英国大规模岩石开采提升增强岩石风化效率的研究报告
作者及机构
本研究由M. Madankan（赫瑞瓦特大学碳解决方案研究中心）、E. P. Kantzas（谢菲尔德大学莱弗休姆气候变化减缓中心）、R. M. E. Espinosa（谢菲尔德大学高级资源效率中心）、S. H. Vetter（阿伯丁大学生物与环境科学研究所）等合作完成，通讯作者为P. Renforth。论文发表于Communications Earth & Environment（《自然》旗下期刊），2025年发表，DOI: 10.1038/s43247-025-02656-9。
学术背景
科学领域与背景
本研究属于负排放技术（Negative Emissions Technologies, NETs）中的增强岩石风化（Enhanced Rock Weathering, ERW）领域。ERW通过将粉碎的硅酸盐矿物（如玄武岩）施用于农田土壤，加速自然风化过程，从而固定大气中的二氧化碳（CO₂）。为实现《巴黎协定》的1.5°C温控目标，全球需大规模部署CO₂去除（Carbon Dioxide Removal, CDR）技术。英国因其丰富的硅酸盐矿藏和广阔的农田，被视为ERW的理想实施地。然而，ERW的供应链（如岩石开采、运输、施用）效率及其环境社会影响尚未系统研究。
研究目标
本研究旨在通过时空分配模型，量化英国ERW供应链的优化潜力，分析不同扩产策略（如扩大现有采石场、重启废弃采石场、新建采石场）对CDR效率、运输需求和环境社会成本的影响，为政策制定提供科学依据。
研究流程与方法
数据收集与预处理
- 岩石资源数据：整合英国现有活跃/废弃硅酸盐采石场的地理位置、岩石地球化学数据（如CO₂封存潜力RCO₂）、年产能及储量（数据来自作者团队前期研究）。
- 农田数据：基于10×10 km网格的英国耕地分布图，结合Kantzas等（2022）的模型计算各农田网格的CO₂封存效率（CDRcropland）。
- 运输网络：构建采石场至农田的运输距离矩阵，引入海运路线（如北爱尔兰至英格兰的利物浦、费利克斯托港）以降低长距离运输碳排放。
情景建模
设计三种岩石供应目标情景（2025–2070年）：
- S1（低供应）：年产能32 Mt，仅扩展现有采石场（单场上限1 Mt/年）。
- S2（中供应）：年产能97 Mt，分两种子情景（S2a：现有采石场扩至2 Mt/年；S2b：重启废弃采石场，单场上限1 Mt/年）。
- S3（高供应）：年产能166 Mt，分三种子情景（S3a：现有采石场扩至5 Mt/年；S3b：结合重启废弃采石场；S3c：新增采石场）。
时空分配模型
- 优化目标：最大化净CDR（公式：Net CDR = RCO₂×CDRcropland − (CO₂排放开采+粉碎+运输+施用)）。
- 优先级排序：按单位岩石CDR效率对采石场-农田配对降序排列，优先分配高效益组合。
- 动态调整：逐年更新采石场产能（按5–50%年增长率）和农田需求，限制运输距离≤500 km。
结果评估指标
- 累计CDR量、运输需求（吨·公里/吨CO₂）、采石场数量、开采密度（县域累计开采量/面积）。
主要结果
CDR效率与运输优化
- S3a（高供应，仅扩展现有采石场）表现最优：2070年累计CDR达7.58亿吨，运输需求（1227 t·km/tCO₂）比S3c（新增采石场）低35%。
- 规模化效应：单场产能上限越高（如5 Mt/年），CDR效率越高（S3a比S3c高20%），因模型可优先分配高效益采石场。
资源分配与地理热点
- 北爱尔兰和苏格兰中部为关键产区：S3a中两地贡献70%岩石，需通过海运至英格兰农田（占全国80%施用需求）。
- 开采密度：S3a下7%的行政区承担67%产量，可能引发局部环境压力（如土地利用变化3.3万公顷）。
基础设施挑战
- 港口扩建：北爱尔兰需年出口6000万吨岩石至英国本土，需投资数十亿英镑提升港口吞吐量（参考墨尔本港6 Mt扩容成本15亿美元）。
- 政策瓶颈：英国现有硅酸盐岩储量仅0.5 Gt，需加速采矿许可审批以满足ERW需求（预计2050年需168 Mt/年）。
结论与价值
科学价值
- 首次量化英国ERW供应链的时空优化路径，证明集中化开采（更少、更大的采石场）可提升CDR效率20%、减少60%运输需求。
- 提出政策杠杆点：如优先扩展现有采石场、投资港口物流、协调地方社区利益（如碳信用收入共享）。
应用价值
- 为英国实现2050年CDR目标（年1亿吨）提供可行方案，ERW潜力达3000万吨/年。
- 模型框架可推广至美国、中国等硅酸盐资源丰富国家，但需适配本地地质与农业数据。
研究亮点
- 方法创新：开发首个整合岩石地球化学、运输物流与时空动态的ERW供应链模型。
- 跨学科性：融合地质学、农业科学、环境工程与政策分析。
- 现实意义：揭示大规模ERW部署的社会环境权衡（如局部开采密度与全国性气候收益的冲突）。
补充发现
- 岩石地球化学异质性导致CDR潜力波动±11%，需结合实地监测修正模型参数。
- 历史数据表明，英国碎石产量曾在1945–1990年增长8倍，佐证ERW扩产可行性。
（注：专业术语首次出现时标注英文，如“增强岩石风化（Enhanced Rock Weathering, ERW）”）