本文是一篇综述性论文，题为《玄武岩中的碳矿化与CO2地质封存：机制与技术挑战》，由Arshad Raza、Guenther Glatz、Raoof Gholami、Mohamed Mahmoud和Saad Alafnan等作者撰写，发表于2022年4月的《Earth-Science Reviews》期刊。该论文主要探讨了玄武岩作为CO2地质封存介质的潜力、机制及相关技术挑战。
全球气候变化的主要驱动因素之一是温室气体的大量排放，尤其是CO2。自工业革命以来，大气中的CO2浓度显著增加，导致全球气温上升。为了应对这一挑战，国际社会签署了《巴黎协定》，旨在将全球变暖控制在2°C以内，并努力将其限制在1.5°C以下。碳捕集与封存（CCS）技术被认为是一种有效的减缓气候变化的策略，尤其是针对钢铁和水泥等大型排放行业。CO2地质封存是一种有前景的方法，但其有效性依赖于封存地层的主动捕集机制，以减少泄漏风险。碳矿化是一种永久封存CO2的技术，尤其适用于玄武岩等反应性岩石。
玄武岩因其全球广泛分布、多孔结构以及富含二价阳离子（如Ca2+、Mg2+、Fe2+）的矿物组成，被认为是CO2封存的理想介质。玄武岩中的矿物（如辉石和橄榄石）具有较高的反应性，能够与CO2快速反应生成稳定的碳酸盐矿物，从而实现矿化封存。然而，尽管这一技术已被提出多年，目前全球仅有两个试点项目（冰岛的CarbFix项目和美国的Wallula项目）在玄武岩中进行了CO2注入实验。这主要是由于玄武岩中复杂的化学反应、快速的矿化过程以及长期封存能力的不确定性。
碳矿化方法主要分为三类：原位矿化、表面矿化和异地矿化。其中，原位矿化是最具潜力的方法，通过将CO2注入到合适的地质层中，利用水-岩相互作用生成稳定的碳酸盐矿物。玄武岩中的矿化过程通常涉及CO2溶解于水形成碳酸，碳酸进一步溶解玄武岩中的矿物，释放出二价阳离子，最终生成碳酸盐矿物（如方解石、菱镁矿和菱铁矿）。这一过程的速度取决于矿物的溶解速率、流体的pH值以及温度等因素。
玄武岩中的矿物溶解是碳矿化的关键步骤。溶解速率受岩石的矿物组成、流体的pH值和温度影响。实验表明，玄武岩玻璃的溶解速率在pH值为3至11之间时显著增加，温度升高也会加速矿物的溶解。然而，矿化过程中生成的次生矿物（如方解石和菱镁矿）可能会堵塞孔隙，降低岩石的渗透性，从而影响CO2的注入效率。
玄武岩的封存容量难以准确估算，主要是因为矿化过程会随时间改变岩石的孔隙结构和渗透性。现有的估算方法主要基于岩石的体积和孔隙度，但缺乏对矿化速率的考虑。此外，CO2注入过程中，矿物的溶解和沉淀可能会导致孔隙堵塞，进而影响注入性。研究表明，较低的注入速率（如1.0 kg/s）有助于避免孔隙堵塞和压力积累。
玄武岩的封存完整性主要依赖于其裂缝和孔隙结构。由于玄武岩在形成过程中经历了快速冷却，通常会形成大量的裂缝，这些裂缝可能成为CO2泄漏的通道。因此，选择合适的封存地点时，必须考虑岩石的裂缝分布和封存层的密封能力。此外，CO2注入过程中可能会引发微裂缝，进而影响岩石的力学性质。
为了确保CO2在玄武岩中的长期安全封存，必须开发有效的监测技术。现有的监测方法包括电阻率测量、温度监测、地震波散射分析等。这些技术可以帮助评估CO2的迁移路径、矿化速率以及岩石性质的变化。然而，玄武岩的强散射特性使得传统的地震成像技术难以有效应用，因此需要开发新的监测手段。
目前，全球有两个主要的玄武岩CO2封存试点项目：冰岛的CarbFix项目和美国的Wallula项目。这两个项目均证明了玄武岩作为CO2封存介质的可行性。CarbFix项目通过将CO2溶解于地下水并注入玄武岩中，成功实现了95%以上的CO2矿化。Wallula项目则通过注入纯液态CO2，证明了玄武岩中的矿化封存能力。
为了选择合适的玄武岩封存地点，本文提出了一套筛选标准，涵盖了岩石类型、孔隙度、裂缝分布、深度、矿物组成、注入流体成分等多个方面。这些标准旨在帮助评估玄武岩的封存潜力、注入性、容量和完整性。
玄武岩作为一种广泛分布的岩石，具有较高的CO2矿化潜力。其富含二价阳离子的矿物组成和多孔结构使其成为CO2封存的理想介质。然而，玄武岩中的矿化过程涉及复杂的化学反应，矿物的溶解和沉淀可能会影响封存容量和注入性。未来的研究应进一步探索玄武岩中CO2封存的机制，开发有效的监测技术，并推动大规模试点项目的实施。
本文系统总结了玄武岩中CO2封存的机制、技术挑战及试点项目的经验，为未来的研究和应用提供了重要的参考。通过进一步的研究和技术开发，玄武岩有望成为全球CO2封存的重要介质，助力应对气候变化。