碳矿化是气态二氧化碳与某些岩石类型发生化学反应并转化为固体碳的过程内特矿物质。这一自然过程是漫长的碳循环的重要组成部分，数百万年来，碳循环帮助调节了地球的温度。地下矿化是一种模拟自然过程的人为碳储存技术，将CO 2直接注入原位玄武岩、橄榄岩和其他岩石类型中，以加速矿化。2012年，冰岛的CarbFix项目首次演示从那时起，已经储存了超过10万吨的二氧化碳。Propo研究人员表示，该技术安全、可验证，并提供快速永久的CO?储存，使这种封存方法比其他选择（如重新造林）更具优势森林可以砍伐、焚烧或毁灭沉积盆地的常规地质储存（需要长期储存）监测泄漏)。对地下碳矿化的兴趣正在增长：在冰岛扩张，在美国和阿曼的测试项目，以及最近宣布的其他国家。但是，为了扩大规模，需要对实地试点进行投资，再加上监管和政策支持。与其他地球工程方法不同，这种技术似乎对环境没有什么影响nmental问题。

　　岩石在碳循环中起着至关重要的作用，但往往未被认识到。几千年来，通过一种帮助调节地球温度的自然过程，化学反应将大气中的二氧化碳转化为固体碳酸盐矿物，并将其永久地锁在地下。

　　这种碳矿化过程，如果得到加强和加速，可以用来储存大气中的碳，并且在处理遗留排放和难以减少的排放源方面特别有用。

　　全球非营利组织世界资源研究所（World Resources Institute）的助理研究员凯蒂?莱布林（Katie Lebling）表示：“顶尖科学家一致认为，我们确实需要（二氧化碳的去除和储存）以及大幅减排”，以避免灾难性气候变化的影响。

　　今天，科学家们正在研究自然矿化过程，并研究如何更快地将大气中的二氧化碳储存在地下。

　　这种碳捕获和储存（CCS）技术，被称为地下或原位碳矿化，涉及将二氧化碳（通常是水）直接注入某些岩石类型，以加速将气体转化为固体的化学反应。

　　最适合发生矿化的岩石是那些镁和钙含量高的岩石，因为它们与二氧化碳反应迅速，形成稳定的碳酸盐矿物——如火成岩玄武岩。这些岩石在世界上许多地方都很丰富。

　　这种方法已经在许多地方得到了证明，首先是在冰岛，而且全球的兴趣正在增长。支持者表示，这项技术可以提供一种相对安全、可扩展的永久储存二氧化碳的方法。

　　关键是要弄清楚如何使反应快速、经济、大规模地发生。

　　

　　冰岛南部斯瓦提福斯的火成岩玄武岩柱。玄武岩是地球上最常见的岩石类型之一，非常适合碳矿化。图片由Zairon通过维基共享资源（CC by - sa 3.0）提供。

　　21世纪初，当时在法国**研究机构图卢兹国家科学研究中心工作的地球化学家埃里克·奥尔克斯（Eric Oelkers）与冰岛大学的地球化学教授Sigureur Gíslason合作。他们一起研究风化如何影响冰岛漫长的碳循环。

　　Oelkers和Gíslason分析了科学界众所周知的风化过程：基本上，当火成岩玄武岩被物理和化学风化磨损时，钙和镁离子被释放到海洋中。在那里，它们与溶解的二氧化碳反应结合，形成稳定的碳酸盐矿物，最终被隔离在地壳深处。

　　当《京都议定书》气候协议签署后，冰岛总统要求一群科学家（包括Oelkers， Gíslason，美国哥伦比亚大学的同事和雷克雅未克能源公司）想出减少这个岛国温室气体排放的方法时，这个团队想知道他们是否能以某种方式模拟和加速自然矿化过程，将二氧化碳储存在地下。

　　“我们看着它，然后说，‘好吧，这和我们一直在研究的过程是一样的，’”Oelkers回忆道。但是，“我们将直接把富含二氧化碳的水放入岩石中，而不是把玄武岩物质（在冰岛是由冰川风化而成的）带到海洋中。”

　　雷克雅未克能源公司，一家地热公司，已经开始钻孔并将水处理到地下。因此，研究团队需要做的就是添加气态二氧化碳，这可以从地热发电厂中捕获。这似乎是一个值得检验的合理假设。

　　“从我们所知道的一切来看，（它）应该能制造碳酸盐矿物，”Oelkers说，并提供一种快速永久储存大气碳的方法。

　　名为CarbFix的冰岛小组于2006年开始进行建模练习、实验室实验和实地调查。他们研究了地下水的化学成分，玄武岩的组成和反应性，以及地下流动路径。这有助于他们了解环境风险，预测二氧化碳的去向，并设计出一种测量矿化量的方法。

　　到2012年3月，他们准备好了。研究小组使用一种类似于巨型汽水机的设备，将二氧化碳和水输送到位于Reykjavík以东的Hellisheiei地热发电厂一个500米深（1640英尺）的钻孔中。总共注入了大约200公吨的二氧化碳（由于设备故障，最初试验中的大部分二氧化碳都是购买的，只有一部分是从发电厂捕获的）。

　　由于研究人员无法看到地下，他们从附近的一口井中采集了水样，以确定发生了什么。这些样本表明，当示踪气体浓度持续增加时，二氧化碳水平很快达到稳定水平，然后下降。他们知道，如果二氧化碳不在水中，那么它一定以方解石、磁铁矿和菱铁矿的形式留在了岩石中。在短短两年内，超过95%的二氧化碳被封存起来。

　　“文献中的一些人说我们很惊讶，”Oelkers说。“事实是，我们只是复制了自然。”

　　

　　CarbFix的学术首席科学家，左起：Sigureur R. Gíslason, Juerg Matter， Martin Stute和Eric Oelkers。他们站在hellishai - ei地热发电厂冷却塔前，大约在2007年。图片由S.R. Gíslason提供。

　　自那次开创性的演示以来，CarbFix项目逐步扩大了规模。

　　2014年，它开始在Hellisheiei发电厂进行商业运营，捕获并矿化了该发电厂产生的约三分之一的二氧化碳和三分之二的硫化氢（这两种气体都是发电的副产品）。2017年，CarbFix与瑞士直接空气捕捉公司Climeworks合作。他们的Orca终端建于2021年，是有史以来第一个提供商业规模的直接空气碳捕获和矿物储存的终端。

　　迄今为止，CarbFix已经将大气中的二氧化碳矿化了超过10万吨。虽然CarbFix最初是作为一个工业-学术合作公司成立的，但现在它是雷克雅未克能源公司的子公司。计划中的项目包括Coda码头，这是一个二氧化碳运输和储存中心，将通过船舶接收液化二氧化碳，预计到2032年，每年将有能力向地**入300万吨二氧化碳。

　　2012年，来自太平洋西北国家实验室（PNNL）的研究人员在华盛顿州瓦卢拉的哥伦比亚河洪水玄武岩中注入了1000公吨液化超临界二氧化碳。两年后，测试发现60%的二氧化碳已经矿化。

　　该项目于2015年结束，但现在，在美国新的资助机会的支持下，研究正在加速。这包括俄勒冈州的HERO CarbonSAFE第二阶段项目，来自PNNL和怀俄明大学的研究人员希望很快钻一口井来测试碳储存的潜力。

　　研究人员还在探索另一种火成岩——橄榄岩的碳储存潜力。橄榄岩通常位于地幔深处，难以接近，但在某些地方，橄榄岩被推到了地表。阿曼有一些世界上最令人印象深刻的露头，但在新喀里多尼亚、巴布亚新几内亚、加拿大西部和其他地方也发现了地表橄榄岩。

　　2020年，阿曼初创公司44.01成功证明了橄榄岩的矿化，向地**入了1.2公吨二氧化碳，其中80%的二氧化碳在短短45天内矿化。2022年，该公司赢得了令人垂涎的“修复我们的气候”类Earthshot奖。今年5月，该公司与美国直接空气捕捉公司Aircapture合作的“哈贾尔项目”（Project Hajar）成为XPRIZE“碳去除奖”的前20名竞争者之一。

　　其他一些努力也在进行中。例如，在2023年中期，包括Oelkers在内的研究人员向沙特阿拉伯海岸的火山岩中注入了130公吨二氧化碳，作为石油巨头沙特阿美公司脱碳战略的一部分。测试表明，超过一半的二氧化碳在六个月内矿化了。在加拿大，初创公司DeepSky最近宣布与CarbFix建立合作关系；他们计划于2025年在魁北克省钻出第一个玄武岩洞。

　　

　　hellishei - ei地热发电厂，原CarbFix项目的所在地。初始先导阶段注入a向玄武岩中注入约200公吨的二氧化碳，这是世界上第一个成功演示的实验论证地下碳矿化的可行性。图片由sigg通过维基共享资源（CC by - sa 4.0）提供。

　　CarbFix地点的岩心，显示方解石形成于玄武岩中。注入的二氧化碳和水与玄武岩之间发生一系列化学反应，产生方解石，锁住二氧化碳2永远地离开。图片由Sandra ósk Sn?bj?rnsdóttir通过维基共享资源（CC BY-SA 4.0）提供。

　　地下矿化的支持者指出了它的优势。首先，几乎每个大陆都有适合储存二氧化碳的岩石。全球碳捕获与封存研究所（Global Carbon Capture and storage Institute）的封存负责人克里斯·康索利（Chris Consoli）说，这对水泥生产等难以减排的行业尤其重要，因为这些行业不一定位于沉积岩附近，而传统的地质CCS通常使用沉积岩。

　　二是地下矿化过程快速、安全、持久。一旦二氧化碳被矿化，它就再也无法逃逸回大气中。这比传统的地质储存方式更有优势，在传统的地质储存方式中，二氧化碳被泵入沉积盆地（如旧油田和天然气田下的盆地），那里有泄漏回大气的风险。

　　在地下矿化中，“你实际上可以验证碳是如何改变状态的，在不到两年的时间里，从气相到固相，”DeepSky碳矿化负责人卡塔琳娜Sánchez-Roa说。“这确实是一个巨大的飞跃，目前在传统的存储中，你必须监测你的油田（泄漏）50多年。”

　　虽然像重新造林这样基于自然的解决方案带来了许多共同利益（包括生物多样性），但就碳储存而言，它们不能提供相同水平的持久性；储存碳的森林可以燃烧，但岩石是永恒的。

　　“我们可以保证，实际的碳信用额度将在那里停留数百万年，”Sánchez-Roa说。

　　最后，化学反应本身不需要能量输入，而且这个过程似乎没有什么环境风险。支持者说，诱发地震活动和地下水污染已经被标记为潜在的风险，但是通过适当的规划和监测是可以避免的。

　　

　　碳水化合物食品阿曼橄榄岩中的钠脉是碳矿化自然过程的一个直观例子。当有限公司2雨水溶解后渗入富镁岩石的裂缝中，化学反应沉淀形成碳内特矿物质。图片由44.01提供。

　　然而，在扩大地下矿化规模之前，仍有一些挑战需要克服。一个是确定理想的地点，Sánchez-Roa说。地下矿化需要所谓的基性和超基性岩石，富含镁和铁，而渗透率或裂缝网络也很重要。一些区域地质数据已经存在，但该行业需要获得工具和专业知识来寻找、绘制和描述有前途的地点，Sánchez-Roa说，研究需要时间。

　　水资源方面也存在持续的挑战。冰岛和阿曼使用的方法是水密集型的。利用海水的项目取得了进展，在阿曼，正在使用处理过的废水来代替淡水，以降低成本和环境影响。研究人员还在探索在一个连续循环中循环水的方法。还有一个问题是，注入大量的二氧化碳将如何影响反应速率和途径。

　　但许多专家表示，这些技术上的未知因素不会对扩大规模构成重大障碍。“技术是有的，”Oelkers说。“这并不难做到。我们只需要更多的飞行员，我们会在前进的过程中学习。”

　　

　　44.01在阿曼Al Qabil的地下碳矿化试点项目。在世界上第一次演示中在橄榄岩中的碳矿化过程中，研究小组注入了1.2公吨溶解的CO2钻进岩石。图片由44.01提供。

　　根据凉爽地球创新论坛在2021年发布的碳矿化路线图，如果有足够的支持，碳矿化作为一个整体，包括增强岩石风化和其他类型的非原位矿化等技术，到2035年每年可以储存10亿吨或10亿吨（Gt）的二氧化碳，到2050年每年可以储存10亿吨二氧化碳。

　　然而，据IPCC称，这远远低于本世纪需要捕获和储存的350至1200亿吨二氧化碳，使用所有CCS方法，将全球气温上升控制在1.5摄氏度（2.7华氏度）。专家们表示，显然，这些方法无法取代化石燃料生产和燃烧的大幅减少。目前，人类每年继续向大气中释放40亿吨二氧化碳。尽快削减碳排放是第一步，也是最重要的一步。

　　所有CCS项目都面临一个共同的障碍：如何创造需求。莱布林说，目前，CCS是一种没有人需要购买的产品，与电动汽车或太阳能不同，仅凭市场力量不足以产生需求。

　　莱布林说，到目前为止，最初的买家一直是大型科技公司，这些公司拥有充足的资金，或者需要维护声誉。到目前为止，微软是最大的二氧化碳减排信用购买者，空客、亚马逊和b谷歌也位列前五。今年，与冰岛CarbFix公司合作的直接空气捕捉公司Climeworks与美国银行摩根士丹利（Morgan Stanley）和英国航空公司（British Airways）签订了碳去除协议。但是，专家们说，除非有合规政策和采购激励措施——大棒和胡萝卜——自愿采购将不足以使矿化项目扩大规模。

　　还需要一个强有力的监管框架来推动矿化进程。康索利说：“我们已经看到，在国内有长期稳定的政策支持CCS，比如像美国那样的税收抵免，或者像欧洲那样的目标，这确实有助于推动CCS的发展。”

　　随着毁灭性的气候变化影响不断升级，除了深度减排，我们没有时间浪费在追求碳矿化上，这是一套可行的气候解决方案的一部分。

　　

　　44.01在阿联酋富查伊拉的试点项目在100天内成功地将10公吨二氧化碳矿化。图片由44.01提供。

　　横幅图片:2011年底，冰岛CarbFix注入井的积雪和寒冷导致工作中断这个现场的条件更具挑战性。图片由S.R. Gíslason提供。

　　呼吁谨慎，因为增强的岩石风化显示出碳捕获的前景