon capture and storage，CCS）的测试多数在砂岩地层中进行。但是砂岩的化学性质相对稳定，不容易发生固定 CO₂的反应，因此研究者担心注入其中的 CO₂ 可能会泄露回大气中。研究者表示新的研究结果有助于解决一些技术难题，使 CCS 项目更容易取得商业成功。不过他们认为只有改变政策，才能克服最主要的障碍——昂贵的成本。

来源 Science

撰文 Eli Kintisch

编译侯俊涛

审校谭坤

冰岛发电厂钻孔上方的北极光拍摄：GUNNARSVANBERG

   冰岛上的研究人员宣布他们发现了将温室气体二氧化碳（CO₂）固定在地下深层的新方法：将其转变为岩石。2016年6月3日发表在《科学》上的论文结果显示：将CO₂ 注入玄武岩这种火成岩后会引发反应，快速生成新的碳酸盐矿物，可能会永远封存这些气体。

   要让这项技术具有商业价值仍须克服一些巨大的障碍。不过研究者表示这个代号为CarbFix（“碳固定”）的研究项目为通过捕获与储存发电厂排放的 CO₂应对气候变化提供了一线希望。“这是巨大的进步。”加利福尼亚州帕洛阿尔托市斯坦福大学的地质学家 Sally Benson（未参与这一项目）评论道。

   全球已经有数十个实验项目尝试测试通过碳捕获与储存（Carbon capture and storage，CCS）的方式控制发电厂排放出的 CO2。由于成本太高——估计每隔离1吨CO2 需花费 50 至100美元，其中极少的方案能够规模化运行。

        CCS 同样面对技术障碍，其中最大困难之一是在哪里储存捕获的 CO₂。由于工业界长期与沉积岩地层，常见的如蕴藏含盐地下水的砂岩或者废弃的油井等打交道，多数学者也倾向于使用这类岩层。然而研究者担心储存在含水层中的CO₂ 会通过上覆岩层的裂隙泄露回大气中。

   在 2006 年，冰岛、美国和法国的研究者提出一种新的解决方案：将 CO₂注入地下的玄武岩层。玄武岩是一种黑色的火成岩，存于全球大洋底部和某些大陆区域。人们已知玄武岩与砂岩不同，其中的金属元素能与 CO₂反应生成方解石等碳酸盐矿物——这一过程被称为碳酸盐化。

  但是他们认为这种过程需要许多年。为了确定碳酸盐化过程所需的时间，他们在冰岛首都雷克雅维克以东 25 千米启动 CarbFix 实验，计划将岩浆在地下冷却时释放出的 CO2 和从一家附近的地热发电厂收集的 CO₂注入冰岛广泛存在的地下玄武岩中。

        2012 年，研究者向地下 400 至 800 米深的玄武岩层注入 220 吨 CO₂，并在其中混入重碳同位素用于监测。他们同时另外加入水，使之与 CO₂气体反应生成碳酸——这是驱动矿物反应的关键因素。之后，他们从附近的井内取样，监测 pH值、地球化学性质和地下岩石的其他特征。

   实验结果令研究组感到震惊。大约一年半之后，一口监测井中的泵发生故障无法继续工作。工程师失望地将泵吊出，发现它表面覆盖着白色和绿色的“锈迹”。经鉴定，这些是方解石，并且其中的重碳同位素标记证实它们正是碳酸盐化过程的产物。

   测量地下水中溶解的碳元素表明：超过 95% 的被注入的碳元素已经转化为方解石和其它矿物。“碳酸盐化过程如此迅速地发生实在太令人惊讶了。” 参与 CarbFix 项目的英国南安普顿大学的地质学家 Juerg Matter 说。

   根据Matter的和其他团队的实验室测试以及计算机模拟，之前预测玄武岩中的碳酸盐化过程至少需要十年。（由于砂岩含水层的化学性质非常稳定，在传统的CCS实验地点，碳酸盐化过程被认为需要几百年。）

   快速碳酸盐化过程“意味着用这种方法可能可以将 CO₂ 永久地存储在地下，没有泄露的风险。” Matter 说。另一个相似的研究项目在华盛顿州瓦卢拉附近哥伦比亚河地区玄武岩中获得的数据（尚未发表）指向相似的结论。陆地和海洋都存在丰富的玄武岩地层，这使得“远离沉积岩或者废弃油井的发电厂”也可能实现CCS，Matter补充道。

   哥伦比亚大学的地质学家 Peter Kelemen 表示，进一步确认被注入的碳元素如此高比例地矿化需要更大规模的测试。（尽管哥伦比亚大学是 CarbFix 项目的合作方之一，但 Kelemen 没有参与其中。）斯坦福的 Benson表示，更大规模的演示实验还能够确认反应的速度不会转变为不利因素。她担心如果碳酸盐化过程产生的矿物快速填充玄武岩中的气孔，可能会将 CO₂ 限制在注入地点附近，导致 CO₂ 无法经过岩石到达远处。

   然而，即使是 CarbFix 项目内部的研究人员也承认：要实现在玄武岩中的 CCS，最大的障碍来自财务方面——电力企业没有动力推行。“如果不给碳排放定价，就没有做这种生意的理由。” Matter 承认这一事实，同时希望政策制定者能创造这种激励。否则，在玄武岩中的  CCS  项目将会像之前全球的数十个传统  CCS 项目一样遭遇无法商业化的命运。Benson 同时表示，冰岛的成功是可喜的进步。她说：“我们都会用上这个领域内的好消息。”

   原文链接：http://science.sciencemag.org/content/352/6291/1262.full；http://science.sciencemag.org/content/352/6291/twis

论文基本信息：

【题目】Rapidcarbon mineralization for permanent disposal of anthropogeniccarbon dioxideemissions

【作者】Juerg M. Matter et al.

【刊期】Science,Vol.352, Issue 6291, pp.1312-1314

【日期】10 Jun 2016

【DOI】10.1126/science.aad8132

【摘要】Carbon capture and storage(CCS)provides a solution toward decarbonization of the global economy. Thesuccessof this solution depends on the ability to safely and permanently storeCO2.This study demonstrates for the first time the permanent disposal of CO2asenvironmentally benign carbonate minerals in basaltic rocks. We find thatover95% of the CO2 injected into the CarbFix site in Iceland wasmineralized tocarbonate minerals in less than 2 years. This result contrastswith the commonview that the immobilization of CO2 as carbonateminerals within geologicreservoirs takes several hundreds to thousands ofyears. Our results, therefore,demonstrate that the safe long-term storage ofanthropogenic CO2 emissionsthrough mineralization can be far fasterthan previously postulated.

碳捕获与储存（Carbon capture and storage，CCS）是一种使全球经济“脱碳化”的解决方案。这一方案成功依赖于安全并永久性地储存 CO₂ 的能力。本研究首次论证了一种永久性清除方法——将 CO₂ 转化为玄武岩中对环境无害的碳酸盐矿物。我们发现，在冰岛的CarbFix项目中，超过95%的被注入的 CO₂ 在2年内矿化为碳酸盐矿物。这一结果不同于以往的共识：将 CO₂ 固定为地质储库中的碳酸盐需要几百至数千年时间。因此我们的结果证明，利用矿化作用安全长期地储存人为的二氧化碳排放远远快于先前的假设。

【链接】

http://science.sciencemag.org/content/352/6291/1312