本文的研究由Wei Xiong、Rachel K. Wells、Jake A. Horner、Herbert T. Schaef、Philip A. Skemer和Daniel E. Giammar等人共同完成，研究团队分别来自华盛顿大学圣路易斯分校的能源、环境与化学工程系以及地球与行星科学系，以及太平洋西北国家实验室。该研究于2018年2月27日发表在《Environmental Science & Technology Letters》期刊上。
本研究聚焦于地质碳封存（geologic carbon sequestration）领域，特别是利用玄武岩（basalt）进行二氧化碳（CO₂）矿物封存的潜力。地质碳封存是一种有效减少人为CO₂排放对环境影响的技术手段。与砂岩（sandstone）和盐水层（saline aquifers）相比，玄武岩具有更高的矿物封存能力，因为其富含铁（Fe）和镁（Mg）等二价阳离子，能够与CO₂反应生成稳定的碳酸盐矿物（carbonate minerals）。此前的研究表明，玄武岩中的CO₂矿物封存速度远快于砂岩，通常在几年内即可完成，而砂岩则需要数百年甚至数千年。
本研究的主要目标是量化玄武岩中CO₂矿物封存的速率和容量，并通过实验验证其在天然多孔玄武岩中的可行性。研究选择了美国华盛顿州Grand Ronde玄武岩作为研究对象，该地层曾用于CO₂注入的现场试验。
研究团队从Grand Ronde玄武岩中提取了岩心样本，并在实验室中模拟了高温高压条件下的CO₂矿物封存过程。实验分为以下几个步骤：
样本准备：从Grand Ronde玄武岩中提取的岩心样本被切割成40毫米长、25.4毫米直径的小圆柱体，并在其中加工出100微米深的裂缝，以模拟玄武岩中的天然裂缝结构。
实验设置：将处理后的岩心样本放入高压反应器中，加入去离子水，并在100°C和100 bar的条件下注入CO₂。实验持续了6周、20周和40周，分别在不同时间点取出样本进行分析。
数据分析：通过X射线计算机断层扫描（CT）技术对反应前后的岩心样本进行三维成像，分析碳酸盐矿物的形成位置和体积。此外，还使用了拉曼光谱（Raman spectroscopy）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等技术对生成的碳酸盐矿物进行表征。
碳酸盐矿物的形成：实验结果表明，CO₂在玄武岩中迅速转化为碳酸盐矿物，主要生成了文石（aragonite）和方解石（calcite）。文石是主要的碳酸盐矿物，其形成速度在前6周较慢，之后呈线性增长。20周和40周的样本中，碳酸盐矿物的体积显著增加。
矿物封存速率：通过CT扫描和数据分析，研究团队计算出Grand Ronde玄武岩的CO₂矿物封存速率为1.24 ± 0.52 kg CO₂/m³ basalt/year。假设玄武岩的孔隙率为3.65%，则其矿物封存容量为47 kg CO₂/m³ basalt。
矿物分布：碳酸盐矿物主要沿裂缝形成，但也出现在与裂缝无明显连接的孔隙中。这表明CO₂能够通过扩散进入玄武岩的内部孔隙，并在整个孔隙空间内发生碳化反应。
本研究通过实验验证了玄武岩作为CO₂矿物封存介质的潜力。与砂岩相比，玄武岩具有更高的矿物封存速率和容量，能够在较短时间内将CO₂转化为稳定的碳酸盐矿物。研究结果表明，Grand Ronde玄武岩在40年内即可完全矿化其孔隙空间中的CO₂。这一发现为未来的地质碳封存项目提供了重要的科学依据。
创新性实验方法：本研究首次在实验室中模拟了天然多孔玄武岩中的CO₂矿物封存过程，并通过时间分辨的实验数据量化了封存速率和容量。
高分辨率成像技术：通过X射线CT扫描技术，研究团队能够精确追踪碳酸盐矿物在玄武岩裂缝和孔隙中的形成过程，为理解CO₂矿物封存的微观机制提供了重要数据。
实际应用价值：研究结果为玄武岩地质碳封存的实际应用提供了科学支持，特别是在CO₂注入后的矿物封存速率和容量方面，具有重要的工程应用价值。
本研究的科学价值在于首次通过实验室实验量化了玄武岩中CO₂矿物封存的速率和容量，填补了模拟研究与大规模现场试验之间的空白。此外，研究结果还为未来的地质碳封存项目提供了重要的参考数据，特别是在选择封存介质和优化封存工艺方面具有重要的应用价值。
本研究为玄武岩地质碳封存技术的进一步发展奠定了坚实的科学基础，并为应对全球气候变化提供了新的解决方案。