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(lái),，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(jì)活動(dòng)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(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)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(zhǎng)達(dá)數(shù)億年，這證明地球具有長(zhǎng)期儲(chǔ)碳的巨大能力,，因此在碳中和目標(biāo)下,，人類排放的CO2可以通過(guò)返回地球來(lái)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(guò)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(guò)程,。根據(jù)地質(zhì)系統(tǒng)中CO2儲(chǔ)存庫(kù)的不同,，地質(zhì)碳匯可分為地下巖層封存CO2,，或通過(guò)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(xué)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(chǔ)層,、咸水層、煤層等）,，長(zhǎng)期安全地儲(chǔ)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(lái)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(wú)機(jī)碳的形式轉(zhuǎn)移到水體中,；在無(wú)機(jī)碳隨水遷移的過(guò)程中,，由于水動(dòng)力條件的改變，一部分CO2析出返回到大氣,，一部分高濃度無(wú)機(jī)碳的巖溶水刺激水生植物光合作用,，將無(wú)機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳固存下來(lái)。土壤固碳是指通過(guò)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(guò)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(guó)國(guó)家科學(xué)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(dá)數(shù)千億噸,。
礦物碳化是一種較為安全的碳匯途徑,，通過(guò)CO2與硅酸鹽巖反應(yīng)所得的碳酸鹽礦物是穩(wěn)定的，CO2再次返回大氣的風(fēng)險(xiǎn)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(yīng)（“非原位”礦物碳化）,。據(jù)估計(jì),，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(diǎn)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(wú)機(jī)碳以有機(jī)碳的形式固存在生物圈中，這一碳循環(huán)過(guò)程會(huì)受到溫度,、降雨,、植被、土壤等情況的影響,。通過(guò)人工干預(yù),，巖溶作用有潛力成為應(yīng)對(duì)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(guò)改良農(nóng)田農(nóng)作物和施肥策略,、降低耕種強(qiáng)度,，改善土地水資源管理（包括排水）等措施可以促進(jìn)土壤固碳量。
三,、地質(zhì)碳匯技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)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(chǔ)存。
CO2地下巖層封存技術(shù)同時(shí)面臨著一些環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),，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(lái)CO2地質(zhì)封存的研究方向?yàn)椋阂皇羌訌?qiáng)對(duì)CO2儲(chǔ)層存儲(chǔ)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(xiàng)目,，加強(qiáng)監(jiān)測(cè),，以獲取經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)技術(shù),。
礦物碳化需要通過(guò)人工措施來(lái)加速CO2吸收,，非原位礦物碳化通過(guò)研磨和預(yù)處理礦物來(lái)加快反應(yīng)速度，原位礦物碳化依賴于將CO2注入可滲透巖石中,，通過(guò)更高的溫度和壓力來(lái)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(guó)的Calera公司,、英國(guó)的Carbon8公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)領(lǐng)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(duì)尾礦或工業(yè)廢物進(jìn)行了實(shí)踐,。原位礦物碳化發(fā)展程度相對(duì)較淺，目前世界上正在實(shí)施的原位礦物碳匯項(xiàng)目有2個(gè),，分別是歐盟資助的CarbFix項(xiàng)目和美國(guó)Wallula試點(diǎn)示范項(xiàng)目,，均證明了礦物碳匯的潛力，CarbFix項(xiàng)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(guó)巖溶碳匯潛力較大,。中國(guó)科學(xué)院院士袁道先指出，我國(guó)是巖溶大國(guó),，巖溶面積達(dá)344萬(wàn)平方公里,，我國(guó)的巖溶動(dòng)力系統(tǒng)在全球有很好的示范性。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局巖溶地質(zhì)研究所獲批的國(guó)際地學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目“巖溶系統(tǒng)關(guān)鍵帶過(guò)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(xué)、地球系統(tǒng)科學(xué)理念的支撐下進(jìn)行,。
土壤固碳優(yōu)勢(shì)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(guó)指出,，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是當(dāng)前具有很大氣候緩解能力和潛力的一個(gè)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(lái)，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(gè)新興領(lǐng)域,。美國(guó)2002年成立了農(nóng)業(yè)土壤溫室氣體減排協(xié)作機(jī)構(gòu),。2019年，美國(guó)氣候初創(chuàng)公司諾里籌集400萬(wàn)美元,，與農(nóng)民合作,，使他們可以通過(guò)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(guó)地質(zhì)調(diào)查局地學(xué)文獻(xiàn)中心）
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