为了实现《巴黎协定》设定的目标，我们必须停止排放，并积极从大气中移除CO₂。英国南安普顿大学（University of Southampton）海洋与地球科学学院Rachael James教授和同事们讨论了两种地质技术——增强岩石风化和CO₂矿化——这两种技术有望移除CO₂。

虽然大幅减少温室气体排放对应对气候危机至关重要，但现在人们认识到，如果不积极清除大气中的CO₂，就无法实现《巴黎协定》将全球气温升高限制在前工业化水平以上2°C以下的目标。这是因为全球约4%至8%的CO₂排放“难以避免”，比如某些行业难以脱碳（如农业）。为了达到净零排放，必须抵消这些难以避免的排放（图1）。

图1. 温室气体的预计排放量和清除量。为了实现《巴黎协定》的2°C目标，需要大幅减少排放（蓝色），以及主动清除（绿色），以抵消“难以避免”（橙色）的排放。该图改编自英国皇家学会（2018年）温室气体移除（CC B4.0），并基于联合国环境规划署（2018年）2018年排放差距报告的数据

模拟研究表明，到本世纪末，每年需要从大气中移除5-20 Gt CO₂e（CO₂当量，即所有温室气体的质量转化为具有相同全球变暖效应的CO₂当量质量）的CO₂。这是一个巨大的挑战——1 Gt（1 Gt =10亿吨）的CO₂相当于美国所有汽车和面包车的年总排放量（约2.5亿辆），或每年约500亿棵树的排放量。

CO₂可以通过各种方式从大气中移除。包括“自然”方法，如植树、改善作物和土壤管理，以及恢复沿海栖息地，如红树林和海草床。技术方法包括直接空气捕集，即通过吸附剂将CO₂从大气中剥离，然后释放以安全封存或利用。介于两者之间的是涉及自然过程技术增强的方法。其中包括增强的岩石风化和CO₂矿化——这是地质学在应对气候紧急情况中发挥关键作用的地方。

1. 地质作用与CO₂

风化是一种自然地质过程，大气中溶解在雨水中的CO₂会侵蚀岩石和土壤，并部分溶解它们（方程式1和方程式2）。CO₂被转化为碳酸氢离子（碱性），最终被捕集到海洋中，并在那里安全非常超过10万年。在某些情况下，一些碳酸氢离子可能会沉淀为碳酸盐矿物（碳矿化），在1万年以上的时间尺度上是稳定的（方程式3）。

方程式1：硅酸盐岩石的风化（溶解）

方程式2：碳酸盐岩风化（溶解）

方程式3：碳酸盐沉淀（CO₂矿化）

然而，请注意，在碳酸盐沉淀期间，硅酸盐矿物捕集的一半CO₂和碳酸盐矿物捕集的所有CO₂被重新释放回大气中（方程式3）。因此，硅酸盐的碳矿化效果是矿物溶解（风化）移除CO₂效果的一半，碳酸盐矿物的溶解和再沉淀对大气CO₂水平没有净影响。

在全球范围内，风化作用每年清除约1 Gt的CO₂，并在地球气候的长期调节中发挥关键作用。然而，自然风化和CO₂矿化需要时间。为了在本世纪末清除大气中大量的CO₂，地质学家正在研究加速这些过程的方法。

2. 增强岩石风化

风化速率受环境因素控制——主要是水的有效性和温度，以及岩石或土壤本身的性质，如矿物学、粒度、孔隙度和渗透性。增强岩石风化是一种CO₂移除策略，可以用破碎的富含钙和镁的硅酸盐岩石来修复农业土壤，并利用作物的光合能量来提高风化速率。

建模研究：增强岩石风化的初始模型模拟（Taylor et al.，2016）表明，在赤道30°范围内（约20 x 10⁶ km²）的所有农田中，每年施用1–5 kg m²的磨碎硅酸盐岩石（玄武岩和方辉橄榄岩），到本世纪末，可将大气CO₂水平降低30到300 ppm（取决于岩石类型和施用率）（图2）。模型模拟还表明，增强的岩石风化可增加向海洋输送的碱度，其程度足以减轻人为CO₂吸收造成的海洋酸化影响。

图2. 将粉碎玄武岩或方辉橄榄岩应用于农业用地对（a）大气CO₂水平和（b）海洋表面pH值影响的模型模拟。蓝线显示在不增强岩石风化的情况下预测的大气CO₂含量。（Taylor et al.，2016)

最近的一项研究（Beerling et al.，2020）对CO₂移除能力和实施增强岩石风化的成本进行了定量技术经济评估，该评估受到可用农业用地面积和能源生产的限制。模型结果表明，在世界主要经济体中，将增强岩石风化作用推广到10%到50%的可用农业用地面积，即使考虑到与粉碎和运输粉碎岩石相关的排放，也可能有助于每年移除0.5–2 Gt的CO₂。这相当于2100年达到《巴黎协定》目标所需数量的2.5%至40%，与其他CO₂移除策略的估计数量类似，包括碳捕集和封存的生物能源和直接空气捕集（Fuss等人，2018年）。

图3. 在美国伊利诺伊州的一个现场应用磨碎的硅酸盐岩石

实地研究：在广泛部署之前，我们需要通过在不同气候条件下对各种农业土壤和作物类型进行大规模实地试验，确认增强岩石风化作为CO₂移除策略的有效性。如果长距离运输粉碎岩石，CO₂净移除量将减少，因此还必须使用各种岩石类型进行试验，包括可能具有低于理想CO₂移除潜力的岩石（图5）。此外，我们必须制定全面的温室气体预算、作物和土壤健康监测的方法，以及验证CO₂移除和安全性的可靠、可重复和相关的测量方法。

为了支持这一点，Leverhulme气候变化缓解中心（www.lc3m.org）正在英国、马来西亚、澳大利亚和美国进行增强岩石风化的多年实地试验（图3）。作物类型包括玉米、芒（一种生物能源作物）、甜菜、甘蔗、油棕、大麦和豌豆，土壤类型从微酸（pH~6）到碱性（pH~8）不等。粉碎岩石是从尽可能靠近现场的地方获得的，主要由道路骨料开采产生的废料组成——这些废料太细，无法用于筑路，因此它们被堆放在矿区。

废料富含硅酸盐，成分从相对未风化的玄武岩到变质玄武岩不等。试验仅处于早期阶段，但初步结果表明，施用岩石风化产生的溶解产物可在施用后的几周内在土壤水中检测到，与对照地块（未使用粉碎岩石修正）相比，使用粉碎岩石修正的地块的土壤水碱度更高。还对土壤、土壤水和作物进行了重金属浓度（如砷、铅和铬）监测，以确保增强岩石风化的安全性，迄今为止，未观察到任何岩石改良地块和对照地块之间存在显著差异。

3. CO₂矿化

硅酸盐矿物风化产生的钙、镁和碳酸氢离子（方程式1）随后可沉淀为碳酸盐矿物（方程式3）。这一过程在超镁铁质到镁铁质岩石（如地幔橄榄岩和玄武岩）的风化过程中自然发生。橄榄岩在低温下以地质上相对较快的速度经历水合作用（蛇纹石化）和碳化反应，如阿曼蛇绿岩所示（图4）。镁铁质和超镁铁质岩石有可能在全球范围内（陆上和海上）储存数十亿吨CO₂，但实际上，总体碳化程度还取决于CO₂的可用性和化学条件，如pH、盐度、温度和压力，以及储存地层的渗透性。

图4. 阿曼蛇绿岩中通过CO₂-水-岩石反应的橄榄岩碳矿化，来自（a）地表钙华阶地和（b）地下裂缝中的碳酸盐填充矿脉。（图片来源：南安普顿大学Juerg Matter）

工程化碳矿化对于有效移除CO₂至关重要。这可以通过以下方式实现：

（1）异地矿化，即富钙或富镁硅酸盐矿物在反应器中与富CO₂流体或气体反应；

（2）就地矿化，将CO₂气体或含CO₂流体注入合适的地下储层进行地质封存；

（3）利用镁铁质至超镁铁质尾矿或碱性工业废料，从空气中提取CO₂进行地表矿化。

图5. 估计的尾矿年产量与通过风化和不同类型矿床每吨岩石产生碱度计算的CO₂移除潜力之比。等高线显示了CO₂移除总量（单位：吨/年）。改编自Bullock et al. (2021)

通过在冰岛（CarbFix项目）和美国（Wallua玄武岩项目）的试点试验，现场矿化已在现场规模进行了测试。在冰岛，地热公司Reykjavik能源公司和一个研究科学家财团已将约230吨溶解在水中的CO₂注入深度为400米至800米的高渗透裂缝玄武岩储层。通过使用新的化学和同位素示踪剂，CarbFix实验表明，在不到两年的时间内，超过95%的注入CO₂被快速矿化（Matter等人，2016）。

自2014年以来，Reykjavik能源公司向约2000米深的玄武岩储层注入了超过2万吨CO₂。示踪结果显示，CO₂几乎完全矿化（Clark等人，2020年），但迄今为止对CO₂吸收的估计表明，CarbFix封存过程可能受到CO₂供应的限制。为了增加CO₂的总供应量并加快矿化速度，CO₂矿化可以与其他CO₂移除技术相结合，如直接空气捕集，冰岛的世界上第一个联合直接空气捕集矿化厂就是证明(https://climeworks.com/orca)。

4. 以尾矿为原料

采矿业每年开采数千万吨岩石材料，产生大量新暴露的活性表面积，可作为增强岩石风化和矿物碳化的原料。

大多数常见的便宜金属（如铜、铅、锌、镍）的开采浓度低至约1%（按质量计），贵金属（金、银、铂族金属）的开采浓度为百万分之几，钻石的开采浓度为十亿分之几。因此，大多数经过加工的矿山材料实际上都是“废物”，堆放在垃圾场和尾矿池中。这些尾矿被磨成粘土粉土，变成砂粒大小的颗粒。根据目标金属的不同，每开采一吨岩石，大约60%到99%会变成尾矿。

我们最近对硅酸盐矿物矿床开采尾矿的CO₂移除潜力的评估是，通过风化和碱度生成，每年的CO₂移除量在1.1到4.5 Gt之间，或者通过矿物碳化，每年的CO₂移除量约为该值的一半（0.5到2.3 Gt）（布洛克等人，2021年）。CO₂移除能力最高的矿床是那些开采量大、富含钙和镁的硅酸盐矿物的矿床。其中包括来自镁铁质和超镁铁质岩浆的矿石，以及一些含铜矿石（图5）。前者包括铂族金属和含铬矿石。相比之下，含有大量二氧化硅或硫化物矿物的尾矿具有较低的CO₂移除潜力。

图5仅显示了不同矿床的CO₂移除潜力，未考虑反应动力学。根据粒度的不同，预计只有少数矿物的风化时间不到十年（主要是橄榄石、硅灰石和水镁石），这些矿物通常是矿山废物的次要成分。这意味着需要新的方法来充分发挥矿山废弃物作为CO₂移除原料的潜力。这些方法可以包括通过农业增强岩石风化加速反应动力学，或与富含CO₂的流体和气体反应，以及利用微生物代谢增强矿物溶解和/或碳化的技术。

由于全球采矿作业目前估计每年排放约3.6 Gt CO₂（Azadi等人，2020年），且对原材料的需求持续增长，因此在矿区实施有效的CO₂移除方案（结合减排技术）具有吸引力，因为这将大大改善采矿业的碳足迹。

5. 前景

大规模推广上述方法存在潜在障碍。这些障碍包括缺乏科学知识，例如岩石应用对土壤质量的长期影响的未知因素，但也包括更广泛的方面，包括公众对这些CO₂移除技术的风险和好处的认知，以及治理和道德问题。

这就是说，农民习惯于在他们的田地里施用石灰等肥料，因此这种强化风化技术与农业实践是兼容的。它还可能为农业带来重要的共同效益，如提高作物产量、抗虫害性和提高植物营养质量，这些都是促进农民采用的关键。此外，利用矿山废弃物作为原料有利于创造循环经济。

通过增强岩石风化和矿物碳化来清除CO₂显然有可能对实现《巴黎协定》的目标做出重大贡献，其成本与其他CO₂移除策略相当（全面评估见Beerling等人，2020年）。这两种技术本质上都涉及加速自然过程，而且可能比人工气候解决方案（如云播技术和太阳辐射管理）争议更小。

原文作者：

Rachael James，Liam Bullock*，Christina Larkin，Juerg Matter

原文链接：

https://geoscientist.online/sections/features/geological-solutions-for-carbon-dioxide-removal/