学术研究报告：金刚石矿尾矿强化风化实验及其在碳捕集与封存中的应用
第一作者及机构
本研究由加拿大特伦特大学（Trent University）环境学院的Zivi R. Schaffer、Kwon Rausis、Ian M. Power和Carlos Paulo团队完成，发表于期刊*Frontiers in Climate*（2025年7月）。
研究领域与动机
本研究属于负排放技术（Negative Emissions Technologies, NETs）中的强化岩石风化（Enhanced Rock Weathering, ERW）领域。全球温室气体减排目标进展缓慢，亟需通过NETs实现大气CO₂的主动移除。采矿行业每年产生约1000亿吨固体废料，占全球温室气体排放的4–7%。同时，金刚石矿开采遗留的尾矿（如本研究关注的加拿大Gahcho Kué矿）富含镁硅酸盐矿物（如蛇纹石lizardite和橄榄石forsterite），具备CO₂矿化封存的潜力。但传统尾矿储存方式限制了其与大气CO₂的反应速率，因此需探索尾矿的改造利用。
科学问题与目标
研究核心问题为：如何量化金刚石矿尾矿作为ERW原料的碳移除（Carbon Dioxide Removal, CDR）效率，并开发可靠的监测方法。具体目标包括：
1. 评估金刚石矿尾矿作为土壤改良剂的CDR潜力；
2. 通过田间实验量化尾矿风化对CO₂的固定效果；
3. 对比不同碳核算方法的有效性（如孔隙水无机碳、CO₂通量等）。
1. 尾矿与土壤表征
- 样品来源：Gahcho Kué矿的细粒处理尾矿（FPK）与当地钙质土壤（含16.1%方解石）。
- 分析技术：
- 矿物组成：X射线衍射（XRD）定量分析，显示尾矿含30.2%蛇纹石、9.4%橄榄石和1.9%方解石。
- 地球化学：X射线荧光光谱（XRF）测定主量元素，ICP-OES分析微量元素（如镍、铬）。
- 物理性质：比表面积（BET法）、粒径分布（激光散射法）。
2. 批量淋溶实验
- 设计：将尾矿与土壤按不同比例（0–100%）混合，在CO₂ incubator（10% CO₂, 35°C）中反应2周，测定溶出元素（Mg、Si、Ca等）。
- 目的：评估尾矿中易释放阳离子及其矿物来源，并预测田间实验中元素释放行为。
- 关键发现：Mg和Si的释放与尾矿占比呈正相关，而Ca主要来自土壤方解石溶解（图3）。
3. 田间实验设计
- 地点：加拿大安大略省Peterborough，实验周期3年（2021–2023）。
- 处理组：
- 对照：未改良土壤。
- K10+30：首次添加10 kg/m²尾矿，次年追加30 kg/m²。
- K20：一次性添加20 kg/m²尾矿。
- 监测参数：
- 孔隙水化学：15 cm和30 cm深度的无机碳（DIC）、碱度、pH及阳离子浓度（Mg、Si、Ca等）。
- CO₂通量：LI-8100A土壤CO₂分析仪测定表面通量。
- 土壤无机碳（TIC）：通过碳库仑法分析不同深度的碳酸盐沉淀。
4. 数据分析方法
- CDR量化：基于孔隙水DIC负荷和水文收支模型，区分硅酸盐与碳酸盐风化的贡献。
- 同位素示踪：δ¹³C和δ¹⁸O分析碳来源（有机碳vs.矿物碳）。
1. 尾矿的风化效率
- DIC增加：改良土壤孔隙水的DIC浓度显著高于对照（64–118 mg C/L vs. 56±14 mg C/L），证明CO₂通过溶解度捕获（solubility trapping）被封存。
- 阳离子释放：Mg和Si的溶出表明尾矿中蛇纹石和橄榄石的风化主导CDR过程（图7）。
2. CDR量化与分配
- 总CDR速率：3年内尾矿贡献的CO₂移除达1.4 t/ha，其中75%来自尾矿碳酸盐风化，25%来自硅酸盐风化（图12）。
- 方法对比：CO₂通量法因土壤呼吸干扰失效，而孔隙水DIC结合阳离子负荷法可精准区分风化来源。
3. 同位素证据
- δ¹³C数据证实移除的CO₂源自有机碳，抑制了土壤CO₂向大气的释放（图8）。
科学意义
1. 尾矿资源化：首次证实金刚石矿尾矿可作为ERW的高效原料，其CDR潜力与玄武岩相当，但粒径更细、比表面积更高。
2. 监测框架：提出基于孔隙水化学的CDR量化方法，解决了传统CO₂通量法在有机环境中的局限性。
应用前景
- 矿业减排：尾矿的露天铺展可降低矿山封存与修复成本，同时实现碳抵消。
- 政策支持：研究为矿业纳入碳信用体系提供了数据基础。
局限性
- 实验点位于温带气候，结果需在热带/干旱区验证；
- 高剂量尾矿添加（200 t/ha）可能不适用于大规模推广。
未来方向
作者建议拓展至其他工业废料（如镍矿尾矿）的ERW应用，并开发低成本原位监测技术。