本文是一篇关于玄武岩中二氧化碳原位矿化储存的综述文章，发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》2024年第16卷，作者为Xiaomin Cao、Qi Li、Liang Xu和Yongsheng Tan，均来自中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室和中国科学院大学。文章旨在通过实验室研究，全面回顾玄武岩中二氧化碳矿化储存的最新进展，探讨碳储存潜力的评估方法、碳捕获机制及其控制因素，并讨论静态反应和反应渗流实验中孔隙结构、渗透率和力学性质的变化。
全球变暖对人类生存环境构成了严重威胁，碳捕获与储存（CCS）技术被认为是减少碳排放的有效途径。矿物储存被认为是长期碳储存的可靠选择，尤其是富含碱土元素的玄武岩能够快速且永久地将二氧化碳固定为碳酸盐。然而，二氧化碳-流体-玄武岩之间的复杂相互作用给碳储存潜力的评估带来了挑战。在不同的反应条件下，碳化产物和碳化速率会有所不同，同时碳矿化反应还会引发岩石物理和力学响应，可能对玄武岩储层的长期注入性和碳储存安全性产生潜在风险。
文章首先介绍了碳储存潜力的评估方法，包括自然类比法、孔隙填充法和完全矿化法。自然类比法利用现场或实验数据估算单位体积玄武岩的碳储存能力，进而推算整个场地的碳储存潜力。孔隙填充法假设所有孔隙空间都被碳酸盐沉淀物填充，适用于孔隙率较低的储层。完全矿化法则假设玄武岩中的所有CaO、MgO和FeO都会与二氧化碳完全反应形成碳酸盐，提供了储层最大矿化能力的估计。
文章详细讨论了二氧化碳-流体-玄武岩相互作用的碳捕获机制，包括二氧化碳的溶解与解离、硅酸盐矿物的溶解以及碳酸盐矿物的沉淀。二氧化碳溶解在形成水中并解离为H⁺、HCO₃⁻和CO₃²⁻离子，导致形成水的pH值下降。硅酸盐矿物的溶解过程中释放出Ca²⁺、Mg²⁺和Fe²⁺等二价阳离子，消耗H⁺离子，导致pH值上升，有利于碳酸盐矿物的沉淀。碳酸盐矿物的沉淀涉及成核和生长两个过程，成核速率控制矿物的成核过程，而生长速率则取决于过饱和度。
文章还介绍了实验室研究中常用的实验方法，包括静态批次反应和流动/渗流实验。静态批次反应装置用于研究长期反应，通常包括气体入口、反应容器和采样装置。流动/渗流实验装置则用于模拟对流控制的情况，通常包括气体入口、岩心夹持器、围压和背压装置，还可以集成核磁共振（NMR）或计算机断层扫描（CT）技术，以评估整个测试过程中孔隙结构和渗透率的变化。
文章总结了不同反应条件下二氧化碳-流体-玄武岩反应的实验结果，发现即使在矿物成分相似的情况下，不同反应条件下产生的次生矿物也有所不同。硅酸盐矿物的溶解速率受矿物成分、孔隙结构、温度、pH值、二氧化碳压力、形成水和注入流体的化学成分等因素的影响。温度升高有利于硅酸盐矿物的溶解，而pH值的变化则对不同类型的硅酸盐矿物溶解速率有不同的影响。二氧化碳压力通过改变反应体系的pH值影响矿物的溶解速率，而流体化学中的盐类和离子也会对硅酸盐矿物的溶解过程产生复杂影响。
碳酸盐矿物的沉淀受矿物成分、孔隙结构、温度、pH值、二氧化碳压力和流体化学等因素的影响。温度升高有利于硅酸盐矿物的溶解，但过高的温度可能导致次生硅酸盐矿物的沉淀，从而抑制碳酸盐矿物的形成。pH值的变化影响碳酸盐矿物的沉淀顺序，通常在酸性条件下，铁碳酸盐首先形成，随后是镁碳酸盐和钙碳酸盐。二氧化碳压力的增加可以提高碳酸盐矿物的沉淀速率和比例，从而提高二氧化碳矿化储存的效率。
文章总结了玄武岩中二氧化碳矿化储存的机制及其对岩石物理和力学性质的影响，强调了选择合适的储层和优化反应条件的重要性。未来的研究应进一步探讨流体化学对玄武岩溶解和碳酸盐沉淀的影响机制，开发更有效的实验方法和技术，以提高二氧化碳矿化储存的效率和安全性。
本文的亮点在于全面回顾了玄武岩中二氧化碳矿化储存的最新研究进展，系统总结了碳储存潜力的评估方法、碳捕获机制及其控制因素，并详细讨论了二氧化碳-流体-玄武岩相互作用对岩石物理和力学性质的影响。文章还介绍了两个成功的现场试验项目——冰岛的CarbFix项目和美国的Wallula项目，进一步验证了玄武岩中二氧化碳矿化储存的可行性。
本文为玄武岩中二氧化碳矿化储存的研究提供了重要的理论支持和实验依据，对未来的碳捕获与储存技术发展具有重要的指导意义。通过优化反应条件和开发新的实验方法，玄武岩中的二氧化碳矿化储存有望成为应对全球气候变化的重要手段。