捕捉碳的巖石

呂　靜

如果這一設想得到論證，人類只需要輕輕地引導，自然的力量將為我們清除大氣中過多的二氧化碳

一種有助于降低二氧化碳排放到大氣的辦法就是將其泵入地下封存。但是，根據最新研究，世界上有一種巖石能夠直接吸收二氧化碳。地質學家發現，在中東國家阿曼和世界上其他一些地區，有一種巖石能夠大量吸收二氧化碳，形成新的礦物，科學家認為這將有助于減緩全球變暖。

這種巖石叫做橄欖巖，是上層地幔中一種主要巖石。橄欖巖一般存在于地下20千米處或更深的地方，由于板塊構造迫使一些地幔上升，有的橄欖巖被擠到了地球的表面。比如在阿曼沙漠中就存在很多橄欖巖，這正是紐約哥倫比亞大學的凱勒曼和梅塔研究的問題。

自然的一種力量

地質學家早已知道，當把橄欖巖放在空氣中時，它會很快地與二氧化碳反應形成像石灰石和大理石一樣堅硬的碳酸鹽巖石。為此，有些人曾試圖將橄欖巖磨碎，想用它來吸收發電站的排放氣體。但是，經證實這個過程太昂貴，部分原因是運送石頭需要成本，運輸過程也產生排放。現在，凱勒曼和梅塔提出，可將二氧化碳埋到地下的橄欖巖層中。

他們的研究發表在《美國科學院院報》上。研究表明，這些阿曼的橄欖巖遠遠超出我們的想象，它們一年可以吸收成百上千噸的二氧化碳。而且，通過打孔和注入等簡單方法，就能10萬倍提高反應速度。他們估計，僅僅利用阿曼地表的橄欖巖，每年就能吸收40億噸二氧化碳。人類活動每年產生的二氧化碳大約為300億噸，主要因燃燒化石燃料所致。

從事地球環境研究的地質學家凱勒曼和地理化學家梅塔都在哥倫比亞大學的拉蒙特·多爾提地球科學研究所效力。他們是在阿曼沙漠的野外工作中經過多年研究才做出此項發現的。他們的研究領域就是暴露的橄欖巖，這些巖石與海岸的階丘、礦脈和其他白色的碳酸鹽類礦物交叉形成于地表。他們發現，在近代，巖石中的礦物質與存在于空氣和水中的二氧化碳發生反應的速度加快了，地下礦脈中的碳酸鹽類增加了10倍。

以前人們認為，地下礦脈是在隔絕大氣的過程中形成的，這些巖石距今已經有9600萬年的年齡了。然而，利用常規的碳同位素測定這些巖石的年代，凱勒曼和梅塔卻發現這些地下礦脈相當年輕，平均只有2.6萬年，而且還在積極地與富含二氧化碳的地下水形成向下滲透的巖層。很多地下巖石的樣本就暴露在阿曼新修道路的路口。

接觸到二氧化碳的橄欖石會變成碳酸鈣和碳酸鎂的巖石。科學家們發現，在阿曼，每年都這樣自然而然地消耗成百上千噸的二氧化碳。

蘇黎世瑞士聯邦理工學院分離過程實驗室主任馬澤蒂說，哥倫比亞研究人員的策略很有吸引力，因為這樣儲存大量二氧化碳看上去很有潛力。今天，我們的碳封存策略就有將其埋在地下，封存于多孔的蓄水層或廢油井中。馬澤蒂解釋道：哥倫比亞研究人員的方法是在形成巖石的過程中儲存碳，勢必比一般掩埋法減少了二氧化碳溢出的機會。

兩種實施方案

在天然橄欖巖的形成過程中，會捕捉地下礦脈網中的二氧化碳。橄欖巖中包括大量橄欖石，橄欖石是一種包含鎂、硅和氧的礦物。地下水和橄欖石發生反應，水中就溶解了大量的鎂和碳酸氫鹽——吸收二氧化碳反應而來。隨著水繼續往巖石深處滲透，鎂、碳和氧的沉淀物從溶液中析出，形成碳酸鎂，也叫做菱鎂礦。橄欖石也可形成包含鈣、鎂、碳和氧的白云石。當成為菱鎂礦和白云石的形式時，巖石的總體積會增加大約44%，這將引起巖石通體爆裂，產生直徑小于50微米的縫隙網絡結構。巖石的開裂使得水進一步滲透，從而吸收更多的二氧化碳進行反應。

經過計算，研究人員認為，這一自然過程可以被戲劇化地加速。利用經常在石油工業中應用的技術，可以讓這種巖石進一步破裂，增加反應的表面積。從發電廠捕捉的二氧化碳可以被泵入巖石，使之形成碳酸鹽。加熱巖石會增加反應速度，而且，由于反應本身是產熱的，一旦其到達一定的反應速度，就變成了一個自我維持的反應。啟動這種自我維持反應需要將巖石加熱到185℃，可以在巖石龜裂過程中完成加熱。計算結果：在這樣一個系統中，1立方千米的巖石每年可儲存10億噸二氧化碳。

研究人員還提出一個既無需運輸二氧化碳又不用加熱巖石的碳隔離對策。他們將巖石形成的地點放在離阿曼海岸不遠的淺海中，利用石油工業中現有的技術給石頭鉆孔，造成巖石破裂。他們一般給巖石打兩個孔，在一個孔中泵入冷海水。地球本身的產熱此時將產生作用，這些橄欖巖延伸到地表下5千米，越是向下溫度越高。由于巖石的溫度隨著深度而增加，當水被灌進孔中，它們也會逐漸變熱，直到接近185℃。二氧化碳會自然地溶解于水，然后變成沉淀從溶液中析出。熱水最終將流過巖石縫隙到達第二個鉆孔，通過對流可以上升到表面。這些海水可以很快吸收更多的二氧化碳，因為淺水能將大氣混合進來。凱勒曼說：“大氣在全世界都是免費運送二氧化碳的。”所以，如果大規模使用這種方法，就可能降低全球范圍的二氧化碳濃度。

不過，二氧化碳的濃度在海水中有所限制，采用這種辦法，1立方千米的巖石1年只能吸收100萬噸的二氧化碳。但因為無需運輸二氧化碳和額外花錢加熱巖石，凱勒曼認為我們可能讓它在大面積的巖石上發生作用，從而每年為地球減少幾十億噸二氧化碳。

等待更充分的試驗

馬澤蒂表示，從概念上講，這些都沒錯。但問題是這些方法在實踐上是不是真的行得通。僅就一件事情講，自維持反應取決于碳酸鎂和其他沉淀物持續地沉淀到巖石的裂縫中并暴露出更多裂縫。研究人員已經在阿曼觀察到這種地質變化，但這并不能說明他們所設想的反應能夠持續。馬澤蒂認為這些概念還需要用大規模實驗來證實。

梅塔說：“很幸運，在海灣地區存在這種巖石。”的確，世界上絕大多數石油和天然氣都來自這里，而且，阿曼正在建設一個新的燃氣發電廠，到時候這個電廠所產生的二氧化碳可以全部埋到石頭中。

也許這些巖石有望成為海灣地區能源工業最便捷的碳匯(是指利用植物光合作用等手段吸收大氣中的二氧化碳并將其固定在植被或土壤中，從而減少溫室氣體在大氣中的濃度)。橄欖巖也存在于世界上其他地區的地表，比如一些太平洋上的巴布亞新幾內亞和喀里多尼亞、希臘和克羅地亞海岸，另外，美洲大陸也有少量分布。

能吸碳的巖石可能還不止一種，梅塔現正在冰島的一個新項目中研究火山玄武巖，這種巖石也能吸收二氧化碳。