本文由李万伦、陈晶、贾凌霄、马冰、陈扬、孙君一等人撰写，发表于2022年3月的《地质论评》（Geological Review）第68卷。该研究由中国地质调查局项目“碳中和与碳管理地质数据汇聚与应用”（编号：dd20221822）和“地学文献信息更新与服务”（编号：dd20190413）资助。文章主要探讨了玄武岩二氧化碳（CO₂）地质封存的研究进展，重点分析了玄武岩CO₂封存的机理、潜力、场地选择及工程示范项目。
随着全球气候变化的加剧，减少大气中的CO₂浓度成为全球关注的焦点。《巴黎协定》提出，到21世纪末，全球变暖应控制在2℃以内，并努力限制在1.5℃以内。为了实现这一目标，二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被认为是关键手段之一。传统的CO₂封存技术，如驱油驱气注入封存和深部咸水层封存，虽然有效，但对封存场地的要求较高，且存在潜在的泄漏风险。相比之下，玄武岩CO₂地质封存具有快速碳矿化、封存效果长久且安全、封存容量巨大等优势，因此成为近年来研究的热点。
玄武岩CO₂封存的基本原理是通过将CO₂注入玄武岩中，使其与岩石中的矿物质发生反应，生成稳定的碳酸盐矿物，从而实现CO₂的永久封存。这种方法不仅封存效率高，且几乎不存在泄漏风险，因此被认为是一种理想的长期解决方案。
文章首先回顾了玄武岩CO₂封存的理论研究进展，主要包括以下几个方面： 1. 玄武岩固碳机理：玄武岩中的钙、镁硅酸盐矿物与CO₂反应生成碳酸盐矿物，这一过程不仅能够封存CO₂，还能中和溶液的酸性。研究对常见造岩矿物的封存能力进行了排序，发现橄榄石、辉石、蛇纹石等矿物的封存潜力较大。此外，玄武岩的矿物成分、孔隙分布特征及其形成机理也得到了进一步研究。 2. 反应机理：玄武岩与CO₂的反应包括CO₂溶解于水、岩石溶解释放金属阳离子、碳酸根离子与金属阳离子反应生成碳酸盐矿物等步骤。研究表明，反应速率受盐度、温度、压力、pH值、流体流动速率和矿物接触表面积等因素影响。 3. 玄武岩CO₂封存潜力：玄武岩在地球上分布广泛，包括洋壳和部分陆地。研究表明，洋底高原玄武岩、洋中脊玄武岩和大陆溢流型玄武岩是适合CO₂封存的主要场地。例如，冰岛的洋中脊玄武岩每10立方米可吸收超过一吨的CO₂，全球洋中脊玄武岩的理论封存潜力在100至250万亿吨之间。
文章还介绍了全球已有的三个玄武岩CO₂地质封存工程示范项目： 1. 冰岛CarbFix项目：该项目通过将CO₂和水分别注入玄武岩中，确保CO₂完全溶解于水，从而减少泄漏风险。研究表明，注入的CO₂在两年内95%以上发生了矿化，证明了该方法的有效性。 2. 美国Wallula项目：该项目在玄武岩中注入了近1万吨CO₂，两年后的取样分析证实了CO₂的矿化封存。 3. 日本Nagaoka项目：该项目向火山沉积地层内注入了约10万吨超临界CO₂，流体取样分析表明地下正在发生预期的矿物-流体化学反应。
尽管玄武岩CO₂地质封存研究取得了显著进展，但仍存在一些问题需要进一步研究： 1. 反应速率的影响因素：反应速率受多种因素影响，如玄武岩的玻璃质含量、角砾化程度等，如何加快反应速率是提升该技术应用水平的关键。 2. 封存场地的选择：目前封存场地的选址和储层选择缺乏统一标准与规范，不同研究者的评价方法和结果存在差异。 3. CarbFix方法的局限性：CarbFix方法需要大量水资源，因此在缺水地区难以推广。此外，使用海水代替淡水的研究仍在进行中。
玄武岩CO₂地质封存作为一种新兴的研究领域，具有巨大的封存潜力和长期安全性，对全球实现碳达峰和碳中和目标具有重要意义。文章建议，未来应进一步开展更大规模的示范工程，验证该技术的可行性和有效性。同时，应针对重点地区开展玄武岩CO₂地质封存的区域调查与区划，提出场地选址建议，并深入研究玄武岩储层特征。
本文系统总结了玄武岩CO₂地质封存的研究进展，详细介绍了其固碳机理、封存潜力、场地选择及工程示范项目，并指出了当前研究中存在的问题与挑战。玄武岩CO₂封存作为一种前沿技术，具有广阔的应用前景，未来有望在全球碳减排中发挥重要作用。