地質(zhì)碳匯：讓二氧化碳重返地球
◎? 賈凌霄
在工業(yè)革命之前，地球系統(tǒng)的碳循環(huán)是處于平衡狀態(tài)的,。自1800年以來,，人類往大氣排放了約20000億噸CO2，打亂了這一平衡,。幾乎所有全球經(jīng)濟活動產(chǎn)生的CO2都以煤,、石油和天然氣的形式從地球中提取。在漫長的地質(zhì)歷史時期中,，地球有效地將這些固體,、液體和氣體形式的能源保存長達數(shù)億年，這證明地球具有長期儲碳的巨大能力,，因此在碳中和目標下,，人類排放的CO2可以通過返回地球來平衡從地球中提取的碳。
一,、什么是地質(zhì)碳匯
地質(zhì)碳匯是指通過各種途徑和手段,，將大氣中的CO2轉(zhuǎn)移固定到地質(zhì)系統(tǒng)的過程,。根據(jù)地質(zhì)系統(tǒng)中CO2儲存庫的不同，地質(zhì)碳匯可分為地下巖層封存CO2,，或通過礦物碳化,、巖溶作用、土壤等吸收CO2,。
CO2地下巖層封存是指從發(fā)電廠和工廠（尤其是鋼鐵,、水泥和散裝化學品制造行業(yè)）中捕獲CO2，并將其以壓縮形式注入合適的深層地質(zhì)層（例如儲層,、咸水層,、煤層等），長期安全地儲存,。礦物碳化是指將捕集的CO2注入活性巖石（例如鎂鐵質(zhì)或超鎂鐵質(zhì)巖）中來封存,，激發(fā)CO2的礦化作用，從而永久固碳,。巖溶碳匯是指碳酸鹽巖在水和CO2的作用下溶解,，CO2以無機碳的形式轉(zhuǎn)移到水體中；在無機碳隨水遷移的過程中,，由于水動力條件的改變,，一部分CO2析出返回到大氣，一部分高濃度無機碳的巖溶水刺激水生植物光合作用,，將無機碳轉(zhuǎn)化為有機碳固存下來,。土壤固碳是指通過合理、可持續(xù)的土地利用和耕作管理優(yōu)化,，以增加土壤碳含量的方式,，從大氣中去除CO2的過程。
二,、地質(zhì)碳匯的固碳潛力
CO2地下巖層封存具有巨大潛力,。根據(jù)美國國家科學院發(fā)布的數(shù)據(jù)，全球范圍內(nèi)CO2地質(zhì)“有效”封存容量約為135000億噸,，最小固碳能力約為20000億噸,。全球枯竭油氣藏的CO2封存能力約為10000億噸，煤層的CO2封存能力約為2000億噸,，咸水層具有不確定性,，CO2封存潛力可達數(shù)千億噸。
礦物碳化是一種較為安全的碳匯途徑,，通過CO2與硅酸鹽巖反應所得的碳酸鹽礦物是穩(wěn)定的,，CO2再次返回大氣的風險極低。第一種類型是向地下深處的巖層注入CO2（“原位”礦物碳化），全球范圍內(nèi)溢流玄武巖區(qū),、大型地幔橄欖巖地塊和洋脊都是礦物碳匯潛力區(qū),。第二種類型是使大氣中的CO2與暴露在地表的超鎂鐵質(zhì)巖或玄武巖碎塊（如尾礦）發(fā)生反應（“非原位”礦物碳化）。據(jù)估計,，全球每年產(chǎn)生約4億噸礦山尾礦可用于CO2礦化,，而且這些礦山大多距CO2點源較近，有助于降低成本,。
碳酸鹽巖作為可溶巖,，在CO2和水的作用下溶解，可將大氣圈中的CO2轉(zhuǎn)移到水圈中,，在生態(tài)系統(tǒng)的作用下巖溶水中的無機碳以有機碳的形式固存在生物圈中,，這一碳循環(huán)過程會受到溫度、降雨,、植被,、土壤等情況的影響。通過人工干預,，巖溶作用有潛力成為應對氣候變化高效的碳匯手段,。
土壤固碳能力取決于土地管理方法、土壤類型和氣候,。全球范圍內(nèi)土壤固碳潛力約為11億～114億噸CO2/年,。通過改良農(nóng)田農(nóng)作物和施肥策略、降低耕種強度,，改善土地水資源管理（包括排水）等措施可以促進土壤固碳量。
三,、地質(zhì)碳匯技術(shù)發(fā)展趨勢
CO2地下巖層封存技術(shù)仍在發(fā)展中,，相關(guān)的商業(yè)化項目還比較少?？萁哂蜌獠睾拖趟畬邮荂O2地質(zhì)封存的主要選擇,。挪威的斯萊普納（Sleipner）項目，從斯萊普納氣田生產(chǎn)的天然氣中捕獲CO2,，并將其注入位于氣藏上方的咸水層,；阿爾及利亞的In Salah項目，從生產(chǎn)的天然氣中去除CO2,，然后大規(guī)?；刈⒌?公里深的砂巖地層中；北美的蘭奇利（Rangely）項目,，將懷俄明州天然氣處理廠的CO2注入科羅拉多州蘭奇利油田,，用于提高采收率和儲存。
CO2地下巖層封存技術(shù)同時面臨著一些環(huán)境風險，包括CO2泄露（可能引起地表水酸化,、土壤污染）,，誘發(fā)地震等。未來CO2地質(zhì)封存的研究方向為：一是加強對CO2儲層存儲能力和質(zhì)量的表征,，以確保安全性和有效性,；二是增加示范項目，加強監(jiān)測,，以獲取經(jīng)驗,，改進技術(shù)。
礦物碳化需要通過人工措施來加速CO2吸收,，非原位礦物碳化通過研磨和預處理礦物來加快反應速度,，原位礦物碳化依賴于將CO2注入可滲透巖石中，通過更高的溫度和壓力來加速,。全球有許多地方都在探索非原位礦物碳化,，包括南非金伯利礦山的尾礦碳匯和澳大利亞Keith鎳礦山的水鎂石尾礦碳匯，美國的Calera公司,、英國的Carbon8公司已經(jīng)實現(xiàn)相關(guān)領域小規(guī)模的商業(yè)化,。但目前非原位礦物碳化成本較高，僅針對尾礦或工業(yè)廢物進行了實踐,。原位礦物碳化發(fā)展程度相對較淺,，目前世界上正在實施的原位礦物碳匯項目有2個，分別是歐盟資助的CarbFix項目和美國Wallula試點示范項目,，均證明了礦物碳匯的潛力,，CarbFix項目結(jié)果表明注入冰島玄武巖的CO2在兩年內(nèi)礦化率大于95%。
我國巖溶碳匯潛力較大,。中國科學院院士袁道先指出,，我國是巖溶大國，巖溶面積達344萬平方公里,，我國的巖溶動力系統(tǒng)在全球有很好的示范性,。中國地質(zhì)調(diào)查局巖溶地質(zhì)研究所獲批的國際地學計劃項目“巖溶系統(tǒng)關(guān)鍵帶過程、循環(huán)與可持續(xù)性全球?qū)Ρ妊芯俊保?017～2021）表明,，巖溶碳匯研究將在關(guān)鍵帶科學,、地球系統(tǒng)科學理念的支撐下進行。
土壤固碳優(yōu)勢明顯,，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大氣CO2減排,，還可以改善退化的土壤，提高生物產(chǎn)量,，凈化地表水和地下水,。聯(lián)合國指出，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是當前具有很大氣候緩解能力和潛力的一個重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)；東南亞是全球最大的農(nóng)業(yè)土壤固碳與溫室氣體減排潛力區(qū),。近年來,，農(nóng)業(yè)土壤固碳研究已經(jīng)成為日益活躍且飛速發(fā)展的一個新興領域。美國2002年成立了農(nóng)業(yè)土壤溫室氣體減排協(xié)作機構(gòu),。2019年,，美國氣候初創(chuàng)公司諾里籌集400萬美元，與農(nóng)民合作,，使他們可以通過采用更加可持續(xù)的耕作方式,，從空氣中去除碳，并將其“隔離”在土壤中,。
（作者單位：中國地質(zhì)調(diào)查局地學文獻中心）
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