科普之窗

岩石固碳:气候问题的终极方案?

冯杰

2021-09-07 02:13

道格拉斯·福克斯(Douglas Fox)
光明日报( 2021年08月05日 14版)

1.神奇山谷

在阿曼的哈杰尔山脉中,有一道名为瓦迪纳瓦尼(Wadi Lawayni)的荒漠山谷,它的位置十分偏远。要到达那里,游客不仅要在一条逐渐消失的泥土路上行走,还需要循着汽车在砂石上留下的轮胎痕迹继续向前。在那里,蓝色调的水塘中偶尔有地下水涌入,水塘里充满了碱盐。当地的地下水中还富含氢气,当你把水从井里打出来时,还会听见水中的气体像香槟一样嘶嘶作响。

山谷里稀疏地生长着一些带刺的灌木,四周是数百米高的山峰,山峰表面的棕色岩石因为风化作用显得有些褪色。山体的岩石中包含着一些不同寻常的矿物,因此无法在地表保持化学结构的稳定。它们或许形成于地下数万米深的地幔(地球的中间层,人类尚未直接观察过),这个位置比目前任何开钻的油井或金刚石矿都要深。大约8000万年前,这些岩石在一次板块构造事件中被推向了地表。

现在,由于暴露在空气中,它们正经历着一场悄无声息的变化。

彼得·凯莱门认为,这种奇特的地质现象可能有助于人类应对气候变化。2018年1月的一个下午,就在瓦迪纳瓦尼的山谷中,他向我介绍了整个宏伟的计划。100米开外的帐篷下是临时搭建的室外实验室,里面有桌子、化学试剂和专门用于检查岩石样品的扫描仪。现年65岁的凯莱门是美国哥伦比亚大学拉蒙特-多尔蒂地球观测站的地质学家,他留着一头灰色的短发,皮肤因为几十年的户外工作而晒得黝黑。凯莱门转向我们身后的岩壁,指出那里就是由风化后的地幔岩石——棕色的橄榄岩——构成的。降雨后,雨水就会渗入岩石裂缝,将溶解其中的氧气和二氧化碳带入岩石。当岩石与水和气体发生化学反应后,就会形成新的矿物。

这些矿脉像树根一样,一直延伸到岩石深处。我们身后的岩石上就布满了这类纵横交错的乳白色矿脉。凯莱门指着一处1厘米宽的碳酸镁脉说:“这其中一半都是二氧化碳。”当我用一块鹅卵石敲击它时,它发出了玻璃般清脆的声音。

凯莱门和同事估计:在阿曼,裸露的地幔岩层每年都会吸收并固化10万吨的二氧化碳,这相当于每立方米岩石吸收约1克的温室气体。“如果你把这个过程增强100万倍,那么每立方千米的岩石每年就能吸收10亿吨二氧化碳。”凯莱门说,他认为这一点可以通过工程手段实现。阿曼拥有约15000立方千米的地幔岩石,容量充足。凯莱门的计划包括向下钻探数千米,在到达温度更高的岩层后,向其中泵入充满二氧化碳(从空气中抽取)的海水,以此加快反应的速度。

这类裸露的地幔岩石不仅出现在阿曼,在美国(阿拉斯加州和加利福尼亚州)、加拿大、新西兰、日本和其他地方也存在。凯莱门估计,包括阿曼在内,这样的岩石能够储存60万亿~600万亿吨二氧化碳,大约是自1850年以来人类向大气中排放的二氧化碳总量的25~250倍。凯莱门说,合理利用这样的岩石仓库可以带来巨大的影响。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)2019年的一份报告指出,除非人类在2100年以前以某种方式从大气中去除1000亿~1万亿吨二氧化碳,否则无法将全球变暖控制在1.5℃以内(普遍认为这样可以避免灾难性的气候变化)。如果这个计划从2050年开始,就意味着我们需要每年从大气中去除20亿~200亿吨二氧化碳。

为了实现这个目标,我们必须建设大量的全球性基础设施,从大气中提取二氧化碳,并将其通过深井注入地幔岩石中。可以说,这个过程刚好与开采化石燃料的过程(化石燃料燃烧后会将二氧化碳排放到空气中)相反,呈现出了一种镜像般的对应。在凯莱门看来,阿曼就位于这一庞大而耀眼的新兴产业的中心。

这种“镜像”基础设施能否奏效取决于科学家在阿曼开展的调查。当我们在树下聊天时,凯莱门的团队正准备向瓦迪纳瓦尼的谷底开钻。他们会提取400米的岩芯,借此研究在我们的脚下深处的化学反应。远处一台轰隆作响的挖沟机正在挖坑,为钻孔做准备。

在2019年和2020年,凯莱门的团队相继发表了一些研究,清晰地展现了如何增强固碳反应。今年5月底,有一支新的施工团队会到瓦迪纳瓦尼山谷,测试在地幔岩石深处注入并固定二氧化碳的过程。这是有史以来第一个这样的实验,如果成功,这将是阿曼甚至整个阿拉伯半岛成为应对气候危机的重要工业中心的开始。

2.加快反应

如今,越来越多的研究表明,实现“负碳排放”已变得非常紧迫。科学家也提出了各种策略:重新种植森林或者向海洋施肥,这样可以增加树木或浮游植物的数量,从而利用光合作用吸收二氧化碳;改善农田管理,从而在收割后让作物吸收的二氧化碳更多地保留在土壤中;利用“碳捕获”设备过滤发电厂或工厂烟囱中的二氧化碳;在世界各地建造“直接空气捕获”器,不停地从大气中捕获二氧化碳。

捕获后的二氧化碳必须被永久封存。我们已经尝试过一些方法。比如,在挪威海岸附近的斯莱普纳气田,随着天然气一同开采出来的二氧化碳会被再次处理,注入海床以下1000米处的沉积岩(由砂岩等颗粒状沉积物构成)储层中。这个项目始于1996年,每年可储存约100万吨二氧化碳。但这种方法依然有问题,二氧化碳几乎不与沉积岩发生反应,它主要是渗入了岩石的孔隙中。这让一些科学家担心,二氧化碳是否会逐渐从空隙中泄漏出来。

20世纪90年代,凯莱门还在从事另一项研究。他曾在阿曼偏远的山谷中扎营数周,试图测绘岩浆从更深、更热的地幔层来到地表时所经过的通道。这些岩浆在地表凝固后会形成玄武岩,这是一种坚硬、致密的深色岩石,大部分海洋地壳都是由它们构成的。2004年,凯莱门从马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所转到了拉蒙特-多尔蒂地球观测站,当时他遇到了地球化学家于尔格·M·马特(现就职于英国南安普敦大学)和物理学家克劳斯·S·拉克纳(现任美国亚利桑那州立大学负碳排放中心主任)。马特和拉克纳正在尝试一种新的方法,他们希望将二氧化碳注入富含镁和钙的岩石中,这种岩石的化学反应活性比沉积岩高,因此很容易将气体转化为固体矿物——这样的过程也被称为“矿物碳酸化”。

阿曼的地幔橄榄岩中有两种富含镁和钙的矿物:橄榄石和辉石。这些岩石曾被碳酸盐脉穿过,显然它们在过去吸收了二氧化碳。但一些研究人员认为,这样的过程需要花费数百万年。凯莱门此前没有涉足这个领域,但他怀疑这个过程是否真的如此缓慢。在阿曼工作期间,他经常路过卡夫法山谷中的一处碱性泉水。从地下涌出的泉水富含钙离子,它会不断与空气中的二氧化碳反应,在水池表面形成一层光滑洁白的碳酸钙层。凯莱门注意到,当碳酸钙薄膜被风或雨打碎时,新的薄膜在一天之内就又形成了。凯莱门说:“对于地质学家来说,一天之内就能发生的事情都是超音速的。”

既然地表上存在如此迅速的过程,凯莱门想知道,地下碳酸化矿脉的形成速度是不是也比此前认为的更快。2007年,当他再次前往阿曼时,收集了许多带有碳酸盐岩脉的样本。回到研究所后,团队首先测定了矿物的形成时间。“我原以为这些矿脉会有9000万年的历史,”凯莱门说,“但其实它们都还不到5万年。”有些甚至只有6000年的历史。阿曼的地幔岩石不仅在遥远的过去吸收二氧化碳,直到今天仍然如此。更重要的是,吸收的速度可能要比凯莱门起初认为的快10000倍。

在2008年的另一次考察中,凯莱门和马特计算出这些矿物约占当地地表附近岩石体积的1%。这意味着整个地区每年能够自然固化10000~100000吨的二氧化碳,相当于2000~20000辆汽车的年排放量。虽然这个数量不会对气候变化产生太大影响,却让这几位科学家有了新的想法,他们开始考虑能不能通过加快反应效率,让这个过程产生全球性的影响。

在接下来的4年里,这两名研究人员每年都会返回阿曼。他们从井中抽取水样,追踪水在地下流动时发生的化学反应。结果表明,当雨水渗入地下裂缝时,溶解在雨水中的二氧化碳会与镁离子结合,形成碳酸镁矿脉,直到水中的少量气体被迅速耗尽。在雨水流动的过程中,来自同一地幔橄榄岩的钙离子会溶解在水中。他们认为,这些富含钙的水最终以泉水的方式重新涌出,就像在卡夫法山谷看到的那样。在那里,钙离子与空气中的二氧化碳反应,形成了凯莱门看到的碳酸钙薄膜,甚至是巨大的钙华阶地,这些钙华几乎散布在整个阿曼。

凯莱门和马特那时还不知道人类可以在多大程度上加速这个过程。这取决于水循环的速度和深度。为了回答这个问题,他们需要深入地下。

3.地下深处的水

2018年1月,凯莱门和马特对瓦迪纳瓦尼山谷的深层岩石做了一次重要的勘查。

8只骆驼在安静地咀嚼着灌木,丝毫不关心安装在一辆大型工作车后的钻头旋转着钻入山谷时发出的轰隆声。缆绳已经从洞里吊出了总共9米长的岩芯。每段岩芯有数米长,直径和棒球棒相当。它们按照顺序摆放在折叠桌上,接受几位科学家的检查。“前几米的岩芯中有很多矿物碳酸化的迹象。”凯莱门沿着折叠桌走动时说道。随着深度稍微增加,岩芯的颜色发生了显著的变化。

当地幔岩石位于地下深处时,它们呈现出深绿色。这是因为在完全没有氧气、水和二氧化碳,温度超过1300℃的环境中,形成了富含镁和钙的橄榄石和辉石矿物。当板块构造将这些岩石带到地表时,矿物就会因为环境的变化经历一波又一波的化学反应。顶部数米的岩石带有淡淡的橙色,表明在最靠近地表的岩层中,水携带的氧气与矿物中的铁结合,让岩石“生锈”了。再往下几米,这些颜色就消失了,说明渗透到那里的溶解氧已经耗尽。此时,灰色的岩石中布满了无数细如发丝的青绿色细脉,这是一种叫作蛇纹石的矿物,由水分子附着在镁和铁原子上形成。此外,这个过程还会产生从地下水中冒出的氢气。

与这些青绿色的矿脉纵横交错的是白色的碳酸盐矿脉,它们由二氧化碳附着在镁和钙离子上形成。这些白色矿脉一开始约有手指宽,但到了地下10米时,它们变得纤细而稀少,这表明水在向下渗透时,二氧化碳也被逐渐消耗掉了。

接下来的几天,钻探工作依然在进行。工人将此前的岩芯装入板条箱,为即将挤满桌子的数十个新岩芯让路。400米深处的岩石上仍然可以见到细小的蛇纹脉络,说明雨水至少已经渗透到这个深度了。

在接下来的3年里,科学家在实验室分析样本,确定岩石与二氧化碳和水反应的速度。到2021年年初,我已经与马特交谈了几次。他对一种在所有岩芯中都能看到的现象感到震惊:“只要深度超过100米,矿脉或裂缝中都没有任何碳酸盐矿物的踪迹了。”不知出于什么原因,二氧化碳没能继续深入岩石。

在2019年的一篇论文中,凯莱门和马特以及马特当时的学生阿梅莉亚·保克特·万科伦(现任职于加利福尼亚州立大学萨克拉门托分校)估计,钻孔前50米的地下水来自降雨渗入,已经存在了4~40年。但是再往下的岩石中,水在其中已经至少存在了20000年。在2020年发表的一篇论文中,马特和法国蒙彼利埃大学的热拉尔·洛兹(论文的共同作者)通过向两个相距15米的深钻孔注水来观测水穿过岩石的过程。他们发现,水在地下100米以上的地方相对容易移动,但在100米以下,渗透率就下降了1000倍。

这些观察结果表明,在阿曼,地幔岩石的矿物碳酸化速度受到一个主要因素的制约:雨水无法渗透到100米以下的地方。阿曼的地幔岩石平均厚约3000米。“也就是说,深处岩石有着巨大的矿物碳酸化潜力。”马特说,前提是水能够以某种方式到达那里并在岩石中快速循环,并且还需要提供稳定的二氧化碳供应。

为了克服这样的瓶颈,可以利用“直接空气捕集器”,这种设备会用风扇让空气通过化学吸附剂,吸附剂可以吸收并进一步浓缩二氧化碳。后续设备可以对二氧化碳气体加压,将其送入岩石钻孔。在地下1000~3000米的地方,气体将与水(通过单独的管道注入)混合。接着,溶解有二氧化碳的水会被送入周围的地幔岩石中。在通过岩石的孔隙渗透后,水流会抵达最远可达1000米开外的第二个孔中,这个孔就是所谓的“返回通路”。此时耗尽二氧化碳的水会通过通道返回地表,并再次与二氧化碳混合。

在地下3000米处,岩石的温度可以达到100℃,这些热量会加速矿物碳酸化反应。反应本身产生的额外热量也有助于推动温水循环到达返回通路。

2020年,凯莱门和万科伦发表的研究表明,将二氧化碳浓度略高的水注入地下3千米,就可以让二氧化碳矿化的速度增加数千倍。按照这个速度,在大约9个足球场大小的区域内,单口注入井每年可以捕获多达50000吨二氧化碳——与阿曼整个自然系统吸收的二氧化碳量相当。10年后,这口井就可以捕获50万吨二氧化碳。

在瓦迪纳瓦尼山谷提取岩芯的科学家还没有将二氧化碳注入地幔岩石中。但几年前,冰岛的科学家曾尝试将二氧化碳注入另一种化学性质与地幔相似的岩石中。正是这次尝试的成功为即将在阿曼开展的项目奠定了基础。

4.压裂岩石

在格陵兰岛和挪威之间的北大西洋,有一处深藏在数百千米下的地幔热点。要知道,来自地核的热量会让深处的岩石变得柔软,这些“部分熔融”的岩浆就会通过地下裂缝向海底涌出。5000万年来,涌出的岩浆在凝固后会形成灰黑色的玄武岩——这也是一种源自地幔的岩石,还是地壳的主要成分之一。不断堆叠的玄武岩高原在海底变得越来越高,直到从海洋中露出,形成了今天的冰岛。玄武岩结构致密,上面布满了小气孔。玄武岩的镁和钙含量虽然低于母岩,但仍高于地球表面的大多数岩石。

2005年,拉蒙特-多尔蒂地球观测站的马特、拉克纳和华莱士·布勒克确信,这些玄武岩适合用于二氧化碳的矿化。于是,布勒克(已于2019年去世)与冰岛雷克雅未克能源公司合作,在冰岛的赫利舍迪地热发电厂启动了一项名为“Carbfix”的二氧化碳注入实验。从2012年开始,机器将二氧化碳和硫化氢气体(地热场的天然产物)从工厂的废气中分离出来,然后利用矿井将它们注入地下400~800米深的玄武岩中。

在8个月的时间里,工程师注入了约250吨二氧化碳。在附近矿井进行的监测表明,在两年内,95%的二氧化碳被固定在了碳酸盐矿物中。从那时起,该项目就一直在运行,每年储存约10000吨二氧化碳。2019年,Carbfix分拆出来成为一家独立公司,它的目标是到2030年时,将10亿吨二氧化碳固定在玄武岩中。

协助领导这次实验的马特认为,结果验证了他们的想法。他说,一开始,“碳捕获界认为我们疯了,”因为人们认为玄武岩的多孔性还不足以让水渗透通过。在那之后,另一个来自美国西北太平洋国家实验室的团队也利用玄武岩成功矿化了二氧化碳,并成立了瓦卢拉玄武岩示范点。

在固化二氧化碳方面,地幔岩石或许比玄武岩更有效,因为前者含有的活性镁和钙是后者的3倍。1吨地幔橄榄岩可以固化多达500千克的二氧化碳,而一吨玄武岩大约只能固化170千克二氧化碳。

但并不是所有人都认为地幔岩石,甚至玄武岩是完美的解决方案。威斯康星大学麦迪逊分校的水文地质学家克里斯托弗·扎哈斯基表示,尽管注入沉积岩的二氧化碳可以迁移,但它们仍然能够稳定地储存在那里,因为强大的毛细作用力能够将它们困在矿物颗粒之间微小的空间中。即使上方的岩石出现裂缝,二氧化碳也不太可能泄漏出来。

扎哈斯基仍然认为,在玄武岩和地幔岩石中储存二氧化碳具有重要优势。地幔岩石的挑战在于它们的孔隙空间远小于沉积岩。“因此你需要更多的井才能更均匀地向地下注水。”凯莱门多年来也一直在解决这个问题。他认为有一个解决方案:如果选择恰当的方法向地下注入液体,化学反应本身就可能在岩石中产生裂缝,从而让水通过。

当我在阿曼时,凯莱门和我沿着一条狭窄的溪流往下走,最后停在一块汽车大小、上面布满碳酸盐脉的岩石旁边。曾经紧密贴合的、砖块大小的岩块现在被交叉的碳酸盐脉顶起并被任意地推开,就像在一座被毁坏的建筑物上,砖块之间不成比例膨胀的砂浆。“当我看到这块露出地面的石头时,我几乎可以听到它爆炸的声音。”凯莱门说。

当这些岩石还在地下时,“爆炸”是以慢动作的形式展现的。当二氧化碳附着在镁离子或钙离子上形成碳酸盐矿物时,就会增加岩石的质量。新矿物的体积也比反应之前增加了20%~60%。凯莱门的模型表明,这些碳酸盐矿物在生长过程中会对周围岩石施加高达2900个标准大气压的压力,从而将岩石推开。凯莱门说,在地幔岩石内部发生的化学反应会使它们破裂——让裂缝变得更宽、更深,暴露出新的反应表面,从而允许更多的水和二氧化碳渗入。

马特和伍兹霍尔海洋研究所的地球物理学家罗伯特·佐恩在2019年和2020年两次前往瓦迪纳瓦尼山谷,他们就是在那时发现了岩石开裂的证据。他们将水听器放入几个充满水的钻孔中,并在钻孔周围放置了地震仪。在一个月的时间里,他们记录了数百次微地震,其幅度远比人能感觉到的微弱很多。“矿物碳酸化反应驱动的岩石破裂会产生非常独特的信号,”佐恩说,“我们的数据里充满了这类信号。”但他也谨慎地指出,虽然他们得到的结果与反应驱动的岩石裂解一致,但还没有明确证明地下就发生了同样的过程。

即使工程师能够找到利用膨胀和开裂的办法,他们也需要考虑意想不到的后果。粗略估计表明,碳酸盐矿物固定10亿吨二氧化碳将会使岩石体积最多增加0.1立方千米,约相当于35座帝国大厦的体积。如果这发生在300平方千米土地下的岩石中(就像凯莱门提到的场景那样),那么每年固定10亿吨二氧化碳就可能会导致地面上升30厘米。

如果每年在300平方千米范围内注入100万吨二氧化碳,只会导致每年不到1毫米的地面抬升,这比许多地区在板块构造力作用下自然抬升的幅度还要小。只有在真正大规模注入二氧化碳时,膨胀扩张才会成为问题。

凯莱门说,考虑到这一点,任何10亿吨级的二氧化碳注入都应该只在阿曼湾海岸附近操作。工程师可以在那里斜着钻入位于浅海海底下方的地幔岩石。这样一来,岩石的膨胀只可能发生在海底,而在那里不会造成什么破坏。同时,海岸附近有充足的海水携带着浓缩的二氧化碳。这一点很重要,因为阿曼几乎是个沙漠国家,地下水在这里非常稀缺。

显然,在利用地幔岩石储集二氧化碳之前,我们还有很多问题需要解决。

现在,实验已经开始了。


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2021-09-07 10:08
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